工業(yè)機器人系統(tǒng)設計

上 冊
第1章　操作與移動兩大主題概念下的現(xiàn)代工業(yè)機器人系統(tǒng)總論　/1
　1.1　機器人概念與工業(yè)機器人發(fā)展簡史　/1
　1.2　什么是工業(yè)機器人？ 　/4
　1.3　機器人操作臂簡史及其分類與應用　/9
　　　1.3.1　工業(yè)機器人操作臂是機器人概念的最早技術實現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)應用　/9
　　　1.3.2　傳統(tǒng)工業(yè)機器人操作臂和冗余、超冗余自由度機器人操作臂　/10
　　　1.3.3　機器人操作臂的分類、用途及特點　/23
　　　1.3.4　機器人操作臂固定安裝需考慮的問題及安裝使用的三種形式　/30
　1.4　地面移動機器人平臺的發(fā)展與現(xiàn)狀　/33
　　　1.4.1　有關動物、物體的“移動”概念與移動方式　/33
　　　1.4.2　工業(yè)機器人移動平臺的主要移動方式和移動機器人　/35
　　　1.4.3　移動機器人總論　/131
　1.5　末端操作器相關　/137
　1.6　移動平臺搭載操作臂的工業(yè)機器人發(fā)展　/139
　　　1.6.1　腿式移動機器人與操作臂一體的機器人　/140
　　　1.6.2　輪式移動機器人與操作臂一體的機器人　/142
　　　1.6.3　履帶式移動機器人與操作臂一體的機器人　/145
　　　1.6.4　移動平臺搭載操作臂的工業(yè)機器人應用與技術發(fā)展總結　/146
　1.7　關于工業(yè)機器人技術與應用方面人才與工業(yè)基礎　/148
　　　1.7.1　從事工業(yè)機器人系統(tǒng)設計所需的知識結構　/148
　　　1.7.2　從事工業(yè)機器人系統(tǒng)設計與研發(fā)應具備的專業(yè)素質(zhì)　/148
　　　1.7.3　工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化與創(chuàng)新研發(fā)所需的工業(yè)基礎　/152
　1.8　工業(yè)機器人種類與應用領域概覽　/156
　1.9　本書內(nèi)容構成設計思路、結構以及相關說明　/160
　參考文獻　/161

第2章　工業(yè)機器人操作臂系統(tǒng)設計基礎　/170
　2.1　工業(yè)機器人操作臂的組成與用途　/170
　　　2.1.1　工業(yè)機器人操作臂的用途與作業(yè)形式　/170
　　　2.1.2　工業(yè)機器人操作臂系統(tǒng)組成　/174
　2.2　工業(yè)機器人操作臂機構形式　/176
　　　2.2.1　工業(yè)機器人操作臂機構構型與分類　/176
　　　2.2.2　工業(yè)機器人操作臂中常用的機構構型　/179
　　　2.2.3　仿人手臂機構構型　/180
　　　2.2.4　冗余、超冗余自由度機器人操作臂機構構型　/184
　2.3　工業(yè)機器人操作臂的設計要求與特點　/189
　　　2.3.1　工業(yè)機器人操作臂的基本參數(shù)和特性　/189
　　　2.3.2　工業(yè)機器人操作臂產(chǎn)品基本規(guī)格參數(shù)及性能指標實例　/193
　　　2.3.3　工業(yè)機器人操作臂的設計過程及內(nèi)容　/195
　　　2.3.4　工業(yè)機器人操作臂機械系統(tǒng)設計中需要考慮和解決的問題　/197
　2.4　工業(yè)機器人操作臂的機械傳動系統(tǒng)設計基礎　/199
　　　2.4.1　工業(yè)機器人操作臂常用的機械傳動形式　/199
　　　2.4.2　齒輪傳動在機器人關節(jié)機械傳動系統(tǒng)中的應用及問題解決方法　/201
　　　2.4.3　精密滾珠絲杠傳動在機器人中的應用及問題解決方法　/203
　　　2.4.4　用于工業(yè)機器人操作臂的關節(jié)支撐形式與薄壁滾動軸承　/208
　　　2.4.5　機器人用諧波齒輪傳動及其創(chuàng)新設計　/212
　　　2.4.6　工業(yè)機器人用RV 擺線針輪傳動及其減速器結構與應用　/237
　　　2.4.7　同步齒形帶傳動　/246
　　　2.4.8　精密機械傳動裝置（減速器）在機器人中的應用實例　/266
　2.5　伺服驅(qū)動系統(tǒng)設計基礎　/270
　　　2.5.1　電動驅(qū)動　/270
　　　2.5.2　液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)基本原理與選型設計　/288
　　　2.5.3　氣動伺服驅(qū)動系統(tǒng)基本原理與選型設計　/297
　2.6　控制系統(tǒng)設計基礎　/308
　　　2.6.1　控制系統(tǒng)基本原理與組成　/308
　　　2.6.2　控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)　/318
　　　2.6.3　控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)　/342
　2.7　傳感技術基礎與常用傳感器　/350
　　　2.7.1　工業(yè)機器人傳感系統(tǒng)概述　/350
　　　2.7.2　位置/速度傳感器及其應用基礎　/365
　　　2.7.3　力/力矩傳感器及其應用基礎　/369
　　　2.7.4　視覺傳感器及其應用基礎　/379
　　　2.7.5　激光傳感器及其應用基礎　/385
　　　2.7.6　姿態(tài)傳感器及其應用基礎　/397
　2.8　本章小結　/406
　參考文獻　/406

第3章　工業(yè)機器人操作臂機械系統(tǒng)機構設計與結構設計　/408
　3.1　典型工業(yè)機器人操作臂機構構型及關節(jié)驅(qū)動形式　/408
　　　3.1.1　工業(yè)機器人操作臂關節(jié)驅(qū)動形式　/408
　　　3.1.2　工業(yè)機器人操作臂的腕關節(jié)驅(qū)動形式　/422
　3.2　工業(yè)機器人操作臂的機械結構設計　/425
　　　3.2.1　MOTOMAN K 系列機器人操作臂機械結構設計　/425
　　　3.2.2　PUMA 系列機器人操作臂機械結構設計　/430
　　　3.2.3　SCARA 類型機器人操作臂機械結構設計　/434
　3.3　多自由度無奇異全方位關節(jié)機構創(chuàng)新設計與新型機器人操作臂設計　/441
　　　3.3.1　單萬向鉸鏈機構原理　/441
　　　3.3.2　雙萬向鉸鏈機構等速傳動原理　/443
　　　3.3.3　機構拓撲變換演化　/444
　　　3.3.4　萬向鉸鏈機構的拓撲變換演化及其組合機構　/450
　　　3.3.5　新型4 自由度無奇異并/串聯(lián)式全方位關節(jié)機構的機械設計及研制的原型樣機與實驗　/460
　　　3.3.6　全方位關節(jié)機構設計與研究的總結　/487
　3.4　工業(yè)機器人操作臂的機構設計與機械結構設計中需要考慮和注意的問題　/488
　　　3.4.1　工業(yè)機器人操作臂機構構型設計問題　/488
　　　3.4.2　工業(yè)機器人操作臂機械結構設計問題　/490
　3.5　工業(yè)機器人操作臂的機構參數(shù)優(yōu)化設計　/492
　　　3.5.1　工業(yè)機器人操作臂的機構參數(shù)優(yōu)化設計問題　/492
　　　3.5.2　機構參數(shù)與工作空間　/495
　　　3.5.3　機器人機構操作性能準則與靈活性測度　/496
　　　3.5.4　6自由度以內(nèi)工業(yè)機器人操作臂的機構參數(shù)優(yōu)化設計　/503
　　　3.5.5　冗余自由度機器人操作臂機構參數(shù)的優(yōu)化設計　/504
　3.6　本章小結　/506
　參考文獻　/507

下 冊
第4章　工業(yè)機器人操作臂系統(tǒng)設計的數(shù)學與力學原理　/508
　4.1　工業(yè)機器人操作臂及其運動的數(shù)學與力學的抽象描述　/508
　　　4.1.1　工業(yè)機器人操作臂與作業(yè)對象構成的首尾相接的“閉鏈”系統(tǒng)　/509
　　　4.1.2　工業(yè)機器人操作臂作業(yè)“閉鏈” 系統(tǒng)的數(shù)學與力學描述問題　/511
　4.2　工業(yè)機器人操作臂機構運動學　/511
　　　4.2.1　機構運動學　/511
　　　4.2.2　機構正運動學和逆運動學　/513
　4.3　工業(yè)機器人操作臂機構運動學問題描述的數(shù)學基礎　/514
　　　4.3.1　作為工業(yè)機器人操作臂構形比較基準的初始構形　/514
　　　4.3.2　末端操作器姿態(tài)的表示　/514
　　　4.3.3　坐標系的表示與坐標變換　/516
　　　4.3.4　正運動學　/521
　　　4.3.5　逆運動學　/528
　　　4.3.6　RPP 無偏置型3 自由度機器人操作臂臂部機構運動學分析的解析幾何法　/530
　　　4.3.7　RPP 有偏置型3 自由度機器人操作臂臂部機構（即PUMA 臂部機構） 運動學分析的解析幾何法　/534
　　　4.3.8　機器人操作臂的雅克比矩陣　/540
　4.4　工業(yè)機器人操作臂機構動力學問題描述的力學基礎　/549
　　　4.4.1　工業(yè)機器人操作臂運動參數(shù)與機械本體物理參數(shù)　/549
　　　4.4.2　什么是動力學？ 　/549
　　　4.4.3　推導工業(yè)機器人操作臂微分運動方程的拉格朗日法　/550
　　　4.4.4　推導工業(yè)機器人操作臂微分運動方程的牛頓-歐拉法　/555
　4.5　工業(yè)機器人操作臂機構誤差分析與精度設計的數(shù)學基礎　/556
　　　4.5.1　機構誤差分析的數(shù)學基礎　/556
　　　4.5.2　機器人機構精度設計及測量　/564
　4.6　工業(yè)機器人操作臂控制系統(tǒng)設計的現(xiàn)代數(shù)學基礎　/565
　　　4.6.1　現(xiàn)代控制理論基礎　/565
　　　4.6.2　模糊理論與軟計算　/574
　　　4.6.3　神經(jīng)網(wǎng)絡基礎與強化學習　/590
　4.7　本章小結　/602
　參考文獻　/602

第5章　工業(yè)機器人操作臂機械本體參數(shù)識別原理與實驗設計　/604
　5.1　平面內(nèi)運動的2-DOF 機器人操作臂的運動方程及其應用問題　/604
　　　5.1.1　由拉格朗日法得到的2-DOF 機器人操作臂運動方程　/604
　　　5.1.2　機器人操作臂運動方程的用途　/605
　5.2　基底參數(shù)　/606
　5.3　參數(shù)識別的基本原理　/607
　　　5.3.1　逐次識別法　/607
　　　5.3.2　同時識別法　/610
　　　5.3.3　逐次識別法與同時識別法的優(yōu)缺點討論　/612
　5.4　參數(shù)識別實驗前需考慮的實際問題　/613
　5.5　本章小結　/613

第6章　工業(yè)機器人操作臂伺服驅(qū)動與控制系統(tǒng)設計及控制方法　/615
　6.1　工業(yè)機器人操作臂驅(qū)動與控制硬件系統(tǒng)構建　/615
　　　6.1.1　機器人系統(tǒng)體系結構設計需要考慮的問題　/615
　　　6.1.2　集中控制　/616
　　　6.1.3　分布式控制　/620
　6.2　位置/軌跡追蹤控制　/626
　　　6.2.1　機器人操作臂位置軌跡追蹤控制總論　/626
　　　6.2.2　PD 反饋控制（即軌跡追蹤的靜態(tài)控制） 　/627
　　　6.2.3　動態(tài)控制　/628
　　　6.2.4　前饋動態(tài)控制　/630
　　　6.2.5　前饋+ PD 反饋動態(tài)控制　/631
　　　6.2.6　計算力矩控制法　/633
　　　6.2.7　加速度分解控制　/633
　6.3　魯棒控制　/634
　6.4　自適應控制　/636
　6.5　力控制　/637
　　　6.5.1　機器人操作臂與環(huán)境構成的系統(tǒng)模型　/637
　　　6.5.2　基于位置控制的力/位控制器　/640
　　　6.5.3　基于力控制的力/位控制器　/642
　6.6　最優(yōu)控制　/644
　6.7　主從控制　/645
　　　6.7.1　對稱型主從控制系統(tǒng)與控制器　/645
　　　6.7.2　力反射型主從控制系統(tǒng)與控制器　/646
　　　6.7.3　力歸還型主從控制系統(tǒng)與控制器　/647
　　　6.7.4　對稱型/力反射型/力歸還型三種雙向主從控制系統(tǒng)的統(tǒng)一表示　/647
　6.8　非基于模型的智能控制方法　/649
　6.9　本章小結　/652

第7章　工業(yè)機器人用移動平臺設計　/653
　7.1　工業(yè)機器人操作臂移動平臺的形式與要求　/653
　7.2　移動平臺小車的機構與結構設計　/654
　　　7.2.1　輪式移動機構與結構　/654
　　　7.2.2　履帶式移動機構與結構　/681
　　　7.2.3　腿式移動機構與結構　/688
　　　7.2.4　帶有操作臂的輪式移動機器人系統(tǒng)設計實例　/695
　　　7.2.5　搭載操作臂的履帶式移動機器人系統(tǒng)設計實例　/715
　　　7.2.6　輪腿式移動機器人系統(tǒng)設計實例　/730
　　　7.2.7　輪式-腿式-履帶式復合移動方式的輪-腿-履式移動機器人（wheelslegs-tracks hybrid locomotion robot） 系統(tǒng)設計實例　/738
　7.3　搭載機器人操作臂的移動平臺穩(wěn)定性設計理論　/745
　　　7.3.1　運動物體或系統(tǒng)的移動穩(wěn)定性定義　/745
　　　7.3.2　物體或系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的力學基礎與穩(wěn)定移動的控制原理　/747
　　　7.3.3　腿足式移動機器人的移動穩(wěn)定性設計　/752
　　　7.3.4　輪式移動機構移動穩(wěn)定性設計　/763
　　　7.3.5　搭載機器人操作臂的移動平臺的穩(wěn)定性設計　/768
　　　7.3.6　關于移動機器人的穩(wěn)定性問題的延深討論　/770
　7.4　多移動方式機器人系統(tǒng)設計　/771
　　　7.4.1　具有多移動方式的類人及類人猿型機器人系統(tǒng)設計、仿真與實驗　/771
　　　7.4.2　非連續(xù)介質(zhì)的擺蕩渡越移動機構與大阻尼欠驅(qū)動控制系統(tǒng)設計和移動實驗　/780
　　　7.4.3　多移動方式移動機器人設計與研究的總結　/793
　7.5　本章小結　/796
　參考文獻　/797

第8章　工業(yè)機器人末端操作器及其換接裝置設計　/804
　8.1　工業(yè)機器人操作臂末端操作器的種類與作業(yè)要求　/804
　　　8.1.1　焊接作業(yè)　/804
　　　8.1.2　噴漆作業(yè)　/806
　　　8.1.3　搬運作業(yè)　/806
　　　8.1.4　裝配作業(yè)　/807
　8.2　工業(yè)機器人用快速換接器（快換裝置） 　/809
　　　8.2.1　機器人快換裝置的功能和技術指標　/810
　　　8.2.2　機器人快換裝置的定位原理　/812
　　　8.2.3　機器人快換裝置的夾緊原理　/815
　　　8.2.4　現(xiàn)有的機器人快換裝置　/817
　8.3　工業(yè)機器人操作臂末端操作器設計　/822
　　　8.3.1　單自由度開合手爪機構原理　/823
　　　8.3.2　多指手爪　/827
　　　8.3.3　柔順操作與裝配作業(yè)的末端操作器　/828
　8.4　仿人多指靈巧手的設計　/838
　　　8.4.1　仿人多指靈巧手的研究現(xiàn)狀及抓持能力　/838
　　　8.4.2　面向靈長類機器人的1∶1比例多指靈巧手設計　/842
　8.5　本章小結　/848
　參考文獻　/848

第9章　工業(yè)機器人系統(tǒng)設計的仿真設計與方法　/850
　9.1　工業(yè)機器人操作臂虛擬樣機設計與仿真的目的與意義　/850
　　　9.1.1　虛擬樣機設計與運動仿真　/850
　　　9.1.2　機器人虛擬樣機運動仿真的目的與實際意義　/851
　9.2　虛擬樣機設計與仿真分析工具軟件概論　/852
　　　9.2.1　現(xiàn)代機械系統(tǒng)設計及其仿真系統(tǒng)設計概論　/852
　　　9.2.2　軟件中虛擬“物理” 環(huán)境與虛擬樣機機構模型的建立　/860
　9.3　虛擬樣機設計與仿真——用于機器人虛擬樣機技術的設計與分析型工具軟件及模型導入方法　/866
　　　9.3.1　虛擬樣機設計　/866
　　　9.3.2　虛擬傳感器設計　/877
　　　9.3.3　虛擬樣機系統(tǒng)運動控制仿真——應用現(xiàn)代CAD 系統(tǒng)工具軟件進行機構運動控制的仿真模型建立　/878
　9.4　虛擬樣機仿真實例——工業(yè)機器人操作臂虛擬樣機運動樣本數(shù)據(jù)生成與運動仿真　/880
　　　9.4.1　機器人操作臂的機構運動仿真與分析步驟　/880
　　　9.4.2　編寫用于機器人操作臂機構仿真所需導入數(shù)據(jù)的機構運動學計算程序　/881
　　　9.4.3　運動學計算程序計算結果數(shù)據(jù)文件存儲　/883
　9.5　虛擬樣機仿真實例——用ADAMS 軟件進行機器人操作臂虛擬樣機設計與運動仿真的實例　/883
　　　9.5.1　機械系統(tǒng)的建?！?884
　　　9.5.2　機械系統(tǒng)的運動學、動力學仿真　/889
　　　9.5.3　關于機械系統(tǒng)的運動學、動力學仿真結果的分析和結論　/896
　9.6　本章小結　/897
　參考文獻　/898

第10章　面向操作與移動作業(yè)的工業(yè)機器人系統(tǒng)設計與應用實例　/899
　10.1　AGV 臺車　/899
　　　10.1.1　AGV 的種類　/899
　　　10.1.2　AGV 的典型導引方式　/900
　　　10.1.3　AGV 的移動方式與裝卸載方式　/901
　　　10.1.4　AGV 自動搬運系統(tǒng)的組成　/902
　　　10.1.5　AGV 的應用　/903
　10.2　KUKA youBot　/904
　10.3　操作人員導引的操作臂柔順控制原理與控制系統(tǒng)設計　/904
　　　10.3.1　由作業(yè)人員導引操縱的機器人操作臂Cobot 7A-15　/904
　　　10.3.2　操作人員導引機器人進行零件打磨力/位混合柔順控制的系統(tǒng)設計與問題剖析　/906
　10.4　工業(yè)機器人操作臂圓-長方孔形零件裝配系統(tǒng)設計及其力/位混合控制　/913
　　　10.4.1　關于應用于生產(chǎn)過程中的實際機器人裝配系統(tǒng)設計問題的總體認識　/913
　　　10.4.2　圓柱形軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統(tǒng)設計　/915
　　　10.4.3　方形軸孔類零件的裝配理論研究　/922
　　　10.4.4　復雜軸孔類零件裝配問題　/923
　　　10.4.5　圓柱形-長方形復合型軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統(tǒng)設計　/925
　10.5　工業(yè)機器人操作臂模塊化組合式設計方法與實例　/945
　　　10.5.1　關于模塊化組合式設計　/945
　　　10.5.2　機器人操作臂的模塊化組合式設計的意義與研究現(xiàn)狀　/947
　　　10.5.3　機器人操作臂的模塊化組合式設計的主要內(nèi)容　/950
　　　10.5.4　機器人操作臂模塊的結構設計及數(shù)據(jù)庫的建立　/950
　　　10.5.5　機器人操作臂模塊的模塊化組合方法　/956
　　　10.5.6　基于模塊庫和最小單元庫的機械臂動力學建模方法　/959
　　　10.5.7　組合式優(yōu)化設計方法　/962
　　　10.5.8　六自由度機械臂的組合式優(yōu)化設計計算與仿真　/965
　　　10.5.9　三自由度機械臂的組合式優(yōu)化設計與寫字實驗　/969
　10.6　多臺工業(yè)機器人操作臂系統(tǒng)在汽車沖壓件生產(chǎn)線上的應用設計與實例　/973
　　　10.6.1　汽車薄板沖壓成形件的沖壓工藝　/973
　　　10.6.2　汽車沖壓件生產(chǎn)線多工序坯/件運送多機器人操作臂系統(tǒng)方案設計實例　/974
　10.7　本章小結　/977
　參考文獻　/978

第11章　現(xiàn)代工業(yè)機器人系統(tǒng)設計總論與展望　/980
　11.1　現(xiàn)代工業(yè)機器人特點與分析　/980
　11.2　面向操作與移動作業(yè)的智能化工業(yè)機器人設計問題與方法　/983
　　　11.2.1　工業(yè)機器人操作性能的在線作業(yè)綜合評價與管理控制機制問題　/983
　　　11.2.2　力-力矩傳感器設計與使用時面臨的實際問題　/984
　　　11.2.3　工業(yè)機器人的“通用化”“智能化” 與機器人應用系統(tǒng)集成方案設計工具軟件研發(fā)的價值　/989
　　　11.2.4　靈巧操作手的實用化設計觀點與方法論　/991
　　　11.2.5　約束作業(yè)空間下力/位混合控制作業(yè)的“位置” 精度與“力” 精度的矛盾對立統(tǒng)一問題　/992
　11.3　機器人操作臂新概念與智能機械　/992
　　　11.3.1　由模塊化單元構筑可變機械系統(tǒng)的新概念新思想　/992
　　　11.3.2　“智能機械” 系統(tǒng)的自裝配、自重構、自修復概念　/994
　　　11.3.3　自重構可變機械的單元　/997
　　　11.3.4　集成化的自重構模塊M-TRAN 及自重構機器人可變形態(tài)　/999
　　　11.3.5　關于自裝配、自重構、自修復可變機械系統(tǒng)問題及本節(jié)小結　/1003
　11.4　自裝配、自重構和自修復概念將引發(fā)未來工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)技術展望　/1004
　11.5　本章小結　/1005
　參考文獻　/1006

附錄　/1007

索引　/1022