第1篇基礎理論篇
第1章機器人概論1
1.1機器人概念1
1.1.1定義1
1.1.2外觀類型1
1.1.3機器人三原則5
1.2機器人類型5
1.2.1按應用領域分類5
1.2.2按運動形式分類5
1.2.3按控制方式分類6
1.2.4按機械結(jié)構(gòu)形式分類6
1.2.5按坐標系分類7
1.2.6按驅(qū)動裝置分類8
1.3機器人的組成與工作原理8
1.3.1機器人硬件系統(tǒng)的組成8
1.3.2機器人軟件系統(tǒng)的組成11
1.3.3機器人的工作原理16
1.4機器人的歷史與發(fā)展16
1.4.1機器人的歷史16
1.4.2機器人的發(fā)展18
1.5工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)18
1.5.1高精度機器人減速器18
1.5.2高性能交直流伺服電動機及驅(qū)動器20
1.5.3高性能機器人控制器20
1.5.4機器人操作系統(tǒng)20
1.5.5各部分占整個機器人的成本比例21
1.6工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈21
1.7國內(nèi)外工業(yè)機器人制造商21
本章小結(jié)22
思考與練習題23
參考文獻23
第2章剛體位姿描述和齊次變換24
2.1剛體位姿描述24
2.1.1位置的描述24
2.1.2姿態(tài)的描述24
2.1.3位姿的描述25
2.1.4手爪坐標系25
2.2坐標變換26
2.2.1坐標平移26
2.2.2坐標旋轉(zhuǎn)26
2.2.3一般變換（平移 旋轉(zhuǎn)）28
2.2.4三維坐標變換的幾個特例29
2.3旋轉(zhuǎn)變換通式和等效轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)角31
2.3.1旋轉(zhuǎn)變換通式31
2.3.2等效轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)角33
2.4齊次坐標和齊次變換34
2.4.1引進齊次坐標34
2.4.2將復合變換式改寫為齊次變換式34
2.4.3繞坐標軸旋轉(zhuǎn)的3個特殊齊次變換矩陣35
2.4.4齊次旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣35
2.4.5齊次變換矩陣的特點36
2.5工業(yè)機器人運動學建立思路36
2.6坐標變換應用舉例37
2.6.1機器人與環(huán)境之間的坐標變換37
2.6.2攝像機的坐標系與坐標的變換37
本章小結(jié)39
思考與練習題39
參考文獻40
第3章機器人運動學41
3.1連桿參數(shù)和連桿坐標系41
3.1.1機器人連桿和關(guān)節(jié)的概念41
3.1.2連桿參數(shù)41
3.1.3連桿坐標系42
3.2用D-H方法建立機器人運動學方程42
3.2.1D-H方法的概念與思路42
3.2.2用D-H方法建立連桿坐標系的特點42
3.2.3相鄰連桿坐標系變換43
3.2.4相鄰連桿坐標系之間的齊次變換矩陣的進一步解釋44
3.3機器人運動學方程的形式與建立步驟45
3.3.1機器人運動學方程的形式45
3.3.2機器人運動學方程的建立步驟46
3.3.3用D-H方法建立機器人運動學方程應注意的問題46
3.4PUMA560機器人運動學方程的建立過程48
3.4.1建立PUMA560機器人各連桿坐標系和參考坐標系48
3.4.2填寫連桿參數(shù)表48
3.4.3寫出相鄰連桿之間的齊次變換矩陣49
3.4.4寫出運動學方程51
3.5機器人的運動學方程52
3.6機器人的逆運動學問題52
3.6.1逆運動學的概念52
3.6.2求逆解的過程53
3.6.3運動學逆解的多解問題54
3.6.4求工業(yè)機器人運動學逆解時需要關(guān)注的幾個問題54
3.7機器人運動學方程建立實例55
3.7.1RV-M1機器人運動學方程的建立55
3.7.2博實四自由度SCARA機器人運動學方程的建立58
本章小結(jié)61
思考與練習題61
參考文獻64
第4章機器人動力學65
4.1為什么要學習機器人的動力學65
4.2幾個與動力學關(guān)聯(lián)較大的概念65
4.3用拉格朗日方法建立機器人的動力學方程67
4.3.1拉格朗日動力學方程67
4.3.2用拉格朗日方程解決問題的一般步驟68
4.3.3用拉格朗日方程解決問題的優(yōu)點68
4.3.4單自由度——小車彈簧系統(tǒng)68
4.3.5二自由度系統(tǒng)——小車彈簧擺系統(tǒng)69
4.3.6集中質(zhì)量雙連桿系統(tǒng)71
4.3.7二自由度機器人手臂（分布質(zhì)量）72
4.4多自由度機器人的動力學方程的建立75
4.4.1多自由度機器人的動力學方程的建立思路75
4.4.2PUMA560機器人的動力學方程75
4.5關(guān)節(jié)空間和操作空間的動力學方程76
4.5.1關(guān)節(jié)空間動力學方程76
4.5.2操作空間動力學方程76
4.5.3操作力矩方程76
4.5.4雅可比矩陣76
4.5.5末端操作力與關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系78
本章小結(jié)80
思考與練習題80
參考文獻81
第5章軌跡規(guī)劃82
5.1軌跡規(guī)劃概述82
5.2軌跡規(guī)劃的基本原理83
5.2.1關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃原理83
5.2.2直角坐標空間軌跡規(guī)劃原理84
5.3關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃84
5.3.1三次多項式軌跡規(guī)劃84
5.3.2五次多項式軌跡規(guī)劃86
5.4直角坐標空間的軌跡規(guī)劃87
5.5連續(xù)軌跡記錄90
本章小結(jié)90
思考與練習題90
參考文獻90
第2篇工業(yè)機器人系統(tǒng)篇
第6章工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)91
6.1工業(yè)機器人的組成91
6.1.1工業(yè)機器人的概念與總體組成91
6.1.2機械結(jié)構(gòu)93
6.1.3各種驅(qū)動裝置95
6.1.4各種傳感器96
6.1.5各種控制器97
6.2工業(yè)機器人的工作原理98
6.2.1任務分析98
6.2.2軌跡規(guī)劃99
6.2.3編程與調(diào)試99
6.2.4機器人運行99
6.3工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)100
6.3.1機器人配置形式100
6.3.2總體結(jié)構(gòu)與運動101
6.3.3坐標結(jié)構(gòu)形式102
6.3.4基座和腰部103
6.3.5上下臂與連桿裝配105
6.3.6機器人的手腕105
6.3.7手爪結(jié)構(gòu)106
6.3.8關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式108
6.3.9機器人中常用的機械傳動裝置109
6.4機器人結(jié)構(gòu)的圖形符號表示111
6.4.1常用符號表示111
6.4.2機器人圖形符號表示舉例112
6.5工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)112
6.6幾種典型的工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)115
6.6.1RV-M1機器人的機械結(jié)構(gòu)115
6.6.2博實四自由度SCARA機器人機械結(jié)構(gòu)117
6.6.3匯博多控模塊化機器人的機械結(jié)構(gòu)120
本章小結(jié)124
思考與練習題124
參考文獻124
第7章工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)125
7.1機器人控制系統(tǒng)的功能125
7.2機器人控制系統(tǒng)的類型126
7.2.1按控制器不同分類126
7.2.2按驅(qū)動裝置不同分類128
7.3機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)130
7.3.1分級分布式控制130
7.3.2獨立關(guān)節(jié)控制132
7.3.3關(guān)節(jié)控制132
7.4機器人控制系統(tǒng)的分析方法134
7.5基于傳遞函數(shù)的單關(guān)節(jié)位置控制伺服系統(tǒng)分析134
7.5.1機器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（傳遞函數(shù)法）134
7.5.2單關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)分析137
7.6機器人控制系統(tǒng)的實例137
7.6.1RV-M1機器人的控制系統(tǒng)137
7.6.2博實四自由度SCARA機器人控制系統(tǒng)140
7.6.3匯博多控模塊化機器人的控制系統(tǒng)143
本章小結(jié)146
思考與練習題146
參考文獻147
第8章機器人視覺伺服系統(tǒng)148
8.1機器人視覺伺服系統(tǒng)的概述148
8.1.1機器人視覺伺服系統(tǒng)的組成148
8.1.2機器人視覺伺服系統(tǒng)的工作過程149
8.1.3機器人視覺伺服系統(tǒng)的類型152
8.1.4機器人視覺伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵問題154
8.2機器人視覺系統(tǒng)154
8.2.1視覺系統(tǒng)的圖像采集處理過程154
8.2.2視覺系統(tǒng)的組成155
8.2.3兩種數(shù)字攝像機的工作原理161
8.3機器人視覺圖像處理167
8.3.1視覺圖像處理的對象167
8.3.2視覺圖像處理的目的167
8.3.3視覺圖像處理的基本理論167
8.3.4視覺圖像處理的方法168
8.3.5視覺圖像處理的基本方法和MATLAB程序169
8.4機器人視覺圖像分析與識別180
8.4.1圖像識別的概念與常用方法180
8.4.2特征識別181
8.4.3生物識別技術(shù)181
8.5機器人視覺伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題183
8.5.1標定問題183
8.5.2定位問題187
8.6機器人視覺圖像處理與分析識別的常用軟件187
8.6.1視覺圖像處理與分析常用軟件簡介187
8.6.2機器人視覺主要應用場景193
8.7機器人視覺伺服系統(tǒng)實例199
8.7.1博實四自由度SCARA機器人視覺伺服系統(tǒng)組成199
8.7.2博實四自由度SCARA機器人視覺伺服控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā)設計204
本章小結(jié)205
思考與練習題206
參考文獻206
第9章機器人編程207
9.1概述207
9.1.1機器人編程的意義207
9.1.2機器人編程系統(tǒng)應實現(xiàn)的功能207
9.1.3機器人編程類型207
9.2示教編程207
9.2.1示教編程的類型207
9.2.2示教編程的過程209
9.2.3示教裝置或軟件應具備的基本功能209
9.3機器人語言209
9.3.1機器人語言的類型209
9.3.2機器人語言的發(fā)展過程210
9.3.3機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本功能215
9.4機器人離線編程215
9.4.1什么是機器人離線編程215
9.4.2離線編程與示教編程的對比216
9.4.3機器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)216
9.4.4機器人離線編程的主要內(nèi)容216
9.5RV-M1機器人的編程216
9.5.1RV-M1機器人編程系統(tǒng)的硬件構(gòu)成216
9.5.2RV-M1機器人編程系統(tǒng)的軟件構(gòu)成217
9.5.3在線示教編程的操作順序217
9.5.4示教盒上各個按鈕開關(guān)的介紹217
9.5.5在線編程軟件——COSIPROG219
9.5.6離線編程與仿真軟件——COSIMIR221
9.5.7三菱RV-M1機器人的指令系統(tǒng)223
9.5.8三菱RV-M1機器人樣例程序一224
9.5.9三菱RV-M1機器人樣例程序二225
9.6博實四自由度SCARA機器人的編程227
9.6.1博實四自由度SCARA機器人編程系統(tǒng)組成227
9.6.2RBT-4S01S——機器人控制系統(tǒng)軟件功能227
9.6.3MAC-3002SSP4系列伺服電動機控制卡調(diào)試系統(tǒng)227
9.6.4機器人示教再現(xiàn)的過程229
本章小結(jié)229
思考與練習題229
參考文獻230
第3篇工業(yè)機器人實戰(zhàn)與應用篇
第10章工業(yè)機器人設計實戰(zhàn)231
10.1工業(yè)機器人設計概述231
10.1.1什么是設計231
10.1.2工業(yè)機器人設計思想231
10.1.3機械電子系統(tǒng)的設計特點232
10.1.4嵌入式物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設計233
10.1.5工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計理念243
10.1.6工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計理念245
10.2工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計246
10.2.1工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)特點246
10.2.2驅(qū)動裝置246
10.2.3機械傳動裝置255
10.2.4空間坐標結(jié)構(gòu)形式的選擇256
10.2.5安裝方式的選擇257
10.2.6手部設計257
10.2.7手腕設計260
10.2.8臂部設計261
10.2.9機身設計263
10.2.10工業(yè)機器人的機座結(jié)構(gòu)265
10.2.11平衡系統(tǒng)設計267
10.2.12緩沖與定位機構(gòu)267
10.2.13材料的選擇268
10.3工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設計268
10.3.1工業(yè)機器人的運動控制過程268
10.3.2工業(yè)機器人的運動控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)269
10.3.3工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式270
10.3.4工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的硬件設計272
10.3.5工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的軟件設計277
10.3.6智能機器人控制系統(tǒng)278
10.4工業(yè)機器人設計實例278
10.4.1RV-M1機器人的機械系統(tǒng)278
10.4.2RV-M1機器人的控制系統(tǒng)279
10.4.3匯博多控模塊化機器人的機械結(jié)構(gòu)設計282
10.4.4匯博多控模塊化機器人的控制系統(tǒng)282
本章小結(jié)284
思考與練習題285
參考文獻285
第11章工業(yè)機器人在智能制造中的應用286
11.1智能制造系統(tǒng)286
11.1.1制造技術(shù)的定義286
11.1.2工業(yè)革命的發(fā)展286
11.1.3智能制造287
11.2信息物理系統(tǒng)292
11.3機器人在智能制造中的應用297
本章小結(jié)301
思考與練習題301
參考文獻301
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