本書在充分吸收國內(nèi)外智能機器人新的優(yōu)秀研究成果的基礎(chǔ)上，詳細介紹了智能機器人的基礎(chǔ)技術(shù)及工程應(yīng)用，包括機器人概述、運動學(xué)和動力學(xué)、本體結(jié)構(gòu)、控制和通信技術(shù)及具體應(yīng)用五方面內(nèi)容。本書注重機器人技術(shù)知識體系的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、實用性和前沿性，力求語言通俗易懂、簡明扼要、內(nèi)容豐富、層次分明、圖文并茂，可讀性強。每章都提供了思維導(dǎo)圖，便于讀者學(xué)習(xí)和理解本章內(nèi)容。本書可作為高等學(xué)校機械類、自動化類本科學(xué)生的基礎(chǔ)課程教材，也可供從事機器人研究、開發(fā)和應(yīng)用的科技人員參考。
機器人被稱為 制造業(yè)皇冠頂端的明珠 ,其研發(fā)、制造及應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。同時 ,機器人作為 中國制造 2025十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一以及核心的智能裝備 ,對于改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式 ,提升我國制造業(yè)創(chuàng)新能力 ,實現(xiàn)我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變等具有十分重要的推進作用。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展 ,很多基于新原理、新技術(shù)和新理論的新型機器人不斷涌現(xiàn)出來 ,使得機器人的概念不斷豐富和發(fā)展 ,從航空航天到深海深地 ,其成員數(shù)量越來越多 ,它們形態(tài)各異、種類繁多、或大或小,有的機器人重則幾噸 ,有些則只有幾克 ,有些機器人有幾米高 ,而有些機器人則是微納米量級。
目前 ,機器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成一門多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科 ,與機械、力學(xué)、電氣、控制、計算機、生物學(xué)、人工智能等學(xué)科密切相關(guān) ,多學(xué)科知識的交叉融合是機器人技術(shù)得以發(fā)展、拓寬和延伸的基礎(chǔ)。本書即為國家級一流本科專業(yè) 機械設(shè)計及其自動化的專業(yè)建設(shè)成果。
本書從機器人概述、運動學(xué)和動力學(xué)、本體結(jié)構(gòu)、控制和通信技術(shù)及具體應(yīng)用五個方面展開論述 ,注重機器人技術(shù)的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和前沿性 ,既力求用通俗易懂、簡明扼要的語言介紹機器人的基礎(chǔ)理論知識 ,又著力突出知識體系的完整、內(nèi)容的豐富和層次的分明。首先,在介紹智能機器人概念及發(fā)展的基礎(chǔ)上 ,詳細闡述了機器人運動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)理論;然后 ,按照組成機器人的機械、控制、傳感三大部分 ,分別從本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制技術(shù)及通信技術(shù)介紹機器人的基本技術(shù) ;最后 ,按照機器人的應(yīng)用分類 ,通過大量的案例介紹機器人在具體工程實際中的應(yīng)用。同時 ,通過融入國內(nèi)外機器人技術(shù)新的研究成果和產(chǎn)品具體應(yīng)用案例 ,提升本書內(nèi)容的前沿性和實用性。本書可作為高等學(xué)校本科學(xué)生和研究生的基礎(chǔ)課程教材 ,也可供從事機器人研究和開發(fā)的有關(guān)技術(shù)人員參考。
本書的部分研究成果獲得國家自然科學(xué)基金項目 (51809127)資助 ,具體編寫分工如下:華北水利水電大學(xué)田寶強負責(zé)第 1章和第 5章,譚兆鈞負責(zé)第 2章和第 3章,鄭州大學(xué)胡亞洲負責(zé)第 4章。此外 ,陳志遠、陳際波、劉川、袁世峰等研究生參與了部分內(nèi)容的錄入工作 ,在此表示感謝。
限于編著者水平 ,且機器人技術(shù)及相關(guān)學(xué)科發(fā)展迅速 ,書中難免存在不足之處 ,懇請讀者予以批評指正。
編著者
2024年9月
第1章 緒論 001
1.1 機器人概述 001
1.1.1 機器人發(fā)展簡史 002
1.1.2 機器人的概念 004
1.1.3 機器人的優(yōu)勢 005
1.1.4 機器人發(fā)展趨勢 007
1.2 機器人的分類 008
1.2.1 按機器人應(yīng)用領(lǐng)域分類 008
1.2.2 按機器人控制方式分類 009
1.2.3 其他分類方式 011
1.3 機器人基本組成和技術(shù)參數(shù) 011
1.3.1 機器人基本組成 011
1.3.2 機器人技術(shù)參數(shù) 013
1.4 本章習(xí)題 015
第2章 機器人運動學(xué)和動力學(xué) 016
2.1 機器人運動學(xué) 016
2.1.1 機器人的位姿描述 016
2.1.2 齊次變換 019
2.1.3 機器人正、逆向運動學(xué) 022
2.1.4 KUKAKR機械人運動學(xué)分析實例 023
2.2 機器人動力學(xué) 026
2.2.1 機器人雅可比 026
2.2.2 機器人靜力分析 029
2.2.3 機器人動力學(xué)方程 031
2.2.4 波浪滑翔機動力學(xué)建模分析實例 037
2.3 本章習(xí)題 041
第3章 機器人本體結(jié)構(gòu) 043
3.1 機器人總體技術(shù) 043
3.1.1 機器人總體設(shè)計 044
3.1.2 機器人材料選擇 045
3.2 機器人機械系統(tǒng) 047
3.2.1 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 047
3.2.2 機器人驅(qū)動系統(tǒng) 047
3.2.3 機器人傳動系統(tǒng) 048
3.2.4 機器人執(zhí)行系統(tǒng) 052
3.3 機器人感知系統(tǒng) 054
3.3.1 機器人傳感器特點及分類 054
3.3.2 多傳感器信息融合 058
3.3.3 智能傳感測量系統(tǒng) 062
3.4 機器人能源系統(tǒng) 066
3.4.1 機器人能源系統(tǒng)特點 066
3.4.2 機器人常用電源 067
3.4.3 機器人的新能源技術(shù) 069
3.5 本章習(xí)題 072
第4章 機器人控制及通信技術(shù) 073
4.1 機器人控制技術(shù) 073
4.1.1 機器人控制系統(tǒng)的基本組成 074
4.1.2 機器人控制器與外設(shè)及接口 075
4.1.3 常用的機器人控制算法 079
4.1.4 機器人路徑規(guī)劃 084
4.2 機器人程序設(shè)計 089
4.2.1 機器人嵌入式操作系統(tǒng) 089
4.2.2 編程語言類型與系統(tǒng)組成 091
4.2.3 常用機器人編程語言 093
4.3 機器人通信技術(shù) 096
4.3.1 無線通信方式 096
4.3.2 WiFi通信技術(shù) 099
4.3.3 衛(wèi)星通信技術(shù) 100
4.3.4 5G通信技術(shù) 102
4.4 本章習(xí)題 103
第5章 各類機器人及其應(yīng)用 105
5.1 工業(yè)機器人 105
5.1.1 工業(yè)機器人的分類 106
5.1.2 工業(yè)機器人具體應(yīng)用 108
5.1.3 工業(yè)機器人應(yīng)用特點分析 112
5.2 服務(wù)機器人 112
5.2.1 手術(shù)機器人 112
5.2.2 護理機器人 115
5.2.3 導(dǎo)覽機器人 117
5.2.4 農(nóng)業(yè)機器人 118
5.2.5 兒童陪伴機器人 119
5.2.6 掃地機器人 120
5.2.7 服務(wù)機器人應(yīng)用特點分析 122
5.3 特種機器人 123
5.3.1 巡檢機器人 123
5.3.2 消防機器人 126
5.3.3 救援機器人 128
5.3.4 排爆機器人 130
5.3.5 安防機器人 131
5.3.6 水下機器人 131
5.3.7 仿生機器人 132
5.3.8 特種機器人應(yīng)用特點分析 133
5.4 本章習(xí)題 134
參考文獻 135
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