机器人技术——设计、应用与实践

目 录 第 1 章 概论 1 1.1 机器人的发展史 1 1.1.1 古代机器人 1 1.1.2 现代机器人 2 1.1.3 中国机器人的发展 3 1.2 机器人的定义和分类 3 1.2.1 机器人的定义 3 1.2.2 机器人的分类 4 1.3 机器人学的研究内容 10 习题 10 第 2 章 机器人机械系统结构与设计 11 2.1 概述 11 2.1.1 机器人及其系统组成 11 2.1.2 机器人的基本构成 11 2.2 机器人主要技术参数 12 2.3 人的手臂作用机能初步分析 14 2.4 工业机器人机械结构组成 15 2.5 机器人的手部 17 2.5.1 夹钳式手部 18 2.5.2 吸附式手部 19 2.5.3 仿人机器人的手部 21 2.5.4 机械手驱动力学的计算 22 2.6 机器人的手腕 25 2.6.1 手腕结构形式 26 2.6.2 手腕的典型结构 27 2.7 机器人的手臂 29 2.7.1 机器人手臂的结构形式 29 2.7.2 机器人手臂的典型机构 31 2.7.3 手臂驱动力的计算 32 2.8 机器人的机身 36 2.9 机器人的行走机构 37 习题 43 第 3 章 机器人运动学和动力学 44 3.1 概述 44 3.2 齐次坐标与动系位姿矩阵 44 3.2.1 点的位置描述 44 3.2.2 齐次坐标 45 3.2.3 坐标轴方向的描述 45 3.2.4 动系的位姿表示 46 3.3 齐次变换 49 3.3.1 平移的齐次变换 49 3.3.2 旋转的齐次变换 51 3.3.3 复合变换 53 3.4 机器人操作机运动学方程的建立及 求解 54 3.4.1 连杆参数及连杆坐标系的建立 54 3.4.2 连杆坐标系间的变换矩阵 55 3.5 工业机器人运动学 56 3.5.1 机器人运动学方程 56 3.5.2 正向运动学及实例 57 3.5.3 逆向运动学及实例 59 3.6 工业机器人动力学 62 3.6.1 机器人雅可比矩阵 62 3.6.2 机器人力雅可比矩阵静力计算 65 3.6.3 工业机器人动力学分析 67 习题 68 第 4 章 机器人传感器技术 70 4.1 概述 70 4.2 触觉传感器 70 4.2.1 触觉传感器基本结构 71 4.2.2 压觉传感器 72 4.2.3 力觉传感器 73 4.2.4 滑觉传感器 75 4.3 接近觉传感器 77 4.4 视觉传感器 78 4.4.1 机器人视觉 78 4.4.2 视觉传感器工作原理 79 4.5 听觉、嗅觉、味觉传感器 80 4.5.1 听觉传感器 80 4.5.2 嗅觉传感器 81 4.5.3 味觉传感器 83 4.6 智能传感器 85 4.6.1 智能传感器的构成 85 4.6.2 压力传感器智能化 85 习题 88 第 5 章 机器人驱动系统设计 89 5.1 概述 89 5.1.1 气压驱动的特点 89 5.1.2 液压驱动的特点 89 5.1.3 电气驱动的特点 90 5.1.4 新型驱动器的特点 90 5.2 气压驱动系统 91 5.2.1 气压驱动回路 91 5.2.2 气源系统的组成 92 5.2.3 气压驱动器 94 5.3 液压驱动系统 95 5.3.1 液压伺服系统 95 5.3.2 电液伺服系统 96 5.3.3 电液比例控制阀 97 5.4 电气驱动系统 99 5.4.1 步进电动机驱动 99 5.4.2 直流伺服电动机及其控制 102 5.4.3 交流伺服电动机及其控制 104 5.5 直线电动机 108 5.6 其他新型驱动器 111 5.6.1 压电驱动器 111 5.6.2 静电驱动器 113 5.6.3 磁致伸缩驱动器 115 5.6.4 人工肌肉 116 习题 118 第 6 章 机器人控制技术 119 6.1 概述 119 6.2 工业机器人控制方式的分类 119 6.3 工业机器人位置控制 120 6.3.1 基于直流伺服电动机的单关节 控制器 121 6.3.2 基于交流伺服电动机的单关节 控制器 124 6.4 工业机器人的运动轨迹规划 125 6.4.1 路径和轨迹 125 6.4.2 轨迹规划及控制过程 126 6.4.3 机器人轨迹插值计算 127 6.4.4 笛卡儿路径轨迹规划 133 6.5 力(力矩)控制技术 134 6.5.1 问题的提出 134 6.5.2 工业机器人位置/力混合控制 135 习题 138 第 7 章 智能机器人 139 7.1 概述 139 7.2 智能机器人的分类 140 7.2.1 按智能程度分类 140 7.2.2 按用途分类 141 7.3 智能机器人的关键技术 143 7.3.1 多传感信息融合技术 143 7.3.2 导航和定位技术 145 7.3.3 路径规划技术 147 7.3.4 智能控制技术 149 习题 164 第 8 章 机器人编程 165 8.1 概述 165 8.2 对机器人的编程方式和要求 166 8.2.1 在线编程 166 8.2.2 离线编程 167 8.2.3 自主编程 168 8.2.4 对机器人的编程要求 169 8.3 机器人编程语言的要求和类别 170 8.4 机器人的示教编程 171 8.4.1 程序形式 171 8.4.2 程序结构 172 8.4.3 程序实例 172 8.5 常用的机器人专用编程语言 173 8.5.1 VAL 语言 173 8.5.2 AL 语言 176 8.5.3 SIGLA 语言 178 8.5.4 C 语言 179 8.6 编程技术的发展趋势 180 习题 180 第 9 章 机器人在不同领域中的应用 181 9.1 概述 181 9.2 工业机器人 182 9.2.1 工业机器人产品分类与应用 182 9.2.2 工业机器人的应用准则 183 9.2.3 焊接机器人及其应用 184 9.2.4 焊接机器人系统的基本配置 186 9.2.5 机器人焊缝自动跟踪技术 190 9.2.6 11 轴联动的焊接机器人 193 9.2.7 机器人在铸造行业的应用 194 9.3 农业机器人 197 9.3.1 果蔬采摘机器人 198 9.3.2 林木球果采集机器人 199 9.3.3 移栽机器人 200 9.3.4 自动挤牛奶系统 200 9.3.5 农业生产用机械手与控制 201 9.4 服务机器人 207 9.5 特种机器人 211 9.5.1 地面移动机器人 211 9.5.2 水下机器人 213 9.5.3 空间机器人 215 9.5.4 微型机器人 219 9.6 类人机器人 222 9.7 机器人技术发展趋势 225 习题 227 第 10 章 机器人系统设计实例 228 10.1 机器人系统设计基本方法 228 10.1.1 概述 228 10.1.2 工业机器人系统设计内容与步骤 229 10.1.3 工业机器人系统设计要求与准则 230 10.1.4 工业机器人系统详细设计及实现 方法 231 10.2 昆山 1 号机器人系统设计实例 234 10.2.1 设计参数与指标的确定 234 10.2.2 系统总体功能和结构方案设计 234 10.2.3 机械系统详细设计及实现 235 10.2.4 控制系统结构设计及实现 250 10.3 MT-R 智能型移动机器人设计 实例 265 10.3.1 组成与功能 265 10.3.2 设计参数与性能指标 266 10.3.3 系统总体结构方案设计 267 10.3.4 运动学及动力学分析 267 10.3.5 机械系统设计 270 10.3.6 能源系统设计 272 10.3.7 控制系统设计 273 10.3.8 驱动系统设计 274 10.3.9 传感系统设计 275 10.3.10 软件系统设计 281 10.3.11 运动控制应用 283 10.4 E100 变电站智能巡检机器人设计 实例 288 10.4.1 组成与功能 288 10.4.2 设计参数与性能指标 289 10.4.3 系统总体结构方案设计 290 10.4.4 运动学及动力学分析 290 10.4.5 机械系统设计 292 10.4.6 能源系统设计 294 10.4.7 控制系统设计 295 10.4.8 驱动系统设计 296 10.4.9 传感系统设计 296 习题 299 参考文献 300