工业机器人系统设计(单行本第2版)/现代机械设计手册

第23篇 工业机器人系统设计 第1章工业机器人技术基础 1.1工业机器人定义23-3 1.2工业机器人组成23-3 1.2.1操作机23-3 1.2.2控制器23-6 1.2.3示教器23-8 1.2.4驱动系统23-8 1.2.5传感器23-10 1.3视觉技术23-10 1.4工业机器人主要性能参数23-11 1.5工业机器人基本术语23-13 1.5.1有关机械结构和性能的术语23-13 1.5.2有关控制和安全的术语23-14 1.6工业机器人分类23-15 1.6.1按结构特征划分23-15 1.6.2按控制方式划分23-16 1.6.3按驱动方式划分23-17 1.6.4按应用领域划分23-17 1.7工业机器人应用和发展趋势23-19 第2章机器人运动学与动力学 2.1数理基础23-22 2.1.1位置描述23-22 2.1.2方位描述23-22 2.1.3位姿描述23-23 2.2坐标变换23-23 2.2.1平移坐标变换23-23 2.2.2旋转坐标变换23-23 2.3齐次坐标变换23-24 2.3.1齐次变换23-24 2.3.2平移齐次坐标变换23-24 2.3.3旋转齐次坐标变换23-24 2.4物体的变换及逆变换23-25 2.4.1物体位置描述23-25 2.4.2齐次变换的逆变换23-25 2.4.3变换方程初步23-26 2.5通用旋转变换23-26 2.5.1通用旋转变换公式23-26 2.5.2等效转角与转轴23-27 2.6机器人运动学23-28 2.6.1机器人运动方程的表示23-28 2.6.1.1运动姿态和方向角23-28 2.6.1.2运动位置和坐标23-30 2.6.1.3连杆变换矩阵及其乘积23-31 2.6.2机械手运动方程的求解23-32 2.6.2.1欧拉变换解23-32 2.6.2.2滚、仰、偏变换解23-34 2.6.2.3球面变换解23-34 2.7机器人动力学23-35 2.7.1刚体动力学23-35 2.7.1.1刚体的动能与位能23-35 2.7.1.2动力学方程的两种求法23-36 2.7.2机械手动力学方程23-39 2.7.2.1速度的计算23-39 2.7.2.2动能和位能的计算23-40 2.7.2.3动力学方程的推导23-42 第3章工业机器人本体 3.1概述23-44 3.1.1工业机器人的本体结构23-44 3.1.2工业机器人本体的发展趋势23-45 3.2工业机器人自由度与坐标形式23-46 3.2.1工业机器人的自由度23-46 3.2.2工业机器人本体的运动副23-46 3.2.3工业机器人运动坐标形式23-48 3.2.4工业机器人的主要构型23-48 3.3工业机器人工作空间与结构尺寸23-50 3.3.1机器人工作空间23-50 3.3.2确定工作空间的几何法23-51 3.3.3工作空间与机器人结构尺寸的关系23-51 3.4机器人结构优化23-51 3.4.1结构优化的目的23-51 3.4.2位置结构的优化设计23-51 3.4.3要求使工作空间最小的优化设计23-52 3.4.4要求使工作空间最大的优化设计23-52 3.5机器人整机设计原则和方法23-52 3.5.1机器人整机设计原则23-52 3.5.2机器人本体设计步骤23-53 3.6机器人的机械结构23-54 3.6.1腰部结构23-54 3.6.2臂部结构23-55 3.6.3腕部结构23-57 3.6.4末端执行器结构23-58 3.6.5工业机器人的运动传动机构23-58 3.6.6工业机器人的移动机构23-63 3.6.7SCARA23-65 3.6.8并联机器人23-66 3.6.9AGV23-67 3.7刚度、强度计算及误差分配23-69 3.7.1机器人刚度计算23-69 3.7.2机器人本体强度计算23-69 3.7.3机器人本体连杆参数误差分配23-69 第4章工业机器人控制系统 4.1概述23-70 4.1.1工业机器人控制系统的特点23-70 4.1.2工业机器人控制系统的主要功能23-70 4.1.3工业机器人的控制方式23-71 4.1.4工业机器人控制系统达到的功能23-71 4.1.5工业机器人控制系统的特点23-71 4.2工业机器人先进控制技术和方法23-71 4.2.1自适应控制23-72 4.2.2滑模变结构控制23-72 4.2.3鲁棒控制23-72 4.2.4智能控制23-72 4.3机器人控制系统分类23-73 4.3.1集中式控制系统CCS23-73 4.3.2分布式控制系统DCS23-73 4.4机器人控制系统设计23-74 4.4.1控制系统结构23-74 4.4.2下位机控制系统的设计23-75 4.4.3示教盒从机的设计23-76 4.5机器人典型控制方法23-76 4.5.1机器人PID控制23-76 4.5.1.1机器人独立PD控制23-76 4.5.1.2基于重力补偿的机器人PD控制23-77 4.5.1.3机器人鲁棒自适应PD控制23-77 4.5.2滑模控制23-78 4.5.2.1工作原理23-79 4.5.2.2滑模控制设计流程23-79 4.5.2.3机械手滑模鲁棒控制23-80 4.5.2.4基于计算力矩法的滑模控制23-81 4.5.2.5基于输入输出稳定性理论的滑模控制23-82 4.5.3自适应控制23-83 4.5.3.1自适应控制系统23-83 4.5.3.2自适应控制系统类型23-83 4.5.3.3自适应机器人23-84 4.5.3.4自适应控制常用的控制器23-84 4.5.4模糊控制23-86 4.5.4.1基本原理23-86 4.5.4.2模糊控制规则生成23-87 4.5.4.3规则形式23-87 4.5.4.4Fuzzy-PID复合控制23-87 4.5.5机器人顺应控制23-88 4.5.5.1概述23-88 4.5.5.2被动式顺应控制23-88 4.5.5.3主动式顺应控制23-89 4.5.6位置和力控制23-89 4.5.6.1位置控制23-89 4.5.6.2力控制23-89 4.5.6.3位置和力的混合控制23-92 4.5.6.4R-C控制器23-92 4.5.6.5改进的R-C力和位置混合控制23-93 4.6控制系统硬件构成23-94 4.6.1机器人控制系统硬件组成23-94 4.6.2机器人控制系统结构23-94 4.6.3机器人控制器23-96 4.7控制系统软件构成2