现代工业机器人技术及应用(MATLAB版)

本书较为全面、系统地介绍了现代工业机器人技术的基本知识及应用。全书共10章：绪论，工业机器人的机械系统，工业机器人的动力系统，工业机器人的感知系统，工业机器人的控制系统，工业机器人运动学建模，工业机器人动力学分析，工业机器人轨迹规划，基于C++的工业机器人轨迹规划软件开发实训，基于Unity 3D的工业机器人虚拟仿真实训。本书内容丰富、系统完整、论述严谨，第1～9章均配有一定数量的习题供读者复习巩固。
本书既可作为机械工程、机械设计制造及其自动化、自动化、机器人工程、智能制造工程、机械电子工程、机电一体化等专业本/专科学生的教材，也可供工业机器人领域的教师、研究人员和工程技术人员参考。本书配有丰富的配套资源，包括小型桌面2kg负载6轴工业机器人的本体结构配件、控制柜、电机、末端手爪、C++轨迹规划软件、Unity 3D虚拟仿真软件、MATLAB源代码，力图便于教师进一步开展工业机器人教学教研工作和学生进一步开展工业机器人自主DIY学习。

第1章 绪论 1
1.1 工业机器人的定义 1
1.2 工业机器人的发展 2
1.2.1 工业机器人在世界各国的发展 2
1.2.2 世界著名工业机器人生产企业 5
1.3 工业机器人的基本组成 7
1.4 工业机器人的技术指标 9
1.5 工业机器人的分类及应用 11
1.5.1 工业机器人的分类 11
1.5.2 工业机器人的应用 13
本章小结 18
习题 18
第2章 工业机器人的机械系统 19
2.1 工业机器人的手部 19
2.1.1 手部的特点 19
2.1.2 手部的分类 20
2.2 工业机器人的腕部 24
2.2.1 工业机器人腕部的运动 24
2.2.2 工业机器人腕部的分类 26
2.2.3 工业机器人腕部的典型结构 27
2.3 工业机器人的臂部 30
2.4 工业机器人的机身 36
2.5 工业机器人的基座 40
2.6 工业机器人的行走机构 41
2.7 工业机器人的底座 45
2.7.1 工业机器人底座的结构和放置形式 46
2.7.2 工业机器人底座的材料和技术要求 47
本章小结 48
习题 48
第3章 工业机器人的动力系统 49
3.1 动力系统的分类 49
3.2 交流伺服系统 54
3.2.1 伺服驱动器 55
3.2.2 交流永磁同步伺服系统的工作及控制原理 57
3.3 电液伺服系统 62
3.3.1 电液伺服驱动系统 62
3.3.2 电液比例控制阀 64
3.3.3 电液比例换向阀 65
3.3.4 摆动式液压缸 66
3.3.5 齿条传动液压缸 67
3.3.6 液压伺服马达 67
3.4 气动驱动系统 68
3.4.1 气动驱动回路 69
3.4.2 气源系统的组成 69
3.4.3 气动驱动器 71
本章小结 73
习题 73
第4章 工业机器人的感知系统 74
4.1 引言 74
4.2 工业机器人传感器概述 74
4.2.1 工业机器人传感器的分类 74
4.2.2 多传感器信息融合技术的发展 75
4.3 工业机器人的内部传感器 75
4.3.1 位置传感器 76
4.3.2 姿态传感器 81
4.4 工业机器人的外部传感器 82
4.4.1 触觉传感器 82
4.4.2 距离传感器 88
4.5 工业机器人视觉技术 90
4.5.1 机器视觉系统 90
4.5.2 CCD 91
4.5.3 机器视觉几何 93
4.5.4 视觉信号处理 96
本章小结 96
习题 97
第5章 工业机器人的控制系统 98
5.1 工业机器人控制系统的特点、要求及功能 98
5.1.1 工业机器人控制系统的特点 98
5.1.2 工业机器人控制系统的要求 98
5.1.3 工业机器人控制系统的功能 99
5.2 工业机器人的控制方式 101
5.2.1 点位控制方式 101
5.2.2 连续轨迹控制方式 102
5.2.3 力（力矩）控制方式 102
5.2.4 智能控制方式 102
5.3 电动机的控制 103
5.3.1 电动机控制介绍 103
5.3.2 电动机速度的控制 105
5.3.3 电动机和机械的动态特性分析 110
5.3.4 正确控制动态特性 112
5.4 机械系统的控制 115
5.4.1 机器人位置的确定 115
5.4.2 设计方法 115
5.4.3 电动机 116
5.4.4 驱动器 117
5.4.5 检测位置用的脉冲编码器和检测速度用的测速发电机 117
5.4.6 直流电动机的传递函数表示法 117
5.4.7 位置控制和速度控制 119
5.4.8 通过实验识别传递函数 121
5.4.9 通过比例积分微分（PID）补偿改善系统特征 121
5.4.10 通过积分比例微分补偿改善系统特性 123
5.4.11 电流控制 123
5.4.12 不产生速度模式的位置控制 125
5.5 控制系统的构成 125
本章小结 127
习题 127
第6章 工业机器人运动学建模 128
6.1 引言 128
6.2 建模的数学基础 128
6.2.1 刚体的空间位姿表示 128
6.2.2 刚体在空间的齐次坐标变换 136
6.2.3 其他所需的前置知识 139
6.3 旋量理论下的机器人运动学 141
6.3.1 旋量理论的建模基础 141
6.3.2 正运动学求解 146
6.3.3 逆运动学求解 149
6.3.4 封闭解的验证 157
6.3.5 解的选择问题 158
6.4 D-H参数法下的机器人运动学 160
6.4.1 D-H参数法的建模基础 160
6.4.2 正运动学求解 164
6.4.3 逆运动学求解 171
6.5 算法比较 182
6.6 雅可比迭代法 185
本章小结 190
习题 191
第7章 工业机器人动力学分析 192
7.1 引言 192
7.2 速度和加速度分析 193
7.2.1 导数的变换公式 193
7.2.2 刚体的速度和加速度 196
7.3 机器人的雅可比矩阵 202
7.3.1 矢量积法 202
7.3.2 微分变换法 207
7.3.3 雅可比矩阵的其他用法 216
7.3.4 雅可比矩阵的奇异性问题 217
7.4 机器人的静力学分析 218
7.4.1 力雅可比矩阵 218
7.4.2 连杆静力学分析 220
7.4.3 机器人静力学的两类问题 224
7.5 刚体的质量分布 224
7.5.1 惯性张量的导出 224
7.5.2 惯性张量的性质 226
7.5.3 伪惯量矩阵 232
7.6 拉格朗日动力学概述 234
7.6.1 拉格朗日动力学公式推导 234
7.6.2 拉格朗日动力学求解机器人动力学 238
7.7 牛顿欧拉法求解动力学方程 246
7.7.1 动力学方法比较 246
7.7.2 牛顿欧拉法 246
本章小结 255
习题 255
第8章 工业机器人轨迹规划 256
8.1 引言 256
8.2 关节空间轨迹规划 257
8.3 位置规划 266
8.3.1 直线位置规划 266
8.3.2 曲线位置规划 269
8.4 姿态规划 275
8.4.1 欧拉角线性插值算法 276
8.4.2 四元数概述 276
8.4.3 四元数的其他性质 277
8.4.4 四元数表示旋转 278
8.4.5 四元数姿态插值方法 282
8.5 轨迹的实时生成 284
8.5.1 关节空间路径的生成 285
8.5.2 笛卡儿空间路径的生成 285
本章小结 286
习题 286
第9章 软件的设计、实现与评估 287
9.1 引言 287
9.2 软件的设计 287
9.2.1 开发平台选取 287
9.2.2 软件的总体布局 288
9.3 软件的实现 288
9.3.1 运动学模块 288
9.3.2 动力学模块 290
9.3.3 轨迹规划模块 290
9.3.4 串口通信模块 291
9.4 软件的评估 295
9.4.1 评价指标的定义 295
9.4.2 逼真度 295
9.4.3 可扩展性 295
9.4.4 开发简易性 296
9.4.5 成本 296
本章小结 296
习题 296
第10章 基于Unity3D的工业机器人虚拟仿真实训 297
10.1 引言 297
10.2 智能车间制造服务系平台的搭建 297
10.3 6轴工业机器人结构认知 297
10.4 6轴工业机器人的虚拟仿真拆卸实训 299
10.5 6轴工业机器人仿真装配实训 303
10.5.1 J1轴、J2轴模块化装配 303
10.5.2 J3轴、J4轴模块化装配 304
10.5.3 J5轴、J6轴模块化装配 305
10.6 6轴工业机器人综合应用实训 305
10.6.1 机器人手动操作的3种动作模式 305
10.6.2 机器人典型任务之码垛 307
参考文献 309