第23篇 工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計

第1章工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)

1.1工業(yè)機器人定義23-3

1.2工業(yè)機器人組成23-3

1.2.1操作機23-3

1.2.2控制器23-6

1.2.3示教器23-8

1.2.4驅(qū)動系統(tǒng)23-8

1.2.5傳感器23-10

1.3視覺技術(shù)23-10

1.4工業(yè)機器人主要性能參數(shù)23-11

1.5工業(yè)機器人基本術(shù)語23-13

1.5.1有關(guān)機械結(jié)構(gòu)和性能的術(shù)語23-13

1.5.2有關(guān)控制和安全的術(shù)語23-14

1.6工業(yè)機器人分類23-15

1.6.1按結(jié)構(gòu)特征劃分23-15

1.6.2按控制方式劃分23-16

1.6.3按驅(qū)動方式劃分23-17

1.6.4按應(yīng)用領(lǐng)域劃分23-17

1.7工業(yè)機器人應(yīng)用和發(fā)展趨勢23-19



第2章機器人運動學(xué)與動力學(xué)

2.1數(shù)理基礎(chǔ)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坐標變換23-23

2.2.1平移坐標變換23-23

2.2.2旋轉(zhuǎn)坐標變換23-23

2.3齊次坐標變換23-24

2.3.1齊次變換23-24

2.3.2平移齊次坐標變換23-24

2.3.3旋轉(zhuǎn)齊次坐標變換23-24

2.4物體的變換及逆變換23-25

2.4.1物體位置描述23-25

2.4.2齊次變換的逆變換23-25

2.4.3變換方程初步23-26

2.5通用旋轉(zhuǎn)變換23-26

2.5.1通用旋轉(zhuǎn)變換公式23-26

2.5.2等效轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)軸23-27

2.6機器人運動學(xué)23-28

2.6.1機器人運動方程的表示23-28

2.6.1.1運動姿態(tài)和方向角23-28

2.6.1.2運動位置和坐標23-30

2.6.1.3連桿變換矩陣及其乘積23-31

2.6.2機械手運動方程的求解23-32

2.6.2.1歐拉變換解23-32

2.6.2.2滾、仰、偏變換解23-34

2.6.2.3球面變換解23-34

2.7機器人動力學(xué)23-35

2.7.1剛體動力學(xué)23-35

2.7.1.1剛體的動能與位能23-35

2.7.1.2動力學(xué)方程的兩種求法23-36

2.7.2機械手動力學(xué)方程23-39

2.7.2.1速度的計算23-39

2.7.2.2動能和位能的計算23-40

2.7.2.3動力學(xué)方程的推導(dǎo)23-42



第3章工業(yè)機器人本體

3.1概述23-44

3.1.1工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)23-44

3.1.2工業(yè)機器人本體的發(fā)展趨勢23-45

3.2工業(yè)機器人自由度與坐標形式23-46

3.2.1工業(yè)機器人的自由度23-46

3.2.2工業(yè)機器人本體的運動副23-46

3.2.3工業(yè)機器人運動坐標形式23-48

3.2.4工業(yè)機器人的主要構(gòu)型23-48

3.3工業(yè)機器人工作空間與結(jié)構(gòu)尺寸23-50

3.3.1機器人工作空間23-50

3.3.2確定工作空間的幾何法23-51

3.3.3工作空間與機器人結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系23-51

3.4機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化23-51

3.4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的23-51

3.4.2位置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計23-51

3.4.3要求使工作空間最小的優(yōu)化設(shè)計23-52

3.4.4要求使工作空間最大的優(yōu)化設(shè)計23-52

3.5機器人整機設(shè)計原則和方法23-52

3.5.1機器人整機設(shè)計原則23-52

3.5.2機器人本體設(shè)計步驟23-53

3.6機器人的機械結(jié)構(gòu)23-54

3.6.1腰部結(jié)構(gòu)23-54

3.6.2臂部結(jié)構(gòu)23-55

3.6.3腕部結(jié)構(gòu)23-57

3.6.4末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)23-58

3.6.5工業(yè)機器人的運動傳動機構(gòu)23-58

3.6.6工業(yè)機器人的移動機構(gòu)23-63

3.6.7SCARA23-65

3.6.8并聯(lián)機器人23-66

3.6.9AGV23-67

3.7剛度、強度計算及誤差分配23-69

3.7.1機器人剛度計算23-69

3.7.2機器人本體強度計算23-69

3.7.3機器人本體連桿參數(shù)誤差分配23-69



第4章工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

4.1概述23-70

4.1.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點23-70

4.1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能23-70

4.1.3工業(yè)機器人的控制方式23-71

4.1.4工業(yè)機器人控制系統(tǒng)達到的功能23-71

4.1.5工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點23-71

4.2工業(yè)機器人先進控制技術(shù)和方法23-71

4.2.1自適應(yīng)控制23-72

4.2.2滑模變結(jié)構(gòu)控制23-72

4.2.3魯棒控制23-72

4.2.4智能控制23-72

4.3機器人控制系統(tǒng)分類23-73

4.3.1集中式控制系統(tǒng)CCS23-73

4.3.2分布式控制系統(tǒng)DCS23-73

4.4機器人控制系統(tǒng)設(shè)計23-74

4.4.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23-74

4.4.2下位機控制系統(tǒng)的設(shè)計23-75

4.4.3示教盒從機的設(shè)計23-76

4.5機器人典型控制方法23-76

4.5.1機器人PID控制23-76

4.5.1.1機器人獨立PD控制23-76

4.5.1.2基于重力補償?shù)臋C器人PD控制23-77

4.5.1.3機器人魯棒自適應(yīng)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�？刂圃O(shè)計流程23-79

4.5.2.3機械手滑模魯棒控制23-80

4.5.2.4基于計算力矩法的滑�？刂�23-81

4.5.2.5基于輸入輸出穩(wěn)定性理論的滑模控制23-82

4.5.3自適應(yīng)控制23-83

4.5.3.1自適應(yīng)控制系統(tǒng)23-83

4.5.3.2自適應(yīng)控制系統(tǒng)類型23-83

4.5.3.3自適應(yīng)機器人23-84

4.5.3.4自適應(yīng)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模糊控制規(guī)則生成23-87

4.5.4.3規(guī)則形式23-87

4.5.4.4Fuzzy-PID復(fù)合控制23-87

4.5.5機器人順應(yīng)控制23-88

4.5.5.1概述23-88

4.5.5.2被動式順應(yīng)控制23-88

4.5.5.3主動式順應(yīng)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改進的R-C力和位置混合控制23-93

4.6控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成23-94

4.6.1機器人控制系統(tǒng)硬件組成23-94

4.6.2機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23-94

4.6.3機器人控制器23-96

4.7控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成23-97

4.7.1程序數(shù)據(jù)建立23-97

4.7.1.1初識程序數(shù)據(jù)23-97

4.7.1.2程序數(shù)據(jù)的類型與分類23-97

4.7.1.3關(guān)鍵的程序數(shù)據(jù)23-98

4.7.2RAPID程序創(chuàng)建23-98

4.7.2.1程序模塊與例行程序23-98

4.7.2.2RAPID 控制指令23-98

4.8機器人常用編程語言23-99



第5章工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)

5.1概述23-100

5.2機器人驅(qū)動系統(tǒng)特點23-100

5.2.1基本驅(qū)動系統(tǒng)的特點23-100

5.2.2電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點23-100

5.3電動驅(qū)動系統(tǒng)23-100

5.3.1同步式交流伺服電動機及驅(qū)動器23-101

5.3.1.1交流伺服電動機分類和特點23-102

5.3.1.2交流同步伺服電動機23-104

5.3.1.3應(yīng)用舉例：工業(yè)機器人伺服電動機行業(yè)測試解決方案MPT100023-104

5.3.2步進電動機及驅(qū)動器23-105

5.3.2.1概述23-105

5.3.2.2驅(qū)動方式23-107

5.3.2.3步進電動機驅(qū)動板說明23-108

5.3.2.4步進電動機及步進驅(qū)動器配套選型23-109

5.3.3直流伺服電動機及驅(qū)動器23-109

5.3.3.1直流伺服電動機的特點23-110

5.3.3.2直流伺服電動機的工作原理23-110

5.3.3.3工作特性23-111

5.3.3.4直流伺服電動機調(diào)速原理23-112

5.3.3.5直流伺服電動機特點及應(yīng)用范圍23-115

5.3.4直接驅(qū)動電動機23-115

5.3.4.1直線電動機工作原理23-116

5.3.4.2直線電動機的特點23-117

5.3.4.3直線電動機的分類23-118

5.3.4.4力矩電動機工作原理、特點及分類23-118

5.3.4.5直流驅(qū)動電動機應(yīng)用實例23-119

5.4電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)23-120

5.4.1系統(tǒng)組成23-121

5.4.2特點23-121

5.4.3工作原理23-121

5.4.4要求23-121

5.4.5設(shè)計步驟23-121

5.4.6液壓系統(tǒng)及其在機器人驅(qū)動與控制中的應(yīng)用23-122

5.5氣動驅(qū)動系統(tǒng)23-122

5.5.1氣動驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)件23-122

5.5.2氣動比例控制系統(tǒng)23-123

5.5.2.1氣動比例控制系統(tǒng)組成23-123

5.5.2.2MPYE型伺服閥23-123

5.5.3控制原理23-124

5.5.4控制應(yīng)用23-124

5.5.4.1張力控制23-124

5.5.4.2加壓控制23-124

5.5.4.3位置和力控制23-124

5.5.5氣動系統(tǒng)在機器人驅(qū)動與控制中的應(yīng)用23-125

5.5.5.1氣動系統(tǒng)在機器人中應(yīng)用的優(yōu)勢23-125

5.5.5.2氣動機器人的適合場合23-125

5.5.5.3氣動機器人技術(shù)應(yīng)用進展23-125

5.5.5.4氣動機器人應(yīng)用23-126



第6章工業(yè)機器人常用傳感器

6.1概述23-128

6.1.1傳感器定義及指標23-128

6.1.2機器人的感覺策略23-128

6.1.3機器人傳感器的分類23-129

6.1.4傳感器選用原則23-130

6.2內(nèi)傳感器23-131

6.2.1規(guī)定位置/角度的檢測23-131

6.2.2位置和角度的檢測23-132

6.2.3速度和角速度的檢測23-135

6.2.4加速度和角加速度的測量23-136

6.2.5姿態(tài)角的檢測23-138

6.3外傳感器23-140

6.3.1視覺傳感器23-140

6.3.2觸覺傳感器23-144

6.3.3力覺傳感器23-147

6.3.4接近覺傳感器23-150

6.3.5長距離傳感器23-152

6.3.6聽覺傳感器23-154

6.3.7其他相關(guān)傳感器23-155



第7章機器人視覺技術(shù)

7.1概述23-157

7.1.1應(yīng)用背景23-157

7.1.2發(fā)展現(xiàn)狀23-157

7.1.3視覺伺服關(guān)鍵技術(shù)問題23-158

7.2機器人視覺系統(tǒng)組成23-160

7.2.1機器人視覺系統(tǒng)的分類23-160

7.2.1.1視覺伺服系統(tǒng)的分類23-160

7.2.1.2全向視覺系統(tǒng)分類23-161

7.2.2機器人視覺伺服控制系統(tǒng)的組成23-162

7.2.3鏡頭和視覺傳感器23-163

7.2.3.1針孔攝像機23-163

7.2.3.2高斯光學(xué)23-163

7.2.3.3遠心鏡頭23-165

7.2.3.4視覺傳感器23-166

7.3單目視覺23-168

7.3.1單目攝像機標定23-168

7.3.2單目視覺的位置測量23-169

7.3.3單目視覺定位方法23-170

7.3.3.1基于單幀圖像的定位方法23-170

7.3.3.2基于雙幀或多幀圖像的定位23-171

7.4雙目視覺23-171

7.4.1雙目立體視覺原理23-171

7.4.2雙目立體視覺的精度分析23-173

7.4.3雙目立體視覺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23-174

7.4.3.1基于兩個攝像機的雙目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23-175

7.4.3.2基于單個攝像機的雙目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23-175

7.4.4雙目立體視覺中的極線幾何23-176

7.4.5雙目立體視覺中的對應(yīng)點匹配23-177

7.4.5.1圖像匹配的常用方法23-177

7.4.5.2已知極線幾何的對應(yīng)點匹配方法23-178

7.4.5.3未知極線幾何的對應(yīng)點匹配方法23-179

7.4.6雙目視覺系統(tǒng)標定23-181

7.4.6.1雙目立體視覺常規(guī)標定方法23-181

7.4.6.2基于標準長度的標定方法23-181

7.5機器人二維視覺信息處理23-182

7.5.1數(shù)字化處理23-182

7.5.1.1采樣23-182

7.5.1.2量化23-182

7.5.2編碼壓縮23-183

7.5.2.1壓縮的原理23-183

7.5.2.2編碼分類23-183

7.5.3圖像增強和復(fù)原23-183

7.5.3.1圖像增強23-183

7.5.3.2圖像復(fù)原23-187

7.5.4圖像分割23-187

7.5.4.1閾值化23-187

7.5.4.2基于邊緣的分割23-187

7.5.4.3基于區(qū)域的分割23-188

7.5.5形態(tài)學(xué)處理23-188

7.5.5.1二值形態(tài)學(xué)23-188

7.5.5.2灰度形態(tài)學(xué)23-189

7.5.6特征提取23-190

7.5.6.1特征的定義與分類23-190

7.5.6.2特征選取的準則23-191

7.5.6.3基本紋理特征23-191

7.5.7模式識別23-192

7.5.7.1模式與模式識別23-192

7.5.7.2統(tǒng)計模式識別23-193

7.5.7.3句法模式識別23-193

7.6機器人三維視覺信息處理23-195

7.6.1三維重建23-195

7.6.1.1被動式三維重建技術(shù)23-195

7.6.1.2主動式三維重建技術(shù)23-196

7.6.2基于深度傳感器的三維重建流程23-198

7.6.2.1相關(guān)概念23-198

7.6.2.2具體流程23-200

7.7機器人視覺技術(shù)應(yīng)用23-203

7.7.1消防機器人視覺感知技術(shù)23-203

7.7.2基于機器視覺的工業(yè)機器人分揀技術(shù)23-203

7.7.3蘋果采摘機器人視覺感知技術(shù)23-205



第8章工業(yè)機器人典型應(yīng)用

8.1焊接機器人23-207

8.1.1焊接機器人的分類及特點23-207

8.1.2焊接機器人的系統(tǒng)組成23-208

8.1.2.1點焊機器人23-208

8.1.2.2弧焊機器人23-209

8.1.2.3激光焊接機器人23-210

8.1.3焊接機器人的周邊設(shè)備與布局23-210

8.1.3.1周邊設(shè)備23-210

8.1.3.2工位布局23-212

8.1.4焊接機器人應(yīng)用案例23-213

8.1.4.1點焊機器人應(yīng)用案例23-213

8.1.4.2弧焊機器人應(yīng)用案例23-213

8.1.4.3激光焊接機器人應(yīng)用案例23-213

8.2搬運機器人23-213

8.2.1搬運機器人的分類及特點23-213

8.2.2搬運機器人的系統(tǒng)組成23-214

8.2.3搬運機器人的周邊設(shè)備與工位布局23-214

8.2.3.1周邊設(shè)備23-214

8.2.3.2工位布局23-215

8.2.4搬運機器人應(yīng)用實例23-215

8.3碼垛機器人23-215

8.3.1碼垛機器人分類及特點23-215

8.3.2碼垛機器人的系統(tǒng)組成23-215

8.3.3碼垛機器人的周邊設(shè)備和工位布局23-216

8.3.3.1周邊設(shè)備23-216

8.3.3.2工位布局23-217

8.3.4碼垛機器人應(yīng)用實例23-218

8.4裝配機器人23-218

8.4.1裝配機器人分類及特點23-218

8.4.2裝配機器人的系統(tǒng)組成23-219

8.4.3裝配機器人的周邊設(shè)備和工位布局23-220

8.4.3.1周邊設(shè)備23-220

8.4.3.2工位布局23-220

8.4.4裝配機器人應(yīng)用實例23-220

8.5涂裝機器人23-220

8.5.1涂裝機器人分類及特點23-220

8.5.2涂裝機器人的系統(tǒng)組成23-221

8.5.3涂裝機器人的周邊設(shè)備和工位布局23-221

8.5.3.1周邊設(shè)備23-222

8.5.3.2工位布局23-222

8.5.4涂裝機器人應(yīng)用實例23-222

8.6打磨拋光機器人23-222

8.6.1打磨拋光機器人分類及特點23-222

8.6.2打磨拋光機器人的系統(tǒng)組成23-223

8.6.3打磨拋光機器人的周邊設(shè)備和工位布局23-224

8.6.3.1周邊設(shè)備23-224

8.6.3.2工位布局23-225

8.6.4打磨拋光機器人應(yīng)用實例23-225

8.7協(xié)作機器人23-225

8.7.1協(xié)作機器人定義和特點23-226

8.7.2協(xié)作機器人的典型產(chǎn)品23-226



參考文獻23-228