上 冊

第1章　操作與移動兩大主題概念下的現代工業機器人系統總論　/1

　1.1　機器人概念與工業機器人發展簡史　/1

　1.2　什么是工業機器人？ 　/4

　1.3　機器人操作臂簡史及其分類與應用　/9

　　　1.3.1　工業機器人操作臂是機器人概念的*早技術實現和產業應用　/9

　　　1.3.2　傳統工業機器人操作臂和冗余、超冗余自由度機器人操作臂　/10

　　　1.3.3　機器人操作臂的分類、用途及特點　/23

　　　1.3.4　機器人操作臂固定安裝需考慮的問題及安裝使用的三種形式　/30

　1.4　地面移動機器人平臺的發展與現狀　/33

　　　1.4.1　有關動物、物體的“移動”概念與移動方式　/33

　　　1.4.2　工業機器人移動平臺的主要移動方式和移動機器人　/35

　　　1.4.3　移動機器人總論　/131

　1.5　末端操作器相關　/137

　1.6　移動平臺搭載操作臂的工業機器人發展　/139

　　　1.6.1　腿式移動機器人與操作臂一體的機器人　/140

　　　1.6.2　輪式移動機器人與操作臂一體的機器人　/142

　　　1.6.3　履帶式移動機器人與操作臂一體的機器人　/145

　　　1.6.4　移動平臺搭載操作臂的工業機器人應用與技術發展總結　/146

　1.7　關于工業機器人技術與應用方面人才與工業基礎　/148

　　　1.7.1　從事工業機器人系統設計所需的知識結構　/148

　　　1.7.2　從事工業機器人系統設計與研發應具備的專業素質　/148

　　　1.7.3　工業機器人產業化與創新研發所需的工業基礎　/152

　1.8　工業機器人種類與應用領域概覽　/156

　1.9　本書內容構成設計思路、結構以及相關說明　/160

　參考文獻　/161



第2章　工業機器人操作臂系統設計基礎　/170

　2.1　工業機器人操作臂的組成與用途　/170

　　　2.1.1　工業機器人操作臂的用途與作業形式　/170

　　　2.1.2　工業機器人操作臂系統組成　/174

　2.2　工業機器人操作臂機構形式　/176

　　　2.2.1　工業機器人操作臂機構構型與分類　/176

　　　2.2.2　工業機器人操作臂中常用的機構構型　/179

　　　2.2.3　仿人手臂機構構型　/180

　　　2.2.4　冗余、超冗余自由度機器人操作臂機構構型　/184

　2.3　工業機器人操作臂的設計要求與特點　/189

　　　2.3.1　工業機器人操作臂的基本參數和特性　/189

　　　2.3.2　工業機器人操作臂產品基本規格參數及性能指標實例　/193

　　　2.3.3　工業機器人操作臂的設計過程及內容　/195

　　　2.3.4　工業機器人操作臂機械系統設計中需要考慮和解決的問題　/197

　2.4　工業機器人操作臂的機械傳動系統設計基礎　/199

　　　2.4.1　工業機器人操作臂常用的機械傳動形式　/199

　　　2.4.2　齒輪傳動在機器人關節機械傳動系統中的應用及問題解決方法　/201

　　　2.4.3　精密滾珠絲杠傳動在機器人中的應用及問題解決方法　/203

　　　2.4.4　用于工業機器人操作臂的關節支撐形式與薄壁滾動軸承　/208

　　　2.4.5　機器人用諧波齒輪傳動及其創新設計　/212

　　　2.4.6　工業機器人用RV 擺線針輪傳動及其減速器結構與應用　/237

　　　2.4.7　同步齒形帶傳動　/246

　　　2.4.8　精密機械傳動裝置（減速器）在機器人中的應用實例　/266

　2.5　伺服驅動系統設計基礎　/270

　　　2.5.1　電動驅動　/270

　　　2.5.2　液壓伺服驅動系統基本原理與選型設計　/288

　　　2.5.3　氣動伺服驅動系統基本原理與選型設計　/297

　2.6　控制系統設計基礎　/308

　　　2.6.1　控制系統基本原理與組成　/308

　　　2.6.2　控制系統的硬件系統　/318

　　　2.6.3　控制系統的軟件系統　/342

　2.7　傳感技術基礎與常用傳感器　/350

　　　2.7.1　工業機器人傳感系統概述　/350

　　　2.7.2　位置/速度傳感器及其應用基礎　/365

　　　2.7.3　力/力矩傳感器及其應用基礎　/369

　　　2.7.4　視覺傳感器及其應用基礎　/379

　　　2.7.5　激光傳感器及其應用基礎　/385

　　　2.7.6　姿態傳感器及其應用基礎　/397

　2.8　本章小結　/406

　參考文獻　/406



第3章　工業機器人操作臂機械系統機構設計與結構設計　/408

　3.1　典型工業機器人操作臂機構構型及關節驅動形式　/408

　　　3.1.1　工業機器人操作臂關節驅動形式　/408

　　　3.1.2　工業機器人操作臂的腕關節驅動形式　/422

　3.2　工業機器人操作臂的機械結構設計　/425

　　　3.2.1　MOTOMAN K 系列機器人操作臂機械結構設計　/425

　　　3.2.2　PUMA 系列機器人操作臂機械結構設計　/430

　　　3.2.3　SCARA 類型機器人操作臂機械結構設計　/434

　3.3　多自由度無奇異全方位關節機構創新設計與新型機器人操作臂設計　/441

　　　3.3.1　單萬向鉸鏈機構原理　/441

　　　3.3.2　雙萬向鉸鏈機構等速傳動原理　/443

　　　3.3.3　機構拓撲變換演化　/444

　　　3.3.4　萬向鉸鏈機構的拓撲變換演化及其組合機構　/450

　　　3.3.5　新型4 自由度無奇異并/串聯式全方位關節機構的機械設計及研制的原型樣機與實驗　/460

　　　3.3.6　全方位關節機構設計與研究的總結　/487

　3.4　工業機器人操作臂的機構設計與機械結構設計中需要考慮和注意的問題　/488

　　　3.4.1　工業機器人操作臂機構構型設計問題　/488

　　　3.4.2　工業機器人操作臂機械結構設計問題　/490

　3.5　工業機器人操作臂的機構參數優化設計　/492

　　　3.5.1　工業機器人操作臂的機構參數優化設計問題　/492

　　　3.5.2　機構參數與工作空間　/495

　　　3.5.3　機器人機構操作性能準則與靈活性測度　/496

　　　3.5.4　6自由度以內工業機器人操作臂的機構參數優化設計　/503

　　　3.5.5　冗余自由度機器人操作臂機構參數的優化設計　/504

　3.6　本章小結　/506

　參考文獻　/507



下 冊

第4章　工業機器人操作臂系統設計的數學與力學原理　/508

　4.1　工業機器人操作臂及其運動的數學與力學的抽象描述　/508

　　　4.1.1　工業機器人操作臂與作業對象構成的首尾相接的“閉鏈”系統　/509

　　　4.1.2　工業機器人操作臂作業“閉鏈” 系統的數學與力學描述問題　/511

　4.2　工業機器人操作臂機構運動學　/511

　　　4.2.1　機構運動學　/511

　　　4.2.2　機構正運動學和逆運動學　/513

　4.3　工業機器人操作臂機構運動學問題描述的數學基礎　/514

　　　4.3.1　作為工業機器人操作臂構形比較基準的初始構形　/514

　　　4.3.2　末端操作器姿態的表示　/514

　　　4.3.3　坐標系的表示與坐標變換　/516

　　　4.3.4　正運動學　/521

　　　4.3.5　逆運動學　/528

　　　4.3.6　RPP 無偏置型3 自由度機器人操作臂臂部機構運動學分析的解析幾何法　/530

　　　4.3.7　RPP 有偏置型3 自由度機器人操作臂臂部機構（即PUMA 臂部機構） 運動學分析的解析幾何法　/534

　　　4.3.8　機器人操作臂的雅克比矩陣　/540

　4.4　工業機器人操作臂機構動力學問題描述的力學基礎　/549

　　　4.4.1　工業機器人操作臂運動參數與機械本體物理參數　/549

　　　4.4.2　什么是動力學？ 　/549

　　　4.4.3　推導工業機器人操作臂微分運動方程的拉格朗日法　/550

　　　4.4.4　推導工業機器人操作臂微分運動方程的牛頓-歐拉法　/555

　4.5　工業機器人操作臂機構誤差分析與精度設計的數學基礎　/556

　　　4.5.1　機構誤差分析的數學基礎　/556

　　　4.5.2　機器人機構精度設計及測量　/564

　4.6　工業機器人操作臂控制系統設計的現代數學基礎　/565

　　　4.6.1　現代控制理論基礎　/565

　　　4.6.2　模糊理論與軟計算　/574

　　　4.6.3　神經網絡基礎與強化學習　/590

　4.7　本章小結　/602

　參考文獻　/602



第5章　工業機器人操作臂機械本體參數識別原理與實驗設計　/604

　5.1　平面內運動的2-DOF 機器人操作臂的運動方程及其應用問題　/604

　　　5.1.1　由拉格朗日法得到的2-DOF 機器人操作臂運動方程　/604

　　　5.1.2　機器人操作臂運動方程的用途　/605

　5.2　基底參數　/606

　5.3　參數識別的基本原理　/607

　　　5.3.1　逐次識別法　/607

　　　5.3.2　同時識別法　/610

　　　5.3.3　逐次識別法與同時識別法的優缺點討論　/612

　5.4　參數識別實驗前需考慮的實際問題　/613

　5.5　本章小結　/613



第6章　工業機器人操作臂伺服驅動與控制系統設計及控制方法　/615

　6.1　工業機器人操作臂驅動與控制硬件系統構建　/615

　　　6.1.1　機器人系統體系結構設計需要考慮的問題　/615

　　　6.1.2　集中控制　/616

　　　6.1.3　分布式控制　/620

　6.2　位置/軌跡追蹤控制　/626

　　　6.2.1　機器人操作臂位置軌跡追蹤控制總論　/626

　　　6.2.2　PD 反饋控制（即軌跡追蹤的靜態控制） 　/627

　　　6.2.3　動態控制　/628

　　　6.2.4　前饋動態控制　/630

　　　6.2.5　前饋 PD 反饋動態控制　/631

　　　6.2.6　計算力矩控制法　/633

　　　6.2.7　加速度分解控制　/633

　6.3　魯棒控制　/634

　6.4　自適應控制　/636

　6.5　力控制　/637

　　　6.5.1　機器人操作臂與環境構成的系統模型　/637

　　　6.5.2　基于位置控制的力/位控制器　/640

　　　6.5.3　基于力控制的力/位控制器　/642

　6.6　*優控制　/644

　6.7　主從控制　/645

　　　6.7.1　對稱型主從控制系統與控制器　/645

　　　6.7.2　力反射型主從控制系統與控制器　/646

　　　6.7.3　力歸還型主從控制系統與控制器　/647

　　　6.7.4　對稱型/力反射型/力歸還型三種雙向主從控制系統的統一表示　/647

　6.8　非基于模型的智能控制方法　/649

　6.9　本章小結　/652



第7章　工業機器人用移動平臺設計　/653

　7.1　工業機器人操作臂移動平臺的形式與要求　/653

　7.2　移動平臺小車的機構與結構設計　/654

　　　7.2.1　輪式移動機構與結構　/654

　　　7.2.2　履帶式移動機構與結構　/681

　　　7.2.3　腿式移動機構與結構　/688

　　　7.2.4　帶有操作臂的輪式移動機器人系統設計實例　/695

　　　7.2.5　搭載操作臂的履帶式移動機器人系統設計實例　/715

　　　7.2.6　輪腿式移動機器人系統設計實例　/730

　　　7.2.7　輪式-腿式-履帶式復合移動方式的輪-腿-履式移動機器人（wheelslegs-tracks hybrid locomotion robot） 系統設計實例　/738

　7.3　搭載機器人操作臂的移動平臺穩定性設計理論　/745

　　　7.3.1　運動物體或系統的移動穩定性定義　/745

　　　7.3.2　物體或系統運動穩定性的力學基礎與穩定移動的控制原理　/747

　　　7.3.3　腿足式移動機器人的移動穩定性設計　/752

　　　7.3.4　輪式移動機構移動穩定性設計　/763

　　　7.3.5　搭載機器人操作臂的移動平臺的穩定性設計　/768

　　　7.3.6　關于移動機器人的穩定性問題的延深討論　/770

　7.4　多移動方式機器人系統設計　/771

　　　7.4.1　具有多移動方式的類人及類人猿型機器人系統設計、仿真與實驗　/771

　　　7.4.2　非連續介質的擺蕩渡越移動機構與大阻尼欠驅動控制系統設計和移動實驗　/780

　　　7.4.3　多移動方式移動機器人設計與研究的總結　/793

　7.5　本章小結　/796

　參考文獻　/797



第8章　工業機器人末端操作器及其換接裝置設計　/804

　8.1　工業機器人操作臂末端操作器的種類與作業要求　/804

　　　8.1.1　焊接作業　/804

　　　8.1.2　噴漆作業　/806

　　　8.1.3　搬運作業　/806

　　　8.1.4　裝配作業　/807

　8.2　工業機器人用快速換接器（快換裝置） 　/809

　　　8.2.1　機器人快換裝置的功能和技術指標　/810

　　　8.2.2　機器人快換裝置的定位原理　/812

　　　8.2.3　機器人快換裝置的夾緊原理　/815

　　　8.2.4　現有的機器人快換裝置　/817

　8.3　工業機器人操作臂末端操作器設計　/822

　　　8.3.1　單自由度開合手爪機構原理　/823

　　　8.3.2　多指手爪　/827

　　　8.3.3　柔順操作與裝配作業的末端操作器　/828

　8.4　仿人多指靈巧手的設計　/838

　　　8.4.1　仿人多指靈巧手的研究現狀及抓持能力　/838

　　　8.4.2　面向靈長類機器人的1∶1比例多指靈巧手設計　/842

　8.5　本章小結　/848

　參考文獻　/848



第9章　工業機器人系統設計的仿真設計與方法　/850

　9.1　工業機器人操作臂虛擬樣機設計與仿真的目的與意義　/850

　　　9.1.1　虛擬樣機設計與運動仿真　/850

　　　9.1.2　機器人虛擬樣機運動仿真的目的與實際意義　/851

　9.2　虛擬樣機設計與仿真分析工具軟件概論　/852

　　　9.2.1　現代機械系統設計及其仿真系統設計概論　/852

　　　9.2.2　軟件中虛擬“物理” 環境與虛擬樣機機構模型的建立　/860

　9.3　虛擬樣機設計與仿真——用于機器人虛擬樣機技術的設計與分析型工具軟件及模型導入方法　/866

　　　9.3.1　虛擬樣機設計　/866

　　　9.3.2　虛擬傳感器設計　/877

　　　9.3.3　虛擬樣機系統運動控制仿真——應用現代CAD 系統工具軟件進行機構運動控制的仿真模型建立　/878

　9.4　虛擬樣機仿真實例——工業機器人操作臂虛擬樣機運動樣本數據生成與運動仿真　/880

　　　9.4.1　機器人操作臂的機構運動仿真與分析步驟　/880

　　　9.4.2　編寫用于機器人操作臂機構仿真所需導入數據的機構運動學計算程序　/881

　　　9.4.3　運動學計算程序計算結果數據文件存儲　/883

　9.5　虛擬樣機仿真實例——用ADAMS 軟件進行機器人操作臂虛擬樣機設計與運動仿真的實例　/883

　　　9.5.1　機械系統的建模　/884

　　　9.5.2　機械系統的運動學、動力學仿真　/889

　　　9.5.3　關于機械系統的運動學、動力學仿真結果的分析和結論　/896

　9.6　本章小結　/897

　參考文獻　/898



第10章　面向操作與移動作業的工業機器人系統設計與應用實例　/899

　10.1　AGV 臺車　/899

　　　10.1.1　AGV 的種類　/899

　　　10.1.2　AGV 的典型導引方式　/900

　　　10.1.3　AGV 的移動方式與裝卸載方式　/901

　　　10.1.4　AGV 自動搬運系統的組成　/902

　　　10.1.5　AGV 的應用　/903

　10.2　KUKA youBot　/904

　10.3　操作人員導引的操作臂柔順控制原理與控制系統設計　/904

　　　10.3.1　由作業人員導引操縱的機器人操作臂Cobot 7A-15　/904

　　　10.3.2　操作人員導引機器人進行零件打磨力/位混合柔順控制的系統設計與問題剖析　/906

　10.4　工業機器人操作臂圓-長方孔形零件裝配系統設計及其力/位混合控制　/913

　　　10.4.1　關于應用于生產過程中的實際機器人裝配系統設計問題的總體認識　/913

　　　10.4.2　圓柱形軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計　/915

　　　10.4.3　方形軸孔類零件的裝配理論研究　/922

　　　10.4.4　復雜軸孔類零件裝配問題　/923

　　　10.4.5　圓柱形-長方形復合型軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計　/925

　10.5　工業機器人操作臂模塊化組合式設計方法與實例　/945

　　　10.5.1　關于模塊化組合式設計　/945

　　　10.5.2　機器人操作臂的模塊化組合式設計的意義與研究現狀　/947

　　　10.5.3　機器人操作臂的模塊化組合式設計的主要內容　/950

　　　10.5.4　機器人操作臂模塊的結構設計及數據庫的建立　/950

　　　10.5.5　機器人操作臂模塊的模塊化組合方法　/956

　　　10.5.6　基于模塊庫和*小單元庫的機械臂動力學建模方法　/959

　　　10.5.7　組合式優化設計方法　/962

　　　10.5.8　六自由度機械臂的組合式優化設計計算與仿真　/965

　　　10.5.9　三自由度機械臂的組合式優化設計與寫字實驗　/969

　10.6　多臺工業機器人操作臂系統在汽車沖壓件生產線上的應用設計與實例　/973

　　　10.6.1　汽車薄板沖壓成形件的沖壓工藝　/973

　　　10.6.2　汽車沖壓件生產線多工序坯/件運送多機器人操作臂系統方案設計實例　/974

　10.7　本章小結　/977

　參考文獻　/978



第11章　現代工業機器人系統設計總論與展望　/980

　11.1　現代工業機器人特點與分析　/980

　11.2　面向操作與移動作業的智能化工業機器人設計問題與方法　/983

　　　11.2.1　工業機器人操作性能的在線作業綜合評價與管理控制機制問題　/983

　　　11.2.2　力-力矩傳感器設計與使用時面臨的實際問題　/984

　　　11.2.3　工業機器人的“通用化”“智能化” 與機器人應用系統集成方案設計工具軟件研發的價值　/989

　　　11.2.4　靈巧操作手的實用化設計觀點與方法論　/991

　　　11.2.5　約束作業空間下力/位混合控制作業的“位置” 精度與“力” 精度的矛盾對立統一問題　/992

　11.3　機器人操作臂新概念與智能機械　/992

　　　11.3.1　由模塊化單元構筑可變機械系統的新概念新思想　/992

　　　11.3.2　“智能機械” 系統的自裝配、自重構、自修復概念　/994

　　　11.3.3　自重構可變機械的單元　/997

　　　11.3.4　集成化的自重構模塊M-TRAN 及自重構機器人可變形態　/999

　　　11.3.5　關于自裝配、自重構、自修復可變機械系統問題及本節小結　/1003

　11.4　自裝配、自重構和自修復概念將引發未來工業機器人產業技術展望　/1004

　11.5　本章小結　/1005

　參考文獻　/1006



附錄　/1007



索引　/1022