機器人係統設計及應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭彤穎，安鼕 編

圖書標籤:

• 機器人
• 機器人係統
• 機器人設計
• 機器人應用
• 自動化
• 控製係統
• 嵌入式係統
• 人工智能
• 機械工程
• 電氣工程

齣版社： 化學工業齣版社

ISBN：9787122254276

版次：1

商品編碼：11846487

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2016-01-01

用紙：膠版紙

頁數：150

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：從事機電一體化及機器人設計、應用的工程技術人員
　　《機器人係統設計及應用》是我國目前市場上較少的機器人專業圖書之一，作者是中國科學院瀋陽自動化研究所的郭彤穎教授，在機器人方麵做瞭多年的研究，並參與許多相關的項目，積纍瞭大量的經驗。郭彤穎教授的《機器人係統設計及應用》一書的內容主要涉及瞭機器人的設計及應用兩個方麵。設計部分簡明概括，易於理解，其內容包括機器人運動機構、執行機構、感知係統、控製係統的設計，以及機器人的運動學和動力學的相關知識；應用部分全麵生動，實例豐富，主要介紹瞭工業機器人、移動機器人、特種機器人、服務機器人的應用實例。《機器人係統設計及應用》將現有的機器人技術介紹的非常詳細和全麵，尤其是介紹瞭大量典型的機器人工程應用實例，實用性非常強，相信對從事機器人行業的技術人員能産生好的幫助和啓發。

內容簡介

　　本書係統地介紹瞭機器人學的基礎知識和工作原理，以及設計與應用實例。全書共分8章。主要內容有機器人的定義與分類、基本組成，機器人的技術參數、移動機構和傳動機構，機器人的運動學和動力學，機器人的軌跡規劃，焊接、噴漆、裝配、潔淨與真空機器人、移動式搬運機器人等工業機器人的設計與應用，點焊、弧焊機器人工作站的設計與應用，後介紹瞭具有實時顯示速度、自動尋跡、避障以及可遙控行駛等功能的智能車的硬件及軟件設計實例。　　本書可作為科研工作者和工程技術人員的參考書，也可以作為控製科學與工程、計算機科學與技術等學科研究生或高年級本科生的教材。

作者簡介

　　郭彤穎，瀋陽建築大學，副教授，博士畢業於中國科學院瀋陽自動化研究所，具有多年在機器人控製及其相關領域的教學和科研經驗，先後在國內外重要期刊及學術會議上發錶論文與機器人相關論文30餘篇，其中EI檢索論文10餘篇，主持和參加20餘項省部級科研項目，具有豐富的實際工程經驗。

內頁插圖

目錄

第1章緒論001
1.1機器人的定義與分類001
1.1.1機器人的定義001
1.1.2機器人的分類002
1.2機器人係統的基本組成006
1.2.1機構006
1.2.2驅動係統006
1.2.3感受係統006
1.2.4控製係統009
1.2.5人機交互係統011
1.2.6機器人�不肪辰換ハ低�011
1.3機器人係統的設計方法011
1.4機器人的應用012
第2章機器人的技術參數和機構022
2.1機器人的技術參數022
2.2機器人的移動機構024
2.2.1車輪型移動機構024
2.2.2履帶式移動機構026
2.2.3腿足式移動機構028
2.2.4其他形式的移動機構028
2.3機器人的傳動機構029
2.3.1絲杠傳動029
2.3.2帶傳動與鏈傳動030
2.3.3齒輪傳動機構031
2.3.4諧波傳動機構034
2.3.5連杆與凸輪傳動035
第3章機器人的運動學036
3.1位置與姿態的描述036
3.2坐標變換038
3.3齊次坐標變換040
3.4機器人正嚮運動學044
3.4.1正嚮運動方程的變換矩陣044
3.4.2正嚮運動方程的求解047
3.5機器人逆嚮運動學051
3.5.1逆嚮運動學問題的多解性與可解性051
3.5.2逆嚮運動方程的求解052
3.6移動機器人的運動學模型060
第4章機器人的動力學063
4.1拉格朗日法063
4.2機器人動力學方程066
4.2.1n自由度機器人操作臂動力學方程066
4.2.2機器人操作臂動力學方程係數的簡化069
4.2.3考慮非剛體效應的動力學模型070
4.3動力學仿真071
第5章機器人的軌跡規劃072
5.1關節空間描述與直角坐標空間描述072
5.2軌跡規劃的基本原理073
5.3關節空間的軌跡規劃076
5.4直角坐標空間的軌跡規劃081
第6章工業機器人的設計與應用084
6.1焊接機器人084
6.1.1點焊機器人084
6.1.2弧焊機器人087
6.2噴漆機器人095
6.2.1液壓噴漆機器人096
6.2.2電動噴漆機器人097
6.3裝配機器人099
6.3.1裝配機器人的係統組成099
6.3.2裝配機器人的常用傳感器100
6.3.3裝配機器人的多傳感器信息融閤係統106
6.4潔淨機器人與真空機器人106
6.4.1潔淨環境和真空環境107
6.4.2潔淨機器人107
6.4.3真空機器人108
6.5移動式搬運機器人109
6.5.1自動導引小車係統的組成110
6.5.2自動導引小車的導引方式111
第7章工業機器人工作站的設計與應用114
7.1機器人的應用工程114
7.2機器人工作站的一般設計原則115
7.3點焊機器人工作站120
7.3.1點焊機器人工作站的基本組成120
7.3.2簡易點焊機器人的應用121
7.4弧焊機器人工作站122
7.4.1弧焊機器人工作站的基本組成122
7.4.2簡易弧焊機器人工作站的編程與控製122
第8章自主移動機器人應用實例124
8.1單片機基礎知識124
8.2單片機常用開發軟件126
8.3係統硬件設計133
8.3.1直流調速模塊133
8.3.2藍牙遙控模塊135
8.3.3紅外避障模塊136
8.3.4攝像頭循跡模塊137
8.3.5光電測速模塊138
8.3.6速度顯示模塊139
8.4控製方法及程序設計140
8.4.1串口通信程序140
8.4.2判斷命令程序140
8.4.3避障程序141
8.4.4光電測速程序設計142
8.4.5循跡程序設計143
8.4.6路徑識彆方法145
8.4.7控製方法146
參考文獻149

前言/序言

《智能製造的基石：現代工業自動化技術概覽》 引言 在工業革命的滾滾浪潮中，自動化技術的進步始終是推動生産力飛躍和産業升級的核心驅動力。從最初的機械化到如今的智能化，工業自動化以前所未有的速度改變著製造業的麵貌，深刻影響著全球經濟的格局。本文所闡述的《智能製造的基石：現代工業自動化技術概覽》並非專注於某單一技術或産品，而是旨在為讀者勾勒齣一幅宏大而清晰的現代工業自動化技術發展圖景，深入剖析其關鍵組成部分、核心原理、發展趨勢及其在不同工業領域中的廣泛應用。本書旨在搭建一座堅實的知識橋梁，連接理論與實踐，幫助工程師、技術人員、管理人員以及對智能製造感興趣的各界人士，全麵理解自動化技術如何成為支撐現代智能製造體係的不可或缺的基石。 第一章：工業自動化的演進與發展脈絡 本章將帶領讀者迴顧工業自動化的發展曆程，從蒸汽動力時代的簡單機械裝置，到電力驅動下的流水綫生産，再到電子技術和計算機技術的興起所催生的可編程邏輯控製器（PLC）和分布式控製係統（DCS）。我們將探討這些裏程碑式的技術突破如何逐步提升生産效率、産品質量和生産柔性。重點將放在20世紀末至今，信息技術與自動化技術的深度融閤，以及由此引發的“工業4.0”浪潮，分析其核心理念，如互聯互通、數字化轉型、智能化決策等，為後續章節奠定曆史和理論基礎。 第二章：傳感器技術：感知世界的“眼睛”與“觸角” 自動化係統的首要任務是對生産過程中的物理量進行實時監測和采集。本章將聚焦於工業自動化領域中至關重要的傳感器技術。我們將深入介紹各類常用工業傳感器的原理、特性、選型依據及其在不同場景下的應用，包括但不限於： 位移傳感器： 用於測量綫性或角度位移，如光電傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、超聲波傳感器、激光測距傳感器等。 力與壓力傳感器： 用於測量力、壓力、扭矩等，如應變片式傳感器、壓電傳感器、電容式壓力傳感器等。 溫度傳感器： 用於測量溫度，如熱電偶、熱電阻（RTD）、紅外測溫儀等。 液位傳感器： 用於測量液體或固體物料的液位，如浮球式、電容式、超聲波式、雷達式液位計等。 流量傳感器： 用於測量流體的流量，如渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計、質量流量計等。 視覺傳感器： 用於圖像采集和識彆，是機器視覺係統的基礎。 此外，本章還將探討新興的傳感器技術，如MEMS傳感器、生物傳感器等，以及傳感器在網絡化和智能化方麵的最新進展，例如自校準、自診斷、與物聯網（IoT）平颱的集成等。 第三章：執行機構：驅動生産流程的“手臂”與“腿腳” 傳感器負責“感知”，而執行機構則是實現自動化控製指令、完成實際物理操作的關鍵。本章將詳細闡述工業自動化中常用的各類執行機構： 電機與驅動器： 直流電機與交流電機： 原理、分類、特性及應用。 伺服電機與步進電機： 在精密運動控製中的應用，對比分析其優缺點。 電機驅動器（變頻器、伺服驅動器）： 控製電機速度、扭矩、位置的功能，以及與控製係統的接口。 液壓與氣動係統： 液壓元件： 液壓泵、油缸、液壓馬達、閥類（方嚮控製閥、壓力控製閥、流量控製閥）等，及其在重載、高精度應用中的優勢。 氣動元件： 氣源處理元件、氣缸、氣動馬達、氣動閥等，及其在高速、清潔、低成本應用中的優勢。 其他執行機構： 如電磁閥、執行器（如綫性執行器、鏇轉執行器）等，在特定控製任務中的應用。 本章還將探討執行機構的集成與協同工作，以及如何通過先進的控製策略實現更高效、更精確的運動和操作。 第四章：控製係統：自動化流程的“大腦” 控製係統是自動化係統的核心，它接收傳感器信號，根據預設的邏輯或算法進行決策，並嚮執行機構發齣指令。本章將深入剖析各類工業控製係統： 可編程邏輯控製器（PLC）： 作為現代工業自動化的“脊梁”，詳細介紹PLC的硬件結構（CPU、I/O模塊、通信模塊）、軟件編程（梯形圖、指令錶、功能塊圖、結構化文本等）、PLC網絡通信（如Modbus, Profibus, Profinet, EtherNet/IP）及其在離散製造、過程控製中的廣泛應用。 分布式控製係統（DCS）： 重點介紹DCS在大型復雜過程控製係統（如化工廠、發電廠）中的應用，強調其分散控製、集中監控、高可靠性、易擴展性等特點。 工業PC（IPC）與嵌入式控製係統： 在需要更強計算能力、更靈活編程或更緊湊空間的應用場景下的作用。 運動控製器： 專門用於高精度、多軸同步運動控製的控製器，在自動化設備中的關鍵作用。 人機界麵（HMI）與操作員站： 實現人與自動化係統交互的接口，用於監控、操作和參數設置。 此外，本章還將探討高級控製理論，如PID控製、模糊控製、神經網絡控製等在工業自動化中的應用，以及現代控製係統在數據采集、診斷與維護方麵的新功能。 第五章：通信技術與工業網絡：連接萬物的“神經係統” 在高度互聯的智能製造環境中，有效的通信是實現數據流動、信息共享和協同工作的關鍵。本章將聚焦於工業自動化領域的通信技術和工業網絡： 工業現場總綫技術： 串行通信： RS-232, RS-485等基礎通信方式。 主流工業以太網： Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, CC-Link IE等，分析其在實時性、帶寬、診斷等方麵的優勢。 無綫工業通信： Wi-Fi, LoRa, NB-IoT等在特定場景下的應用。 物聯網（IoT）與工業物聯網（IIoT）： 探討IoT和IIoT如何將工業設備、傳感器、控製係統連接到雲端，實現遠程監控、數據分析和智能化管理。 OPC UA： 作為跨平颱、麵嚮對象的通信標準，在實現不同廠商設備之間互聯互通中的重要作用。 數據采集與傳輸： 數據采集係統（SCADA）在監控和管理生産過程中的功能。 本章還將討論工業網絡的安全性、可靠性以及未來發展趨勢，如5G在工業通信中的潛力。 第六章：機器視覺：賦予機器“看”的能力 機器視覺是實現自動化生産中“看”和“理解”的關鍵技術，能夠實現對産品外觀、尺寸、缺陷等的檢測與識彆。本章將深入探討機器視覺的原理、組成與應用： 圖像采集： 相機（CCD, CMOS）、鏡頭、光源的選擇與應用，以及圖像預處理技術（降噪、增強、二值化等）。 圖像處理與分析： 特徵提取： 邊緣檢測、角點檢測、模闆匹配、斑點分析等。 測量與定位： 尺寸測量、角度測量、二維/三維定位。 缺陷檢測： 錶麵缺陷、尺寸偏差、裝配錯誤等的檢測。 模式識彆與 OCR： 條形碼/二維碼識彆、字符識彆（OCR）。 深度學習在機器視覺中的應用： 如何利用神經網絡進行更復雜的識彆、分類和異常檢測任務。 機器視覺在不同行業的應用： 電子産品製造、汽車製造、食品包裝、醫藥生産、物流等。 第七章：工業機器人與自動化裝備：實現高度柔性的生産 工業機器人作為高度集成的自動化裝備，是實現大規模自動化生産和柔性製造的核心。本章將全麵介紹工業機器人的種類、技術與應用： 工業機器人的分類： 關節式機器人、SCARA機器人、Delta機器人、協作機器人（Cobots）等，及其各自的運動學、動力學特性和適用場景。 機器人關鍵技術： 驅動與控製： 伺服驅動、運動規劃、軌跡生成、閉環反饋控製。 末端執行器（End-Effector）： 夾爪、吸盤、焊槍、噴槍等，以及傳感器集成。 離綫編程與仿真： 提高機器人部署效率和安全性。 人機交互與協作： 協作機器人的安全防護、引導示教等。 機器人應用領域： 焊接、搬運、裝配、噴塗、打磨、碼垛、檢測等。 自動化生産綫設計與集成： 如何將機器人、輸送帶、PLC等設備有機地組閤成完整的自動化生産綫。 第八章：製造執行係統（MES）與生産管理：連接計劃與執行的橋梁 要實現智能製造，僅僅依靠現場的自動化設備是不夠的，還需要有效的管理和協同。本章將介紹製造執行係統（MES）及其在現代生産管理中的作用： MES的功能模塊： 生産訂單管理、物料跟蹤與追溯、設備管理與維護、質量管理、過程監控、數據采集與分析、人員管理等。 MES在智能製造中的作用： 實現生産計劃的精細化執行，提供實時的生産狀態反饋，優化資源配置，提高生産效率和質量。 MES與ERP（企業資源計劃）和SCADA（數據采集與監控係統）的集成： 構建完整的企業信息係統。 大數據分析與預測性維護： 利用MES收集的數據進行生産過程分析，實現對設備故障的預測和預防。 第九章：智能製造的未來趨勢與挑戰 在以上技術的基礎上，本章將展望智能製造的未來發展趨勢，並探討其麵臨的挑戰： 人工智能（AI）與機器學習在自動化中的應用： 如自適應控製、智能排産、預測性維護、故障診斷等。 數字孿生（Digital Twin）： 虛擬與現實的融閤，實現生産過程的模擬、優化與遠程控製。 柔性製造與個性化定製： 自動化係統如何適應小批量、多品種的生産模式。 雲製造與邊緣計算： 計算資源的優化配置與響應速度的提升。 網絡安全與數據隱私： 在互聯互通的環境下，如何保障生産數據的安全。 人纔培養與技能轉型： 應對自動化技術發展對勞動力技能提齣的新要求。 結論 《智能製造的基石：現代工業自動化技術概覽》旨在為讀者提供一個全麵、係統、深入的現代工業自動化技術知識體係。通過對傳感器、執行機構、控製係統、通信技術、機器視覺、工業機器人、MES等關鍵技術的詳細闡述，本書幫助讀者理解這些技術如何相互配閤，共同構築起高效、靈活、智能的現代化生産體係。本書不僅適閤工業界的專業人士，也對渴望瞭解未來製造發展方嚮的學生、研究者和決策者具有重要的參考價值。掌握這些基石技術，是邁嚮真正智能製造的關鍵一步。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我一開始買《機器人係統設計及應用》是衝著“應用”兩個字去的，想著能看到很多酷炫的機器人實際應用的案例，比如工廠裏的自動化生産綫，或者傢庭服務機器人之類的。讀完之後，它確實滿足瞭我對應用場景的期待，但更讓我驚喜的是它對“設計”的深度挖掘。書裏不僅僅是羅列瞭各種機器人應用，而是深入剖析瞭實現這些應用所需要的關鍵技術和設計理念。它會詳細講解，為什麼某種特定的傳感器適閤用於避障，而另一種則更適閤於物體抓取；為什麼不同的控製算法在麵對不同環境時會有不同的錶現；以及如何在有限的資源下，平衡機器人的性能、成本和功耗。我特彆印象深刻的是，書中關於“模塊化設計”和“可擴展性”的討論，這對於構建復雜係統來說至關重要。它教會我如何將一個大的係統分解成小的、易於管理的模塊，以及如何設計接口，以便將來能夠方便地升級或替換其中的某個部分。這種係統性的思考方式，讓我對如何從零開始構建一個功能完善的機器人有瞭更清晰的認識，不僅僅是零散的知識點，而是一個完整的知識體係。

評分☆☆☆☆☆

我之前對《機器人係統設計及應用》這本書的期望，主要是想瞭解一下機器人是如何“動起來”的。讀完後，我發現它的內容遠超我的預期，它不僅僅是在講動作的實現，更是在構建一個“思考”的機器。書中在“應用”的部分，有很多關於機器人在不同場景下如何進行決策和規劃的案例，讓我大開眼界。例如，在講解自主導航的時候，它詳細闡述瞭SLAM（同步定位與地圖構建）技術的原理，以及如何利用傳感器數據來構建環境地圖並規劃最優路徑。在講解機器人的“智能”方麵，它也涉及到瞭機器學習和深度學習在機器人感知和控製中的應用，雖然沒有深入到復雜的算法推導，但足以讓我理解這些技術是如何賦予機器人“學習”和“適應”能力的。這種從“執行”到“感知”再到“決策”的係統性講解，讓我對機器人係統有瞭更深刻的理解，不僅僅是一個會動的機械裝置，更是一個具有一定智能和自主性的係統。它讓我看到瞭機器人技術在各個領域，從工業生産到日常生活，都蘊藏著巨大的潛力和可能性。

評分☆☆☆☆☆

這本書《機器人係統設計及應用》帶給我的，是一種從“點”到“麵”再到“整體”的認知升華。我原本以為機器人技術離我非常遙遠，是實驗室裏或者科幻電影裏的東西，但這本書用一種非常務實的態度，將復雜的概念變得觸手可及。它沒有迴避技術細節，比如關於電機的選型、編碼器的精度、舵機的響應時間，甚至連PCB闆的設計和信號的布綫都會涉及到。但它又不像純粹的技術手冊那樣枯燥，而是通過大量的實例和圖示，將這些細節融入到具體的應用場景中，讓你能直觀地理解它們的重要性。我印象最深的是，書中關於“用戶交互”的設計部分，它沒有停留在簡單的按鈕和屏幕，而是探討瞭如何通過語音、手勢等更自然的方式來與機器人進行交互，這讓我看到瞭機器人技術在未來與人類生活更深層次的融閤。總的來說，這本書讓我對機器人係統有瞭從硬件到軟件，從理論到實踐，從技術到應用的全麵認識，仿佛為我打開瞭一扇通往未來科技世界的大門。

評分☆☆☆☆☆

在我閱讀《機器人係統設計及應用》的過程中，最讓我感到沉浸和受益匪淺的是它對於“係統集成”這一核心環節的細緻描繪。很多技術書籍往往會專注於某個單一的領域，比如專門講單片機編程，或者專門講機械設計，但這本書卻巧妙地將這些分散的知識點融會貫通，展示瞭它們是如何在一個完整的機器人係統中協同工作的。它不僅僅是告訴你“怎麼做”，更重要的是解釋“為什麼這麼做”。比如，在講解傳感器數據融閤的時候，它會深入分析不同傳感器之間的誤差特性，以及如何通過濾波和算法來提高整體的感知精度。在講解運動控製的時候，它會詳細闡述PID控製器的工作原理，以及如何根據具體應用場景來調整參數以達到最佳的控製效果。更難能可貴的是，書中還涉及到瞭軟件架構的設計，包括如何組織代碼、如何進行任務調度，以及如何處理並發等問題。這些內容對於一個想要從根本上理解機器人係統運作原理的人來說，簡直是“乾貨滿滿”，讓我真正體會到“1+1>2”的係統集成效應。

評分☆☆☆☆☆

這本《機器人係統設計及應用》真是讓我大開眼界，雖然我當初買它主要是齣於對自動化技術的好奇，想瞭解一下現在機器人技術到底發展到瞭哪一步，但讀完之後，纔發現這書遠不止是“看看熱鬧”。它不是那種隻講概念、擺弄圖示的科普讀物，而是真的從“如何把一個想法變成一個能動的東西”這個角度切入，特彆接地氣。它不像某些書上來就給你一堆復雜的數學公式，而是循序漸進，從基礎的機械結構、驅動方式講起，然後慢慢過渡到傳感器的選擇、信號的處理，再到核心的控製算法。我尤其喜歡它在講到具體案例的時候，會詳細分析每個模塊的設計思路和權衡取捨，比如為瞭實現某個特定的運動軌跡，需要考慮哪些電機、減速器，它們之間的配閤度怎麼樣，功耗如何。甚至連綫纜的布局、散熱的設計，都給齣瞭切實可行的建議。這讓我感覺，書裏講的不是什麼高高在上的理論，而是工程師們在實際工作中會遇到的真實問題，以及他們是如何一步步解決的。對於我這種對硬件和軟件都想有所瞭解的初學者來說，這本書提供瞭一個非常好的知識體係框架，讓我知道瞭一個完整的機器人係統到底是怎麼構建起來的，感覺打開瞭一個全新的世界。

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實用，物流快

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太薄，沒什麼實質的內容