第1章緒論

1.1工業機器人定義

1.2工業機器人分類

1.2.1按機器人的發展程度分類

1.2.2按機器人的性能指標分類

1.2.3按機器人的結構特征分類

1.2.4按機器人的結構形式分類

1.2.5按控制方式分類

1.2.6按驅動方式分類

1.2.7按機器人的應用分類

1.3工業機器人關鍵技術

1.4工業機器人發展現狀和趨勢

1.4.1國外概況

1.4.2國內概況

1.5小結

習題

參考文獻

第2章工業機器人數學基礎

2.1工業機器人坐標繫

2.2機器人位姿描述和變換

2.2.1機器人末端姿態

2.2.2變換的不同坐標繫

2.2.3A矩陣和T矩陣

2.3機器人運動學

2.3.1串聯式機器人

2.3.2並聯式機器人

2.3.3機器人工作空間

2.3.4機器人雅可比矩陣

2.4基於運動學的機器人軌跡規劃

2.4.1機器人梯形速度曲線規劃

2.4.2機器人姿態規劃算法

2.4.3機器人關節空間內B樣條插補算法

2.4.4機器人空間直線插補算法

2.4.5機器人空間圓弧插補算法

2.5機器人繫統動力學

2.5.1拉格朗日方程

2.5.2平面二連杆機器人動力學建模

2.6小結

習題

參考文獻

第3章工業機器人機械繫統

3.1工業機器人的繫統構成

3.1.1工業機器人繫統構成

3.1.2工業機器人執行繫統

3.2機器人關節及自由度

3.2.1自由度

3.2.2關節及自由度的構成

3.2.3機器人關節形式

3.3工業機器人本體材料選擇

3.4機器人傳動機構

3.4.1機器人齒輪傳動機構

3.4.2機器人絲杠傳動機構

3.4.3機器人帶傳動與鏈傳動機構

3.4.4機器人繩傳動與鋼帶傳動機構

3.5機器人機構優化

3.5.1機器人機構優化形式

3.5.2機器人機構優化指標

3.5.3機器人機構優化流程

3.5.4機器人機構優化算法

3.6工業機器人設計流程

3.6.1機器人性能參數確定

3.6.2機器人機構設計方案

3.6.3機器人三維建圖及仿真建模

3.6.4機器人本體優化設計

3.6.5機器人生產圖輸出

3.6.6機器人零部件加工與裝配

3.7工業機器人繫統標定及性能測試

3.7.1工業機器人繫統標定

3.7.2工業機器人性能測試指標

3.7.3工業機器人性能測試舉例

3.8小結

習題

參考文獻

第4章工業機器人驅動與控制

4.1工業機器人驅動繫統

4.1.1電機驅動器

4.1.2液壓驅動器

4.1.3氣動繫統

4.2工業機器人控制繫統結構

4.2.1工業機器人控制器技術現狀

4.2.2機器人控制繫統的主要構成

4.2.3機器人控制繫統的各

4.3機器人控制理論及方法

4.3.1機器人控制結構

4.3.2機器人經典控制方法

4.3.3機器人現代控制方法

4.4機器人控制繫統工程實現

4.4.1工業機器人控制體繫結構

4.4.2工業機器人控制繫統設計流程

4.5基於IPC的機器人控制繫統設計

4.5.1機器人控制器硬件結構

4.5.2機器人控制器軟件結構

4.6小結

習題

參考文獻

第5章機器人軟件及操作

5.1機器人編程

5.1.1工業機器人編程方式

5.1.2工業機器人編程語言要求和類別

5.1.3HJG30編程語言應用

5.2機器人軟件設計

5.2.1上位機軟件設計

5.2.2下位機軟件設計

5.3工業機器人繫統仿真

5.3.1MATLAB仿真

5.3.2ADAMS仿真

5.3.3VREP仿真

5.3.4ROS繫統仿真

5.4機器人操作

5.4.1弧焊機器人簡介

5.4.2機器人操作安全注意事項

5.4.3機器人操作

5.4.4設備的維護

5.5小結

習題

參考文獻

第6章工業機器人綜合應用技術

6.1工業機器人安全

6.2工業機器人通信

6.3工業機器人傳感及控制

6.3.1工業機器人傳感器

6.3.2工業機器人智能控制繫統

6.3.3基於視覺的機器人目標抓取繫統

6.3.4基於力覺的機器人打磨作業繫統

6.4工業機器人典型應用

6.4.1焊接機器人

6.4.2搬運機器人

6.4.3噴塗機器人

6.4.4裝配機器人

6.4.5協作機器人

6.5小結

習題

參考文獻

機器人技術是涉及機械電子、感知測量、控制、通信和計算機等學科的綜合性高新技術，是光機電軟一體化研發制造的典型代表。而工業機器人則是機器人技術發展的典型代表，其研發、制造和應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志，是推進傳統產業改造升級和結構調整的重要支撐。同時，工業機器人是現代制造業重要的自動化裝備，是制造業實現數字化、智能化和信息化的重要載體。工業機器人及以其為主體的自動化成套設備是提升制造業發展質量和競爭力的重要途徑。目前，工業機器人已經廣泛應用於汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、物流和制造業等諸多領域中。
隨著人口老齡化加劇，勞動力短缺，勞動力成本急劇上升，下遊制造行業的生產方式也亟待升級。我國亦高度重視機器人產業的發展，相繼出臺了《關於推進機器人產業發展的指導意見》《機器人產業發展規劃（2016—2020 年）》等，在戰略上做了頂層設計。地方扶持政策也積極跟進，重點是對研發和“機器換人”應用的扶持。工業機器人作為我國高端裝備制造的基礎設備之一，是我國“十二五”發展規劃中高端制造裝備戰略性新興產業的重要組成部分，也是其他戰略性新興產業發展的重要基礎裝備。目前全國已有四十多家機器人產業園，中國已經成為全球的機器人市場。
機器人產業有著多層次的人纔需求，*等部委聯合發布的《制造業人纔發展規劃指南》預測，到2020 年我國高檔數控機床和機器人領域人纔缺口將達到300 萬； 到2025 年，人纔缺口將進一步擴大到450 萬。雖然我國企業和科研機構不斷加大機器人技術研究與本體研制方向的人纔引進與培養力度，但現場調試、維護操作與運行管理等應用型人纔的培養力度依然有所欠缺。同時，各高校和職業院校也相繼設置了機器人及其應用的相關專業，而繫統介紹工業機器人技術和研發的專業技術書籍還不多。編者多年從事工業機器人研發，先後承擔過國家重點研發計劃、國家數控重大專項、“863”計劃項目中的工業機器人研發課題，具有較為豐富的工業機器人研發經驗，書中的部分工業機器人實例也是這些國家課題項目的技術成果。
全書共分6章。第1章介紹了工業機器人的概念和定義，闡述了工業機器人按照發展程度、性能、結構、控制、驅動和應用特征分類的情況，並對工業機器人關鍵技術、國內外工業機器人的發展現狀和趨勢進行了分析。第2章講述了工業機器人的數學基礎，重點介紹了工業機器人的位姿描述、坐標繫轉換、運動學模型、工作空間、典型軌跡規劃算法。對機器人的雅可比矩陣和機器人動力學進行了簡介。第3章分析了工業機器人的機械繫統，包括機器人本體的總體結構、關節形式、材料選擇、傳動機構和機構優化等，講述了工業機器人的繫統標定、性能指標及測試方法。第4章講述了工業機器人的驅動和控制繫統，對工業機器人的各種控制方式進行了闡述，以一種工業機器人控制繫統設計為例，對控制繫統的硬件和軟件結構進行了設計。第5章繫統介紹了工業機器人的編程方式、編程語言、當前主要的工業機器人仿真繫統，闡述了機器人的機械繫統、控制繫統和軟件繫統的原理及操作流程。第6章介紹了工業機器人在制造業領域的應用狀況，包括工業機器人的安全情況、通信方式、傳感器繫統，以及基於視覺、力覺的工業機器人應用設計案例。分別介紹了焊接、搬運、噴塗、裝配和協作等典型工業機器人的應用。
本書針對工業機器人的設計和應用過程，除了介紹和討論機器人學的基本理論外，更加注重機器人實際設計及工程應用中應該注意的問題和一些關鍵技術掌握。分別從工業機器人的理論基礎、機械繫統設計、控制繫統設計、機器人編程及應用等方面給讀者提供了完整的工業機器人設計和應用流程。本書可供機器人研發、設計、工程應用的技術人員參考，也可以作為高等院校機器人專業教師和本科生的教學參考書。
本書是哈爾濱工業大學機器人研究所工業機器人課題組老師和研究生的共同研究成果。李瑞峰教授負責本書的總體規劃和修訂，重點編寫了第1、3、6章，葛連正助理研究員重點編寫了第2、4、5章。本書撰寫工作得到了王珂、趙立軍、陳健、仝勛偉、王淑英、吳重陽、郭萬金、劉志恆等很大的支持與幫助，在此表示衷心感謝。
本書在寫作過程中對相關專家進行了咨詢，同時查閱了同行專家學者和一些科研單位、院校的教材和文獻，在此向各位文獻作者致以誠摯的謝意。由於作者水平有限，書中難免存在不足和錯誤之處，敬請廣大讀者批評指正。
作者2019年5月

第1章緒論
1954年，美國人G．C．戴萬獲得了項工業機器人專利，1958年美國機械與鑄造公司(A．M．F)研制成功一臺數控自動通用機器，商品名為Versatran，並以“工業機器人”(Industrial Robot)為商品廣告投入市場，這就是世界上早的工業機器人。經過60多年的迅速發展，工業機器人已經廣泛應用於汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、物流和制造業等諸多領域中。作為先進制造業中不可替代的核心自動化裝備，工業機器人已經成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志。同時，工業機器人的發展是一個動態過程，其性能及應用將隨著科技的發展而同步提升。為此，本節將對工業機器人的基本概念、發展狀況及其應用前景做一整體介紹，為後續章節的學習奠定基礎。
1．1工業機器人定義
目前，世界各國對工業機器人還沒有統一的明確定義。通常工業機器人是指面向工業領域的多關節機器人或多自由度的機器裝置，日本工業機器人協會(JIRA)將工業機器人定義為“一種裝備有記憶裝置和末端執行器的，能夠轉動並通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。根據國家標準，工業機器人定義為“其操作機是自動控制的，可重復編程、多用途，並可對3個以上軸進行編程。它可以是固定式或移動式，在工業自動化應用中使用”，操作機又定義為“一種機器，其機構通常由一繫列互相鉸接或相對滑動的構件所組成。它通常有幾個自由度，用以抓取或移動物體(工具或工件)”。
工業機器人具有可編程、擬人化和通用性的顯著特點。因此，一般對工業機器人的理解為： 具有擬人手臂、手腕和手功能的機械電子裝置，它可把任一物件或工具按空間位置和姿態的時變要求進行移動，從而完成某一工業生產的作業任務。如夾持焊鉗或焊槍，對汽車或摩托車車體進行點焊或弧焊； 搬運壓鑄或衝壓成型的零件或構件； 進行激光切割； 噴塗； 裝配機械零、部件等。
機器人技術涉及機構學、控制論、計算機、信息技術、傳感技術、仿生學和人工智能等多學科技術，目前並沒有統一的定義，其定義和應用領域也必將隨著技術發展而持續發展。工業機器人作為一種典型的機電一體化數字化裝備，體現著機器人技術的發展成果，可實現制造生產的模塊化、智能化，技術附加值高，應用範圍廣，作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，世界各國都將其作為工業自動化發展的重點方向，將對未來生產和社會發展起著越來越重要的作用。
1．2工業機器人分類
工業機器人可按照不同的功能、用途、規模、結構、控制和驅動形式等分成很多類型，目前國內外尚無統一的分類標準。參考國內外相關資料，本節對工業機器人作如下分類。

1．2．1按機器人的發展程度分類
機器人技術融合了多學科的發展成果，隨著學科技術的不斷發展，工業機器人的發展經歷了從低級到高級的過程。工業機器人作為機器人的一種主要類型，可根據從低級到高級的發展程度分為以下幾類。
1． 代機器人
代機器人主要指隻能以“示教再現”方式工作的工業機器人，稱為示教再現型（圖11）。示教內容為機器人操作結構的空間軌跡、作業條件和作業順序等。所謂示教，即由操作者指示機器人運動的軌跡、停留點位和停留時間等。然後，機器人依照示教的行為、順序和速度重復運動，即所謂的再現。

圖11代示教再現型工業機器人

普遍的示教方式是通過機器人的控制面板或專用手控盒完成的。操作人員利用控制面板上的開關或鍵盤控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄每一步，然後重復，並且操作者可以對示教的程序進行編輯。目前在工業現場應用的機器人大多采用這一方式。
另外，更為高級、方便的示教方式可由操作員手把手地進行。操作人員抓住機器人上的噴槍把噴塗時要走的位置走一遍，機器人記住這一連串運動的邏輯順序及示教點的位置和姿態，工作時自動重復這些運動，從而完成給定位置的噴塗工作。
2． 第二代機器人
第二代機器人帶有一些可感知環境的裝置，通過反饋控制，使工業機器人能在一定程度上適應環境的變化（圖12）。
這樣的技術現在正越來越多地應用在工業機器人上，例如焊縫跟蹤技術。在機器人焊接的過程中，通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線進行焊接。這就要求工件的一致性好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確，否則，機器人行走的曲線和工件上的實際焊縫位置將產生偏差。焊縫跟蹤技術是在機器人上加一個傳感器裝置，通過傳感器裝置感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進行修正。即使實際焊縫相對於原始設定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。

圖12載有傳感器的第二代工業機器人

另外一個典型例子為機器人打磨作業，機器人通過安裝在腕部或末端的力傳感器可以控制打磨力的大小。近年來，FANUC機器人推出一種視覺識別工業機器人，可以自動判別物料筐中工件的姿態和位置，自動進行散亂堆放零件的挑選，提高了工作效率。