工业机器人应用技术：结构·控制·仿真·集成

《工业机器人应用技术：结构·控制·仿真·集成》是一本全面系统介绍工业机器人技术的专业书籍。本书深入剖析了工业机器人的核心要素，从基础理论到实践操作，逐步展开。内容涵盖工业机器人的发展历程、基本概念、机械结构设计、数学基础（含坐标系、运动学与动力学）、传感系统（包括内外传感器及多传感器融合）、控制系统架构与控制策略，以及多种典型工业机器人的操作技巧。此外，本书还详细介绍了工业机器人仿真技术，通过RobotStudio等主流软件，帮助读者掌握虚拟环境下机器人行为的模拟与优化。同时，结合实际案例，如码垛、焊接、装配等工作站的设计与仿真，展现了工业机器人在智能制造中的广泛应用与集成能力。最后，本书配备同步课件及拓展阅读资源，可帮助读者更快更好地学习本书，提升技能。
本书主要可供智能制造、机器人等相关领域的工程技术人员阅读参考，也面向高等院校及职业院校智能制造工程、机器人工程及相关专业师生，可作为该专业领域的通识类教材。

工业机器人是实现智能制造的重要智能装备，被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”。为摆脱低端制造的标签，中国非常重视工业机器人的发展。近年来，随着工业4.0及“中国制造2025”等概念的持续推进，中国工业机器人产业得到了较好的发展。
工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等多个工业领域。
本书的写作条理清晰、要点突出，将工业机器人的软硬件、仿真与系统集成进行有序整合，阐述了工业机器人技术基础及其应用。全书共分为9章：第1章主要介绍工业机器人的发展及其基本概念；第2章主要介绍工业机器人的机械结构组成相关知识；第3章介绍了与工业机器人相关的数学基础，包括工业机器人的坐标系、运动学和动力学分析；第4章介绍了工业机器人的传感系统，包括内部传感器、外部传感器和多传感器融合等；第5章介绍了工业机器人的控制系统，包括控制系统结构、控制方式、控制策略和运动控制等；第6章介绍了ABB、SCARA等典型工业机器人的基本操作方法；第7章介绍了工业机器人虚拟仿真软件的使用，主要介绍了RobotStudio和PQArt两款软件；第8章介绍了工业机器人的码垛、焊接和装配工作站，并利用软件对码垛工作进行虚拟仿真。
 在本书的撰写过程中，参阅了一些图书、论文以及其他形式的参考资料，并在书后的参考文献中列出，以便读者可以拓展阅读。由于参考文献较多，正文中未能一一详细标注，敬请原作者和读者谅解。
由于笔者理论和技术水平有限，本书难免有不妥之处，敬请专家、同行等广大读者批评指正。

编著者

第1章工业机器人概述1
1.1机器人简介2
1.1.1机器人的发展历程2
1.1.2机器人的定义13
1.2工业机器人简介14
1.2.1工业机器人的发展历程14
1.2.2工业机器人的定义22
1.2.3工业机器人的分类22
1.2.4工业机器人的组成26
1.2.5工业机器人的核心部件28
1.2.6工业机器人的主要技术参数29
1.2.7工业机器人的应用30
1.2.8工业机器人的发展趋势33

第2章工业机器人的机械结构35
2.1工业机器人的机身36
2.1.1回转与升降型机身结构36
2.1.2回转与俯仰型机身结构37
2.1.3直移型机身结构37
2.1.4类人机器人型机身结构38
2.2工业机器人的手臂38
2.2.1手臂的运动38
2.2.2手臂的分类38
2.2.3手臂设计要求39
2.2.4机器人机身和臂部的配置39
2.3工业机器人的手腕41
2.3.1手腕的基本形式41
2.3.2手腕的分类41
2.3.3手腕的柔顺结构43
2.4工业机器人的手部43
2.4.1手部的特点43
2.4.2手部的分类44
2.5工业机器人的驱动系统47
2.5.1驱动方式47
2.5.2驱动装置48
2.5.3传动机构58

第3章工业机器人的数学基础64
3.1工业机器人的运动轴与坐标系65
3.1.1工业机器人的运动轴65
3.1.2工业机器人的坐标系65
3.2工业机器人的运动学分析68
3.2.1位置和姿态表示68
3.2.2坐标变换71
3.2.3齐次坐标变换72
3.2.4机器人空间连杆74
3.2.5工业机器人运动学和逆运动学75
3.3工业机器人的动力学分析83
3.3.1工业机器人的速度雅可比83
3.3.2工业机器人的力雅可比86
3.3.3动力学分析88
3.4Matlab Robotics工具包96
3.4.1基本函数使用方法96
3.4.2工具包中的运动学求解99
3.4.3工具包中的动力学求解102

第4章工业机器人的传感系统106
4.1传感器概述107
4.1.1传感器的定义107
4.1.2传感器的组成107
4.1.3传感器的作用107
4.2工业机器人内部传感器108
4.2.1位置传感器108
4.2.2速度传感器112
4.2.3加速度传感器112
4.2.4倾斜角传感器112
4.3工业机器人外部传感器113
4.3.1视觉传感器113
4.3.2触觉传感器115
4.3.3距离传感器117
4.3.4力觉传感器118
4.3.5碰撞传感器119
4.4多传感器信息融合119
4.4.1多传感器信息融合的级别119
4.4.2多传感器信息融合技术120
4.4.3多传感器量测数据预处理121
4.4.4多传感器信息融合算法121
4.4.5多传感器信息融合在工业机器人中的应用122

第5章工业机器人的控制系统125
5.1工业机器人控制系统概述126
5.1.1工业机器人控制系统要素126
5.1.2工业机器人控制系统特点126
5.1.3工业机器人控制系统功能127
5.1.4工业机器人控制系统分类129
5.2工业机器人控制系统129
5.2.1工业机器人控制系统组成129
5.2.2工业机器人控制系统结构130
5.2.3工业机器人的控制器132
5.3工业机器人的控制方式137
5.3.1控制方式的分类137
5.3.2位置控制137
5.3.3速度控制138
5.3.4力（力矩）控制139
5.3.5智能控制139
5.4工业机器人的控制策略139
5.4.1自适应控制140
5.4.2变结构控制140
5.4.3鲁棒控制140
5.4.4智能控制141
5.5工业机器人的运动控制142
5.5.1路径规划142
5.5.2轨迹规划144
5.5.3Matlab Robotics工具包中的轨迹规划146

第6章工业机器人的基本操作149
6.1工业机器人的编程150
6.1.1编程任务150
6.1.2在线示教151
6.1.3离线编程151
6.2ABB工业机器人的基本操作153
6.2.1ABB工业机器人简介153
6.2.2ABB工业机器人示教器的使用156
6.2.3ABB工业机器人的手动操作162
6.2.4ABB工业机器人坐标系的建立166
6.2.5ABB工业机器人的通信172
6.2.6ABB工业机器人的编程173
6.3SCARA机器人的基本操作178
6.3.1SCARA机器人简介178
6.3.2SCARA机器人系统180
6.3.3SCARA机器人示教器的使用183
6.3.4SCARA机器人的编程191
6.4Delta机器人的基本操作196

第7章工业机器人的虚拟仿真197
7.1工业机器人的虚拟仿真软件197
7.1.1RobotStudio198
7.1.2PQArt199
7.2RobotStudio199
7.2.1RobotStudio的特点199
7.2.2机器人系统的创建与调试200
7.2.3RobotStudio的离线编程220
7.3基于PQArt的工业机器人仿真242

第8章工业机器人工作站243
8.1概述243
8.1.1工业机器人工作站组成与设计243
8.1.2工业机器人生产线246
8.2工业机器人工作站系统分析247
8.2.1码垛机器人工作站247
8.2.2焊接机器人工作站251
8.2.3装配机器人工作站260
8.3工业机器人码垛工作站虚拟仿真263
8.3.1机器人吸盘的创建263
8.3.2传送带组件的创建275
8.3.3放置工件路径的创建282
8.3.4程序的编写286

第9章工业机器人的实际应用293
9.1加工企业包装流水线双垛型高速码垛系统293
9.2工业机器人在智能制造中的应用293

参考文献295