机器人伺服控制系统及应用技术

随着物联网、大数据和移动应用等新一轮信息技术的发展，全球化工业革命开始提上日程，工业转型开始进入实质阶段。在中国，“智能制造”的提出、《中国制造2025》战略纲领的出台，表明国家开始积极行动起来，把握新一轮工业发展机遇，实现工业化转型。
智能制造把制造自动化的概念扩展到更加柔性化、智能化和高度集成化。而机器人是高端智能装备的代表，被喻为“制造业皇冠顶端的明珠”。在传统制造业转型升级的过程中，机器人产业被寄予厚望。2015年世界机器人大会在北京举行，中国将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域。近年来，政策、资金及许多资源都在迅速向机器人和智能制造倾斜。
伺服系统是高端装备、智能制造装备实现自动控制的核心功能部件，机器人的工作表现受伺服系统影响极大，因而精密伺服系统的关键性能指标一直都是评价机器人先进性的首要因素。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数应用的需求，其研发资源集中在个别高端应用及整体性能提升方面，处于精雕细刻阶段。在工业4.0的大背景下，国产伺服系统任重而道远，还需努力追赶。
本书结合机器人系统设计实例，介绍机器人伺服控制系统的基本概念及相关应用。全书共分9章：第1章简要介绍机器人相关的一些背景资料及基本知识；第2章主要介绍机器人系统的组成；第3～5章分别介绍步进电机、直流伺服和交流伺服系统的工作原理及其在机器人开发中的应用；第6章主要介绍伺服驱动器和运动控制器的相关原理及应用；第7～8章分别介绍气动伺服和液压伺服的基本原理及其在机器人开发中的应用；第9章主要介绍机器人视觉伺服控制系统相关理论。
本书可供机器人研究开发及相关从业人员使用，也可作为高等院校相关专业师生的教学参考书。
由于作者理论和技术水平所限，本书难免有不妥之处，敬请读者批评指正。

编著者

《机器人伺服控制系统及应用技术》是一本理论与实践紧密结合的图书，通过9章内容，全方位解读了机器人伺服控制系统的相关知识。从机器人组成开始讲解，逐渐引入到机器人的感知系统和控制系统，整合电机学、气压与液压控制、机器人机构等与伺服控制系统密不可分的相关技术，从基础知识到实例应用分析，让读者全面系统地学习伺服控制技术。全书核心内容包括机器人步进电机控制系统、直流伺服控制系统、交流伺服控制系统、伺服驱动器与运动控制器、气动伺服控制系统、液压伺服控制系统、视觉伺服控制系统等。
本书适合机器人、机电一体化专业的高校师生以及从事制造业机器人方向相关工作的技术人员阅读参考。

第1章绪论1
1.1机器人发展历史1
1.2机器人基础知识4
1.2.1机器人定义4
1.2.2机器人分类4
1.2.3机器人主要参数8
1.3伺服控制系统10
1.3.1伺服控制系统定义10
1.3.2伺服控制系统发展历史10
1.3.3伺服控制系统组成11
1.3.4伺服控制系统性能要求12
1.3.5伺服控制系统分类12
1.3.6伺服控制系统发展趋势15
1.4机器人伺服控制系统17
1.4.1机器人控制系统17
1.4.2机器人控制系统特点17
1.4.3机器人伺服控制系统概述18

第2章机器人组成19
2.1机器人的执行机构19
2.1.1机器人本体材料20
2.1.2机器人的臂、腕和手20
2.1.3机器人的移动机构22
2.1.4机器人的躯干27
2.1.5机器人的关节29
2.2机器人的感知系统31
2.3机器人的控制系统32
2.3.1机器人的控制器32
2.3.2机器人的控制系统结构33
2.3.3机器人的控制系统软件35
2.3.4机器人专用操作系统35
2.3.5智能机器人控制系统36
2.4机器人的驱动系统37
2.4.1驱动方式37
2.4.2驱动元件38
2.4.3驱动机构39
2.5机器人的电源系统40
2.5.1电池40
2.5.2直流稳压电源41

第3章机器人步进电机控制系统43
3.1步进电机43
3.1.1步进电机的发展历史43
3.1.2步进电机的分类44
3.1.3步进电机的工作原理45
3.1.4反应式步进电机的运行特性49
3.1.5步进电机的操作模式53
3.2步进电机的驱动电源54
3.2.1驱动电源的基本要求54
3.2.2驱动电源组成55
3.2.3驱动器的使用62
3.3步进电机的控制64
3.3.1步进电机的开环控制64
3.3.2步进电机的闭环控制66
3.3.3步进电机的最佳点位控制66
3.4步进电机的特点及选用原则68
3.4.1步进电机的特点68
3.4.2步进电机的选用原则69
3.5步进电机在机器人中的应用实例分析69
3.5.1变电站轨道式巡检机器人控制系统设计69
3.5.2玻璃幕墙清洗机器人爬壁装置及控制系统设计75

第4章机器人直流伺服控制系统84
4.1直流伺服电机84
4.1.1直流伺服电机的发展历史84
4.1.2直流伺服电机的工作原理85
4.1.3直流伺服电机的分类86
4.1.4直流伺服电机的控制87
4.1.5直流伺服电机的主要特性89
4.1.6无刷直流伺服电机91
4.2直流伺服电机调速系统93
4.2.1调速指标93
4.2.2单闭环调速系统95
4.2.3双闭环调速系统99
4.3直流伺服电机调压调速技术102
4.3.1晶闸管直流调速系统102
4.3.2脉宽调制（PWM）直流调速系统104
4.4直流伺服电机在机器人中的应用实例分析109
4.4.1电驱动四足机器人运动控制系统设计109
4.4.2室内全向移动机器人系统设计114
4.4.3管道机器人结构设计及其运动控制研究121

第5章机器人交流伺服控制系统129
5.1交流伺服电机129
5.1.1交流伺服电机的发展历史129
5.1.2交流伺服电机的分类131
5.1.3交流伺服电机的工作原理132
5.1.4交流伺服电机的运行特性134
5.1.5交流伺服电机的主要性能指标137
5.1.6交流伺服电机的控制方法138
5.2交流伺服系统138
5.2.1交流伺服系统的组成138
5.2.2交流伺服系统的分类139
5.2.3交流伺服系统的性能指标140
5.2.4交流伺服系统的发展趋势141
5.3交流电机的速度控制142
5.3.1交流电机调速方法142
5.3.2变频器146
5.3.3变频调速技术151
5.3.4变频器的选用156
5.4交流伺服电机在机器人中的应用实例分析157
5.4.1桁架式机器人交流伺服系统157
5.4.2基于ARM的码垛机器人关节伺服系统研究169
5.4.3果蔬大棚巡检机器人移动平台的设计及关键技术研究177

第6章伺服驱动器与运动控制器188
6.1伺服驱动器188
6.1.1伺服驱动器的发展历史188
6.1.2伺服驱动器的工作原理189
6.1.3伺服驱动与变频驱动192
6.1.4伺服电机的选用194
6.1.5伺服驱动器的使用196
6.1.6伺服驱动器的测试平台205
6.1.7智能伺服驱动器206
6.2运动控制器208
6.2.1运动控制系统209
6.2.2运动控制器的发展211
6.2.3运动控制器的主要功能212
6.2.4运动控制器的分类213
6.2.5运动控制器的设计实例213
6.2.6运动控制卡222
6.3驱控一体化技术233
6.3.1驱控一体化技术的发展234
6.3.2多轴机器人轨迹与伺服一体化控制器设计实例234

第7章机器人气动伺服控制系统249
7.1发展概况249
7.1.1气动技术的发展249
7.1.2气动伺服技术的发展250
7.1.3气动伺服系统的特点251
7.2气压传动系统251
7.2.1气源装置252
7.2.2气动控制元件254
7.2.3气动执行元件260
7.3气动伺服系统262
7.3.1气动伺服系统的形式263
7.3.2基于气动柔顺控制的助餐机械手的研究实例265
7.3.3虚拟现实气动上肢康复训练机器人系统研究实例271

第8章机器人液压伺服控制系统283
8.1液压技术283
8.1.1液压系统的发展283
8.1.2液压伺服系统的发展284
8.1.3液压伺服系统的特点285
8.2液压伺服系统286
8.2.1液压控制系统286
8.2.2液压伺服系统的组成288
8.2.3液压伺服系统的分类288
8.2.4液压伺服系统的主要设备289
8.3电液伺服系统291
8.3.1电液伺服系统的组成292
8.3.2电液伺服阀292
8.3.3一种液压驱动上肢外骨骼机器人设计实例293
8.3.4液压四足机器人驱动控制与行走研究实例308

第9章机器人视觉伺服控制系统315
9.1视觉伺服的发展315
9.2视觉伺服系统的组成及分类316
9.2.1视觉伺服系统的组成316
9.2.2视觉伺服系统的分类316
9.3视觉伺服系统的应用实例319
9.3.1服务机器人视觉伺服控制方法研究实例319
9.3.2基于视觉伺服的三轴机械装置控制实例330

参考文献340