工业机器人系统及其先进控制方法

　　《工业机器人系统及其先进控制方法》介绍工业机器人的组成、驱动方式、关键技术及应用，包括工业机器人的体系结构、驱动方式、传感器信息处理、控制理论应用、柔性关节驱动、网络通信与协同等多个方面。《工业机器人系统及其先进控制方法》通过系统和详实的分析，向读者展现工业机器人的基本组成、驱动方式、动力学与运动学建模分析方法、基于动力学与运动学的控制设计方法、基于多智能体技术的分布式协同控制方法、柔性关节建模技术及运动控制方法、工业机器人现场通信技术与实现方法，以及一类工业机器人系统设计与应用案例，旨在培养读者掌握工业机器人分析与控制设计方法和实际应用能力。

目录
第1章 工业机器人概述 1
1.1 工业机器人定义 2
1.2 工业机器人发展历程 2
1.3 国内外工业机器人发展现状与趋势 3
1.3.1 国内外发展现状 3
1.3.2 工业机器人的应用现状 6
1.3.3 工业机器人技术发展趋势 7
1.4 工业机器人基本类型及关键技术 8
1.4.1 工业机器人基本类型 8
1.4.2 工业机器人关键技术 9
1.5 典型的工业机器人 10
1.5.1 移动机器人 10
1.5.2 点焊机器人 11
1.5.3 弧焊机器人 12
1.5.4 激光加工机器人 12
1.5.5 真空机器人 13
1.5.6 洁净工业机器人 14
思考题与练习题 15
参考文献 15
第2章 工业机器人驱动技术 16
2.1 步进电动机驱动 16
2.1.1 步进电动机驱动控制 16
2.1.2 步进电动机驱动应用 18
2.2 直流伺服电动机驱动 19
2.2.1 直流伺服电动机驱动技术 19
2.2.2 直流伺服电动机驱动应用 19
2.3 交流伺服电动机驱动 20
2.3.1 交流伺服电动机 20
2.3.2 交流伺服驱动系统 21
2.3.3 交流伺服电动机应用 22
2.4 气动驱动 23
2.4.1 气动驱动系统 23
2.4.2 比例/伺服控制阀选择 24
2.4.3 气动驱动应用 25
2.5 液压驱动 26
2.5.1 液压驱动系统 26
2.5.2 液压驱动系统分类以及应用 27
思考题与练习题 28
参考文献 29
第3章 工业机器人中的传感器 30
3.1 传感器技术基础知识 30
3.1.1 传感器的基本概念 30
3.1.2 传感器的性能指标、命名和代号 30
3.1.3 传感器的基本特性 31
3.1.4 传感器基本测量电路 32
3.2 典型传感器 34
3.2.1 电阻应变式传感器 34
3.2.2 电感式传感器 34
3.2.3 电容式传感器 35
3.2.4 压电式传感器 36
3.2.5 磁电式传感器 37
3.2.6 热电式传感器 38
3.2.7 光电式传感器 39
3.2.8 磁敏传感器 40
3.2.9 射线及微波检测传感器 41
3.2.10 光导纤维传感器 42
3.2.11 MEMS传感器 44
3.2.12 陀螺传感器 44
3.2.13 超声波传感器 45
3.2.14 码盘式传感器 46
3.3 图像传感器原理与应用 46
3.3.1 图像传感器 46
3.3.2 CCD成像 47
3.3.3 成像原理 50
3.3.4 成像亮度 51
3.3.5 相机标定 52
3.4 激光测距仪传感器 59
思考题与练习题 61
参考文献 62
第4章 工业机器人运动控制 63
4.1 机器人结构 63
4.1.1 工业机器人基本形式 63
4.1.2 工业机器人主要技术参数 66
4.2 机器人动力学特性 68
4.2.1 牛顿-欧拉方程 68
4.2.2 拉格朗日方程 71
4.2.3 空间动力学方程 74
4.3 机器人运动控制 75
4.3.1 PI/PID控制 75
4.3.2 鲁棒自适应容错控制 80
4.3.3 具有输入非线性的神经网络控制 86
思考题与练习题 89
参考文献 90
第5章 工业机器人协同控制 92
5.1 多机器人协同基本概念 92
5.1.1 多机器人协同的应用 92
5.1.2 多机器人协同控制结构 93
5.1.3 多机器人协同的问题描述 95
5.2 预备知识 95
5.2.1 图论基本概念 96
5.2.2 图论矩阵分析 97
5.2.3 矩阵理论 98
5.2.4 有限时间稳定性理论 98
5.3 多机器人系统基本协同控制问题 99
5.3.1 多机器人系统协同一致性控制 100
5.3.2 多机器人系统协同编队控制 101
5.4 多机器人系统有限时间一致性控制 102
5.4.1 问题描述 102
5.4.2 相关定义和引理 103
5.4.3 主要结果 106
5.4.4 仿真实验与结果分析 112
5.5 多机器人系统有限时间编队-合围控制 115
5.5.1 问题描述 115
5.5.2 主要结果 116
5.5.3 仿真实验与结果分析 123
思考题与练习题 126
参考文献 126
第6章 柔性关节工业机器人及控制 128
6.1 柔性驱动关节的类型 128
6.1.1 谐波齿轮传动 128
6.1.2 摆线针轮行星传动机构 130
6.1.3 少齿差行星齿轮传动机构 132
6.2 柔性关节建模 132
6.2.1 非线性数学模型 134
6.2.2 LuGre摩擦模型 134
6.2.3 迟滞间隙 135
6.3 柔性关节机器人控制技术 136
6.3.1 基于自适应RBF神经网络的多级滑模控制 136
6.3.2 基于RBF网络的动态面控制 141
6.3.3 基于柔性滤波的自适应单参数权值RBF网络反演法控制 147
6.3.4 基于柔性滤波的干扰观测器RBF网络动态面控制 154
思考题与练习题 163
参考文献 163
第7章 工业机器人现场通信设计 165
7.1 工业机器人通信需求与现场总线 165
7.1.1 集散式控制系统 165
7.1.2 现场总线控制系统 166
7.1.3 现场总线含义和标准 166
7.1.4 典型的现场总线 168
7.1.5 基于Ethernet和TCP/IP的工业以太网协议 172
7.1.6 基于工业以太网的通信设计 176
7.2 工业机器人现场通信系统 180
7.2.1 组件对象模型技术 180
7.2.2 从COM技术到OPC 181
7.2.3 基于OPC的异构现场通信实现 182
7.3 工业机器人现场通信系统设计 185
7.3.1 某工业机器人通信系统结构 185
7.3.2 某工业机器人通信网络组成 186
7.3.3 工业机器人通信系统配置 190
7.3.4 工业机器人通信客户端开发 196
思考题与练习题 199
参考文献 199
第8章 工业机器人设计与运用案例 201
8.1 项目介绍 201
8.1.1 项目目的 201
8.1.2 关键技术和创新 201
8.2 项目总体设计 202
8.2.1 总体布局 202
8.2.2 工艺环节 204
8.2.3 节拍设计 205
8.2.4 总体方案设计 208
8.3 项目工业机器人本体设计 208
8.3.1 机械本体结构设计 208
8.3.2 关键部件设计 213
8.3.3 本体安装调试 216
8.4 项目工业机器人电气设计 216
8.4.1 驱动方式及减速器的选择 217
8.4.2 电气设计与实现 222
8.4.3 电气参数优化 224
8.5 项目工业机器人控制设计 226
8.5.1 总体控制架构 226
8.5.2 工作流程设计 226
8.5.3 工业现场通信设计 229
8.5.4 现场调试 232
参考文献 233