机器人被称为 制造业皇冠顶端的明珠 ,其研发、制造及应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要指标。同时 ,机器人作为 中国制造 2025十大重点发展领域之一以及核心的智能装备 ,对于改变人们的生产生活方式 ,提升我国制造业创新能力 ,实现我国由制造大国向制造强国的转变等具有十分重要的推进作用。随着机器人技术的发展 ,很多基于新原理、新技术和新理论的新型机器人不断涌现出来 ,使得机器人的概念不断丰富和发展 ,从航空航天到深海深地 ,其成员数量越来越多 ,它们形态各异、种类繁多、或大或小,有的机器人重则几吨 ,有些则只有几克 ,有些机器人有几米高 ,而有些机器人则是微纳米量级。
目前 ,机器人技术已经发展成一门多学科交叉融合的新兴学科 ,与机械、力学、电气、控制、计算机、生物学、人工智能等学科密切相关 ,多学科知识的交叉融合是机器人技术得以发展、拓宽和延伸的基础。本书即为国家级一流本科专业 机械设计及其自动化的专业建设成果。
本书从机器人概述、运动学和动力学、本体结构、控制和通信技术及具体应用五个方面展开论述 ,注重机器人技术的基础性、系统性和前沿性 ,既力求用通俗易懂、简明扼要的语言介绍机器人的基础理论知识 ,又着力突出知识体系的完整、内容的丰富和层次的分明。首先,在介绍智能机器人概念及发展的基础上 ,详细阐述了机器人运动学和动力学的基础理论;然后 ,按照组成机器人的机械、控制、传感三大部分 ,分别从本体结构设计、控制技术及通信技术介绍机器人的基本技术 ;最后 ,按照机器人的应用分类 ,通过大量的案例介绍机器人在具体工程实际中的应用。同时 ,通过融入国内外机器人技术新的研究成果和产品具体应用案例 ,提升本书内容的前沿性和实用性。本书可作为高等学校本科学生和研究生的基础课程教材 ,也可供从事机器人研究和开发的有关技术人员参考。
本书的部分研究成果获得国家自然科学基金项目 (51809127)资助 ,具体编写分工如下:华北水利水电大学田宝强负责第 1章和第 5章,谭兆钧负责第 2章和第 3章,郑州大学胡亚洲负责第 4章。此外 ,陈志远、陈际波、刘川、袁世峰等研究生参与了部分内容的录入工作 ,在此表示感谢。
限于编著者水平 ,且机器人技术及相关学科发展迅速 ,书中难免存在不足之处 ,恳请读者予以批评指正。
编著者
2024年9月
第1章 绪论 001
1.1 机器人概述 001
1.1.1 机器人发展简史 002
1.1.2 机器人的概念 004
1.1.3 机器人的优势 005
1.1.4 机器人发展趋势 007
1.2 机器人的分类 008
1.2.1 按机器人应用领域分类 008
1.2.2 按机器人控制方式分类 009
1.2.3 其他分类方式 011
1.3 机器人基本组成和技术参数 011
1.3.1 机器人基本组成 011
1.3.2 机器人技术参数 013
1.4 本章习题 015
第2章 机器人运动学和动力学 016
2.1 机器人运动学 016
2.1.1 机器人的位姿描述 016
2.1.2 齐次变换 019
2.1.3 机器人正、逆向运动学 022
2.1.4 KUKAKR机械人运动学分析实例 023
2.2 机器人动力学 026
2.2.1 机器人雅可比 026
2.2.2 机器人静力分析 029
2.2.3 机器人动力学方程 031
2.2.4 波浪滑翔机动力学建模分析实例 037
2.3 本章习题 041
第3章 机器人本体结构 043
3.1 机器人总体技术 043
3.1.1 机器人总体设计 044
3.1.2 机器人材料选择 045
3.2 机器人机械系统 047
3.2.1 机器人本体结构设计 047
3.2.2 机器人驱动系统 047
3.2.3 机器人传动系统 048
3.2.4 机器人执行系统 052
3.3 机器人感知系统 054
3.3.1 机器人传感器特点及分类 054
3.3.2 多传感器信息融合 058
3.3.3 智能传感测量系统 062
3.4 机器人能源系统 066
3.4.1 机器人能源系统特点 066
3.4.2 机器人常用电源 067
3.4.3 机器人的新能源技术 069
3.5 本章习题 072
第4章 机器人控制及通信技术 073
4.1 机器人控制技术 073
4.1.1 机器人控制系统的基本组成 074
4.1.2 机器人控制器与外设及接口 075
4.1.3 常用的机器人控制算法 079
4.1.4 机器人路径规划 084
4.2 机器人程序设计 089
4.2.1 机器人嵌入式操作系统 089
4.2.2 编程语言类型与系统组成 091
4.2.3 常用机器人编程语言 093
4.3 机器人通信技术 096
4.3.1 无线通信方式 096
4.3.2 WiFi通信技术 099
4.3.3 卫星通信技术 100
4.3.4 5G通信技术 102
4.4 本章习题 103
第5章 各类机器人及其应用 105
5.1 工业机器人 105
5.1.1 工业机器人的分类 106
5.1.2 工业机器人具体应用 108
5.1.3 工业机器人应用特点分析 112
5.2 服务机器人 112
5.2.1 手术机器人 112
5.2.2 护理机器人 115
5.2.3 导览机器人 117
5.2.4 农业机器人 118
5.2.5 儿童陪伴机器人 119
5.2.6 扫地机器人 120
5.2.7 服务机器人应用特点分析 122
5.3 特种机器人 123
5.3.1 巡检机器人 123
5.3.2 消防机器人 126
5.3.3 救援机器人 128
5.3.4 排爆机器人 130
5.3.5 安防机器人 131
5.3.6 水下机器人 131
5.3.7 仿生机器人 132
5.3.8 特种机器人应用特点分析 133
5.4 本章习题 134
参考文献 135
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