工业机器人技术(创新应用型数字交互规划教材·机械工程)_荆学东主编_9787547838921

本书是面向工业机器人技术现场应用的教材，包括机器人技术基础知识和工业机器人技术应用两部分。基础知识包括第1～5章，内容涉及机器人的运动学、动力学、控制技术，以及机器人末端执行器设计，构成相对完整的工业机器人技术知识体系，是研究和应用机器人技术解决实际问题的基础。应用部分包括第6～10章，主要在工业机器人涉及的关键技术基础上，突出应用工业机器人技术解决工程实际问题的方法。本书邀请长期从事工业机器人应用开发的企业技术人员参与工程案例的撰写，指导学生应用总线技术以及PLC技术，将工业机器人与生产系统相集成，从而完成既定目标。教材力争做到入门内容浅显易懂，利用实例和实验将与工业机器人相关的知识点有机串联起来。本书依托增强现实（AR）技术，将视频等数字资源与纸质教材交互，为读者带来更丰富有效的阅读体验。本书还在出版社网站（www.sstp.cn）课件/配套资源栏目提供免费电子教学资源，供读者参考。

本书可作为高等院校机器人技术相关专业的本科生和研究生教材，也可为学习和掌握工业机器人技术及应用的工程技术人员提供参考。

创新应用型数字交互规划教材︱机械工程是围绕全国教育人才发展中长期规划（20102020年）中国制造2025制造业人才发展规划指南等纲领性文件，在上海市机械专业教学指导委员会和上海市机械工程学会先进制造技术专业委员会的牵头、指导下，由上海科学技术出版社组织国内高等院校及国内外大型名企共同编写而成的一套将数字资源与纸质书交互融合的本科教材。该套教材的出版，立足于满足经济发展方式转变、产业结构转型升级急需的智能制造业创新型、复合型人才的需求，有望在一定程度上推动高等教育多样化发展、优化专业和课程结构、提高专业课程设置与产业结构的匹配程度、提升学生的学习能力和创新能力。教材特色如下：

1.创新课程设置，优化实践环节。充分考虑国家对智能制造人才培养的政策和制度层面的要求，改进传统教科书内容陈旧、滞后于时代和行业发展的状况，植入企业的相关内容和案例，确保教材在内容上技术先进、工艺领先、案例新颖；并在每章开始增设与国际工程教育认证接轨的学习成果达成要求，进一步拓宽学生在专业学习领域的国际化视野。

2.创新编写模式，实现"产教研用"融合。由教指委、行业协会、名企、高校共同参与编写，充分发挥学科教学指导委员会和行业组织在教材建设中的作用，以企业需求为导向，内容技术互补、资源共享，突出专业和应用实践特色。

3.创新内容形式，优化教学方式。突破传统教材模式，依托增强现实（AR）技术，将智能制造仿真场景、实验实训操作视频、材料显微组织放大图片、智能机器人技术演示、国内外名企案例展示等多种数字资源与纸质产品交互，以直观、形象、标准、泛在（便取）的方式提供给学生，帮助学生提升学习兴趣，改进学习效果，促进学习方式的变革。

4.出版新媒体服务到位。数字交互资源可后台实时更新；教材免费提供电子课件，在我社官网浏览下载。

工业机器人的应用，就是要解决工业机器人与外围设备以及生产系统相集成的问题。为了帮助读者了解和初步掌握这一过程，本书包括工业机器人基础知识和工业机器人应用两部分内容。

第1章主要介绍工业机器人的组成、技术指标以及应用工业机器人解决工程实际问题所面临的基本任务。第2~5章属于机器人基础知识部分，其相关内容是研究机器人技术和应用工业机器人解决工程问题的基础。学习这些内容要求具备高等数学、线性代数、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计等课程的基础知识。

如何控制机器人末端执行器精确地完成装配、焊接、码垛、喷涂等作业？这可以通过机器人示教或者编程来精确控制工具坐标系相对于机器人基坐标系的位置和姿态变化来实现。机器人的连杆一般做空间运动，为了研究空间物体运动，引入了位姿矩阵，再引入能确定物体从一个位置和姿态到达另外一个位置和姿态的刚体运动（变换）矩阵，这是第2章首先要学习的内容。由于空间物体的运动可以在不同的坐标系中描述，需要引入坐标系变换，这实际上是线性代数中的基变换，其本质是矩阵运算，这些内容也将在第2章学习。该章还阐述了刚体变换矩阵左乘和右乘对应的刚体变换，从而为学习第3章机器人运动学方程奠定基础。

机器人是由一个个构件（连杆）通过关节连接起来而形成的一个运动链。在机器人的每个连杆上建立所谓的D-H坐标系，利用D-H矩阵描述相邻连杆之间的位置和姿态关系，之后把所有的D-H矩阵组合起来（位姿矩阵右乘），就得到机器人末端连杆相对于机器人基座的位置和姿态，这就是机器人运动学方程。这是本书第3章将要学习的内容，其本质是第2章内容刚体变换矩阵右乘的延伸和具体应用。利用机器人运动学方程，可以研究机器人的正向和逆向运动学问题。该章还将学习如何建立机器人末端执行器坐标系、机器人基坐标系、工作台坐标系（世界坐标系）和工件坐标系之间的准确关系。

第4章将学习机器人的逆向运动学问题，即在给定机器人末端执行器位姿的前提下，如何确定机器人每个关节的运动。

机器人工作时，末端执行器线速度和角速度与每个关节运动的关系就是机器人速度雅可比矩阵。另外，机器人末端的输出力与机器人每个关节输出力的关系就是力雅可比矩阵。这些内容将在第5章学习。当然，学习这些内容需要掌握高等数学中的导数、向量叉积、反对称矩阵以及矩阵导数的概念；同时，也需要掌握理论力学中的绝对运动、相对运动和牵连运动之间的关系。

工业机器人技术应用部分包括第6~10章。为了使工业机器人能够完成作业任务，需要对其进行运动规划，包括路径规划和运动轨迹规划，这是第6章需要学习的内容。如何让机器人实现既定的轨迹，这可以通过编程来完成，因此需要学习工业机器人的编程语言，这是第7章的学习内容，该章还介绍了市场上主流工业机器人的编程语言。

机器人要投入应用必须有末端执行器，即手爪，因此第8章将首先学习末端执行器的设计方法；此外，末端执行器的工作对象需要定位，为此需要设计工装和夹具，这也是第8章将要学习的内容。工业机器人要在现场得以应用，必须与相关的外围设备相集成，形成机器人工作站。如何配置机器人工作站，通过什么样的技术手段能够实现系统集成，这是第9章工业机器人系统集成将要学习的内容。机器人的典型应用案例将在第10章给出，作为本书相关内容的具体应用。

本书依托增强现实（AR）技术，将视频等数字资源与纸质教材交互，为读者和用户带来更丰富有效的阅读体验，具体使用方法参见目录前本书配套数字交互资源使用说明。另外，教材按其主要内容编制了各章课件，并为每章内容附学习延伸及文献导读，强化内容理解及拓展文献链接，以及为第6章式（6-41）（p131）提供相关计算结果，均在上海科学技术出版社网站（www.sstp.cn）课件/配套资源栏目公布，欢迎读者浏览、下载。

本书具体编写分工如下：第1~7章、第9章由上海应用技术大学荆学东编写；第8章由荆学东和上海师范大学王乐慧共同编写；第10章由库卡机器人(上海)有限公司于进杰、顾俊和林杨胜蓝共同编写。感谢库卡机器人(上海)有限公司为本书提供了机器人技术参数、工程案例和部分图片；感谢ABB(中国)有限公司上海分公司为本书提供机器人技术参数和部分图片。

本书可以作为高等院校机器人技术相关专业本科生和研究生的教材，也可为学习和掌握工业机器人技术及应用的工程技术人员提供参考。

编者

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