第4章 工業機器人操作臂系統設計的
數學與力學原理
4.1 工業機器人操作臂及其運動的數學與力學的抽象描述
4.1.1 工業機器人操作臂與作業對象構成的首尾相接的「閉鏈」系統
4.1.2 工業機器人操作臂作業「閉鏈」系統的數學與力學描述問題
4.2 工業機器人操作臂機構運動學
4.2.1 機構運動學
4.2.2 機構正運動學和逆運動學
4.3 工業機器人操作臂機構運動學問題描述的數學基礎
4.3.1 作為工業機器人操作臂構形比較基準的初始構形
4.3.2 末端操作器姿態的表示
4.3.3 座標系的表示與座標變換
4.3.4 正運動學
4.3.5 逆運動學
4.3.6 RPP 無偏置型3自由度機器人操作臂臂部機構運動學分析的解析幾何法
4.3.7 RPP 有偏置型3自由度機器人操作臂臂部機構（即PUMA臂部機構）運動學分析的解析幾何法
4.3.8 機器人操作臂的雅克比矩陣
4.4 工業機器人操作臂機構動力學問題描述的力學基礎
4.4.1 工業機器人操作臂運動參數與機械本體物理參數
4.4.2 什麼是動力學？
4.4.3 推導工業機器人操作臂微分運動方程的拉格朗日法
4.4.4 推導工業機器人操作臂微分運動方程的牛頓-歐拉法
4.5 工業機器人操作臂機構誤差分析與精度設計的數學基礎
4.5.1 機構誤差分析的數學基礎
4.5.2 機器人機構精度設計及測量
4.6 工業機器人操作臂控制系統設計的現代數學基礎
4.6.1 現代控制理論基礎
4.6.2 模糊理論與軟計算
4.6.3 神經網路基礎與強化學習
4.7 本章小結
參考文獻

第5章 工業機器人操作臂機械本體參數識别原理與實驗設計
5.1 平面內運動的2-DOF機器人操作臂的運動方程及其應用問題
5.1.1 由拉格朗日法得到的2-DOF機器人操作臂運動方程
5.1.2 機器人操作臂運動方程的用途
5.2 基底參數
5.3 參數識别的基本原理
5.3.1 逐次識别法
5.3.2 同時識别法
5.3.3 逐次識别法與同時識别法的優缺點討論
5.4 參數識别實驗前需考慮的實際問題
5.5 本章小結

第6章 工業機器人操作臂伺服驅動與控制系統設計及控制方法
6.1 工業機器人操作臂驅動與控制硬體系統構建
6.1.1 機器人系統體系結構設計需要考慮的問題
6.1.2 集中控制
6.1.3 分布式控制
6.2 位置/軌跡追蹤控制
6.2.1 機器人操作臂位置軌跡追蹤控制總論
6.2.2 PD回饋控制（即軌跡追蹤的靜態控制）
6.2.3 動態控制
6.2.4 前饋動態控制
6.2.5 前饋+PD回饋動態控制
6.2.6 計算力矩控制法
6.2.7 加速度分解控制
6.3 魯棒控制
6.4 自適應控制
6.5 力控制
6.5.1 機器人操作臂與環境構成的系統模型
6.5.2 基於位置控制的力/位控制器
6.5.3 基於力控制的力/位控制器
6.6 最優控制
6.7 主從控制
6.7.1 對稱型主從控制系統與控制器
6.7.2 力反射型主從控制系統與控制器
6.7.3 力歸還型主從控制系統與控制器
6.7.4 對稱型/力反射型/力歸還型三種雙向主從控制系統的統一表示
6.8 非基於模型的智慧控制方法
6.9 本章小結

第7章 工業機器人用移動平臺設計
7.1 工業機器人操作臂移動平臺的形式與要求
7.2 移動平臺小車的機構與結構設計
7.2.1 輪式移動機構與結構
7.2.2 履帶式移動機構與結構
7.2.3 腿式移動機構與結構
7.2.4 帶有操作臂的輪式移動機器人系統設計實例
7.2.5 搭載操作臂的履帶式移動機器人系統設計實例
7.2.6 輪腿式移動機器人系統設計實例
7.2.7 輪式-腿式-履帶式複合移動方式的輪-腿-履式移動機器人（wheelslegs-tracks hybrid locomotion robot）系統設計實例
7.3 搭載機器人操作臂的移動平臺穩定性設計理論
7.3.1 運動物體或系統的移動穩定性定義
7.3.2 物體或系統運動穩定性的力學基礎與穩定移動的控制原理
7.3.3 腿足式移動機器人的移動穩定性設計
7.3.4 輪式移動機構移動穩定性設計
7.3.5 搭載機器人操作臂的移動平臺的穩定性設計
7.3.6 關於移動機器人的穩定性問題的延伸討論
7.4 多移動方式機器人系統設計
7.4.1 具有多移動方式的類人及類人猿型機器人系統設計、模擬與實驗
7.4.2 非連續介質的擺盪渡越移動機構與大阻尼欠驅動控制系統設計和移動實驗
7.4.3 多移動方式移動機器人設計與研究的總結
7.5 本章小結
參考文獻

第8章 工業機器人末端操作器及其換接裝置設計
8.1 工業機器人操作臂末端操作器的種類與作業要求
8.1.1 焊接作業
8.1.2 噴漆作業
8.1.3 搬運作業
8.1.4 裝配作業
8.2 工業機器人用快速換接器（快換裝置）
8.2.1 機器人快換裝置的功能和技術指標
8.2.2 機器人快換裝置的定位原理
8.2.3 機器人快換裝置的夾緊原理
8.2.4 現有的機器人快換裝置
8.3 工業機器人操作臂末端操作器設計
8.3.1 單自由度開合手爪機構原理
8.3.2 多指手爪
8.3.3 柔順操作與裝配作業的末端操作器
8.4 人型多指靈巧手的設計
8.4.1 人型多指靈巧手的研究現狀及抓持能力
8.4.2 面向靈長類機器人的1∶1 比例多指靈巧手設計
8.5 本章小結
參考文獻

第9章 工業機器人系統設計的模擬設計與方法
9.1 工業機器人操作臂虛擬樣機設計與模擬的目的與意義
9.1.1 虛擬樣機設計與運動模擬
9.1.2 機器人虛擬樣機運動模擬的目的與實際意義
9.2 虛擬樣機設計與模擬分析工具軟體概論
9.2.1 現代機械系統設計及其模擬系統設計概論
9.2.2 軟體中虛擬「物理」環境與虛擬樣機機構模型的建立
9.3 虛擬樣機設計與模擬——用於機器人虛擬樣機技術的設計與分析型工具軟體及模型導入方法
9.3.1 虛擬樣機設計
9.3.2 虛擬感測器設計
9.3.3 虛擬樣機系統運動控制模擬——應用現代CAD 系統工具軟體進行機構運動控制的模擬模型建立
9.4 虛擬樣機模擬實例——工業機器人操作臂虛擬樣機運動樣本數據生成與運動模擬
9.4.1 機器人操作臂的機構運動模擬與分析步驟
9.4.2 編寫用於機器人操作臂機構模擬所需導入數據的機構運動學計算程式
9.4.3 運動學計算程式計算結果數據文件儲存
9.5 虛擬樣機模擬實例——用ADAMS 軟體進行機器人操作臂虛擬樣機設計與運動模擬的實例
9.5.1 機械系統的建模
9.5.2 機械系統的運動學、動力學模擬
9.5.3 關於機械系統的運動學、動力學模擬結果的分析和結論
9.6 本章小結
參考文獻

第10章 面向操作與移動作業的工業機器人系統設計與應用實例
10.1 AGV臺車
10.1.1 AGV的種類
10.1.2 AGV的典型導引方式
10.1.3 AGV的移動方式與裝卸載方式
10.1.4 AGV自動搬運系統的組成
10.1.5 AGV的應用
10.2 KUKA youBot
10.3 操作人員導引的操作臂柔順控制原理與控制系統設計
10.3.1 由作業人員導引操縱的機器人操作臂Cobot 7A-15
10.3.2 操作人員導引機器人進行零件打磨力/位混合柔順控制的系統設計與問題剖析
10.4 工業機器人操作臂圓-長方孔形零件裝配系統設計及其力/位混合控制
10.4.1 關於應用於生產過程中的實際機器人裝配系統設計問題的總體認識
10.4.2 圓柱形軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計
10.4.3 方形軸孔類零件的裝配理論研究
10.4.4 複雜軸孔類零件裝配問題
10.4.5 圓柱形-長方形複合型軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計
10.5 工業機器人操作臂模塊化組合式設計方法與實例
10.5.1 關於模塊化組合式設計
10.5.2 機器人操作臂的模塊化組合式設計的意義與研究現狀
10.5.3 機器人操作臂的模塊化組合式設計的主要內容
10.5.4 機器人操作臂模塊的結構設計及數據庫的建立
10.5.5 機器人操作臂模塊的模塊化組合方法
10.5.6 基於模塊庫和最小單元庫的機械臂動力學建模方法
10.5.7 組合式最佳化設計方法
10.5.8 六自由度機械臂的組合式最佳化設計計算與模擬
10.5.9 三自由度機械臂的組合式最佳化設計與寫字實驗
10.6 多臺工業機器人操作臂系統在汽車衝壓件生產線上的應用設計與實例
10.6.1 汽車薄板衝壓成形件的衝壓工藝
10.6.2 汽車衝壓件生產線多工序坯/件運送多機器人操作臂系統方案設計實例
10.7 本章小結
參考文獻

第11章 現代工業機器人系統設計總論與展望
11.1 現代工業機器人特點與分析
11.2 面向操作與移動作業的智慧化工業機器人設計問題與方法
11.2.1 工業機器人操作性能的在線作業綜合評價與管理控制機製問題
11.2.2 力-力矩感測器設計與使用時面臨的實際問題
11.2.3 工業機器人的「通用化」「智慧化」與機器人應用系統集成方案設計工具軟體研發的價值
11.2.4 靈巧操作手的實用化設計觀點與方法論
11.2.5 約束作業空間下力/位混合控制作業的「位置」精度與「力」精度的矛盾對立統一問題
11.3 機器人操作臂新概念與智慧機械
11.3.1 由模塊化單元構築可變機械系統的新概念新思想
11.3.2 「智慧機械」系統的自裝配、自重構、自修復概念
11.3.3 自重構可變機械的單元
11.3.4 集成化的自重構模塊M-TRAN及自重構機器人可變形態
11.3.5 關於自裝配、自重構、自修復可變機械系統問題及本節小結
11.4 自裝配、自重構和自修復概念將引發未來工業機器人產業技術展望
11.5 本章小結
參考文獻
附錄

 

序

　　1. 不斷向縱深和拓寬發展的全球機器人技術創新時代

　　1940年代誕生的工業機器人技術至今已經70餘年了，一部工業機器人科學技術與產業的發展史也就是海內外廣大機器人科學技術工作者們的智慧結晶。其中蘊涵了諸多的新概念、新思想、新方法與新技術和新產品。從最早的工業機器人操作臂到工業自動化生產線上線下的工業機器人，從單臺機器人到多機器人協調和群體機器人，從電腦程式控制到網路控制，從集中控制到分布式控制，從工業自動化/半自動化到智慧控制以及人工智慧，從單一移動方式到多移動方式，從總操作到微操作，從電腦控制到人機介面，從手工設計到大型廣義CAD（電腦輔助設計與分析）工具軟體的半自動化/自動化/智慧設計再到現在的大數據與深度學習，從作業環境相對固定到非結構化不確定環境，從自動化智慧化工廠到構建機器人城市計劃等，工業機器人系統與技術、產業化發展已經發生了翻天覆地的變化，機器人創新層出不窮，機器人學與機器人技術尖端的研究者不斷拓寬機器人作業的環境適應性，並致力於對非結構化環境及作業適應能力的強魯棒性和強有效性的「機器智慧」（智慧機器）研究。

　　另一方面，以工業機器人操作臂技術為主流的傳統機器人技術產業化與普及應用之路在1980年代已在發達國家走完，自1990年代智慧機器人技術研發開始進入機器人領域主戰場，工業機器人技術與智慧控制技術相結合併走向應用。1990年代自治、自律、自重構、自裝配、自修復等智慧機械新概念、新設計和新方法迸發出來，自動導引車（AGV）已在工業自動化工廠中進行了移動平臺產品化並取得應用；輪式移動、履帶式移動乃至腿式移動機器人開始在工業生產中逐步登堂入室。除一般工業生產場合與環境外，航空航天、核設施工業等環境下的工業機器人也不僅僅是機器人操作臂，人型上身+輪式移動平臺乃至人型機器人已經成為NASA空間站自動化無人化作業下應用目標。一切跡象表明，工業機器人已經從當初單純模人型類手臂代替工人進行操作的傳統工業機器人邁向以「操作」和「移動」兩大主題下的現代工業機器人技術以及產業化應用。在中國中長期發展綱要以及中國製造2025等策略性科技產業發展規劃中，將工業機器人定位為重要技術性產業，並且大力倡導發展現代工業機器人技術、人工智慧技術和自主創新創業。在這種倡導原創和全球競相創新的時代大背景下，重新梳理和看待傳統與現代工業機器人技術與創新設計具有重要的理論意義與現實意義。

　　2. 本書的結構、主要內容與寫法

　　1）大篇幅寬跨度的綜述涵蓋了「操作」和「移動」兩大主題概念下工業機器人發展歷程中原創性的新概念、新設計、新方法和新技術，客觀提出作者自己的觀點和看法第1章對「操作」和「移動」兩大主題概念下現代工業機器人系統進行了總論，首先給出了機器人、工業機器人的基本概念，然後全面綜述分析了自1940年代工業機器人誕生以來機器人操作臂發展簡史及其分類與應用、地面移動機器人平臺發展與現狀、移動機器人總論、末端操作器相關、移動平臺搭載機器人操作臂的工業機器人發展、關於工業機器人技術與應用方面人才與工業基礎等現狀，其中結合具有代表性的工業機器人新概念、新設計、新技術方面的文獻進行論述，給出了筆者對工業機器人的分類、歸納與總結，闡述了筆者綜述與分析的觀點、看法。對於從整體上回顧工業機器人發展的歷史與現狀也具有重要意義。

　　2）非本書作者研究的原創性研究文獻篩選原則與引用

　　本書中選擇了大量原創性的文獻並給出對這些研究的評述，對於讀者分辨、界定其他相關研究的創新性及創新程度也大有幫助。另外，本書引用並概括介紹這些代表性文獻中主要研究內容的基本概念、基本思想、基本原理與主要技術，並力求闡明原理和方法，對於讀者學習、掌握這些研究的主要內容大有幫助。

　　3）本書內容布局以及作者的論述與原創性研究內容

　　傳統工業機器人系統的總體構成、機械傳動系統、驅動和控制系統、感測系統以及各系統相關的基礎元部件與技術，運動學、動力學、基於模型的控制理論與方法等，基本上屬於1980～1990年代已經成熟的理論、方法與技術。本書第2章用相當篇幅以盡可能簡單明瞭、通俗易懂的原則進行了較為全面的闡述與論述，第2章～第4章中包括了筆者歸納、整理給出的機器人機構設計、運動學、動力學、現代控制系統設計基礎、機器人控制總論、操作臂系統設計的數學與力學原理、機器人機構創新的拓撲演化方法、全方位無奇異多自由度關節機構創新設計與樣機研製技術、機器人用諧波齒輪傳動（異速器）新設計新工藝與研製和實驗、冗餘自由度操作臂串並聯新機構、工業機器人結構設計、機構運動簡圖和機器人操作臂各部分機械設計裝配結構圖例等。作者還對工業機器人系統設計中的設計方法、問題以及技術進行了系統的歸納整理與論述；第4章對以模糊邏輯、模糊控制、人工神經網路、CMAC、強化學習等為代表的智慧運動控制理論與方法進行了系統地論述。針對基於模型的控制系統設計所需的逆動力學計算問題，第5章給出了機器人參數識别的概念、原理、算法與實驗設計。

　　第6章中筆者詳細論述了工業機器人系統體系結構設計需要考慮的問題，集中控制、分布式控制系統的原理與方法，以及單臺機器人控制、多機器人網路控制方法、機器人操作臂軌跡追蹤控制總論、基於模型的各種控制原理與方法、控制律等。這些基於模型的控制方法包括PD控制、前饋控制、前饋+PD回饋控制、加速度分解控制、計算力矩法等軌跡追蹤控制法、魯棒控制、自適應控制、力控制、最優控制、主從控制等。

　　在第7章，筆者經歸納整理給出了各種車輪、輪式移動機器人的機構原理、機構運動簡圖以及特點說明並匯總成表；對履帶式移動機構及履帶式移動機器人機構與結構進行了歸納整理、分類。作者進一步從文獻中篩選出具有新概念新設計特點的代表性移動機器人案例，分别對輪式、腿式、履帶式單獨移動方式和複合移動方式的先進機器人系統設計案例進行了論述。

　　第7章還有一項重要的內容就是筆者將常用於雙足步行機器人穩定步行控制系統設計準則的ZMP（零力矩點準則）統一推廣到各種移動機器人的動態穩定性設計，並分别論述了雙足、四足以及更多腿/足式移動機器人、輪式移動機器人等穩定移動的力反射控制系統設計方法以及原理。該章也包括筆者原創性提出並進行研究的人型及類人猿等靈長類的多移動方式機器人系統的總體概念設計以及系統設計與實現，以及所提出的攀爬桁架類多移動方式非連續介質移動機器人、大阻尼欠驅動概念與擺盪抓桿連續移動控制方法。最後給出了雙足、四足、輪式移動、移動方式轉換、擺盪抓桿移動等多移動方式移動機器人進一步研究的問題點以及研究方法。

　　第8章主要講述了機器人操作臂末端操作器以及末端操作器快換裝置（轉接器）的機構原理與結構設計，以及筆者創新設計的人型多指靈巧手集成化設計單元臂手實例，進一步討論了研發大負載能力與操作能力的人型多指靈巧手的技術問題所在。本章就力位混合柔順控制所用的末端操作器以及相應裝置，還給出了基於彈性鉸鏈原理的微驅動柔順機構，以及宏動的RCC被動柔順手腕原理和主被動柔順手腕機構原理。筆者還給出了一種基於彈性鉸鏈機構的三自由度平面並聯微驅動機構。這一章內容對於從事包括多指靈巧手在內的機器人操作臂末端操作器設計以及工具轉接器選用與研發的技術人員具有一定的實際參考價值。

　　第9章主要論述了利用現代機械設計理論與方法全方位輔助工業機器人系統設計的具體設計方法。首先論述了傳統機械系統設計與現代機械系統設計方法的區别與流程，提出了現代機械系統設計與分析和控制系統綜合設計的觀點和方法。匯總給出了利用Adams、DADS、Pro/E、Solid-Works、Matlab/Simulink等現代設計與分析型軟體進行機械系統設計、控制系統設計以及兩者聯合模擬設計與分析的具體方法。最後，給出了一個3-DOF關節型機器人操作臂的虛擬樣機設計與運動模擬、結果分析完整實例供參考。

　　第10章為筆者對於面向操作與移動的工業機器人系統設計的論述與實例。首先剖析了操作人員導引操縱機器人操作臂的柔順控制技術，論述並提出了技術熟練工人或技師導引機器人操作臂柔順作業的柔順控制系統設計方法以及力/位混合控制的原理、導引操縱機構原理及其裝置自學習系統等創新性設計結果。本章還給出了筆者關於圓-長方複合軸孔類零件機器人裝配技術的理論與模擬部分的原創性研究內容，以及機器人操作臂模塊化組合最佳化設計方法與設計實例的創新性設計研究成果。本章為工業機器人系統的設計與模擬分析、複合孔軸類零件的機器人裝配技術、技術熟練操作者導引機器人操作臂作業的力位混合柔順控制系統設計與技術提供了重要的設計方法、理論與技術基礎。

　　第11章作為本書最後一章，筆者總論了現代工業機器人的系統設計問題，並對其發展進行了展望。在現代工業機器人特點分析基礎上，提出並論述了面向操作與移動作業智慧化的工業機器人系統設計問題與方法；重點闡述了現有六維力/力矩感測器產品面向移動機器人應用的問題與局限性；給出了筆者研究的新型安全性兼有過載保護功能的無耦合六維力/力矩感測器設計方案。筆者在本章中還提出並論述了工業機器人應用系統集成化方案設計通用大型工具軟體設計的總體方案、基本構成與研發的意義；本章還闡述了力、位混合控制的矛盾對立統一問題；論述了自重構、自修復和自裝配等新概念下的機械智慧技術實現問題。

　　3. 關於工業機器人系統設計的側重點與目的

　　本書中並未給出更多的機構參數、機械結構強度、剛度計算等通常工程設計類計算內容。本書的側重點與著眼點在於寫出工業機器人系統設計中的創新性概念、思維與設計方法，除了筆者歸納總結以及論述中明確給出的有關這些內容之外，更多地包含在一些有原創性、代表性和理論與實際意義的機器人系統設計實例中。由於現代工程設計與分析型大型廣義CAD軟體的普及應用，需要設計者自己進行設計計算的工作漸少，靜力學、動力學分析、強度計算、剛度計算以及系統振動等計算與分析工作絕大多數可以交由類似於ADAMS、Pro/E、SolidWorks、ANSYS以及多物理場分析軟體來解決。

　　4. 關於本書讀者對象與閱讀建議

　　本書適合於機器人相關研究方向的大學高年級生、碩士研究生、博士研究生以及從事機器人創新設計與研發的研究人員、高級工程技術人員閱讀。第1章建議讀者通讀，有助於深刻了解和掌握以操作和移動兩大主題作業下的各類機器人的創新設計與研究的現狀。本書前半部分歸納和總結的傳統、現代工業機器人系統設計基礎知識以及相關的論述與創新設計，適合於機械類大學高年級學生、研究生以及機器人技術研發類工程設計人員閱讀，資深機器人技術人員可跳過第2章~第6章中部分機器人技術基礎內容。由於筆者水準和能力有限，加之工業機器人文獻浩如煙海，難免有所遺漏和偏頗之處，還望同行專家學者不吝指教，疑義相與析。