本書分上下兩冊，從工程設計角度出發，上冊詳細梳理和論述了操作與移動兩大主題概念下的現代工業機器人系統總論，工業機器人操作臂系統設計基礎、工業機器人操作臂機械系統機構設計與結構設計；下冊詳細梳理和論述了工業機器人操作臂系統設計的數學與力學原理、工業機器人操作臂機械本體參數識别原理與實驗設計、工業機器人操作臂驅動與控制系統設計及控制方法、工業機器人用移動平臺設計、工業機器人末端操作器與及其換接裝置設計、工業機器人系統設計的模擬方法、面向操作與移動作業的工業機器人系統設計與應用實例、現代工業機器人系統設計總論與展望等內容。
本書為上冊內容。
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。
具体描述
机械动力学基础：原理、建模与仿真 图书简介 本书深入探讨了机械动力学领域的核心理论与应用，旨在为工程技术人员、研究人员和高年级本科生提供一套全面、严谨且实用的知识体系。本书侧重于建立精确的数学模型，并利用现代计算工具对复杂机械系统的动态行为进行深入分析与预测。内容覆盖从基本的刚体动力学到复杂多体系统、柔性体动力学的关键概念与方法。 第一部分：基础理论与刚体动力学 本书的第一部分聚焦于机械动力学的基本数学工具与核心原理。我们将从经典力学的基础出发，回顾描述物体运动的必要数学框架，包括矢量代数、张量基础以及微分方程求解的基本方法。 1.1 运动学基础与坐标变换： 详细介绍空间运动的描述方法，包括欧拉角、四元数和旋转矩阵等描述刚体姿态的关键工具。重点阐述不同坐标系之间的精确转换，以及如何处理运动学约束。 1.2 刚体力学与约束： 阐述达朗贝尔原理在机械系统分析中的应用。深入讨论不同类型的运动学约束（如旋转副、移动副）如何通过拉格朗日乘子法或虚拟功原理引入到动力学方程中。 1.3 牛顿-欧拉法与拉格朗日方程： 详细推导应用于串联和并联机构的刚体动力学方程。牛顿-欧拉方法侧重于力和力矩的平衡，适用于直接建模；拉格朗日方法则从能量角度出发，自动处理约束力，更适用于复杂机构的简化建模。对比两种方法的适用场景与计算效率。 1.4 机械系统的振动分析： 引入单自由度与多自由度系统的自由振动与强迫振动分析。重点讨论特征值问题（固有频率与模态向量的求解），以及如何利用模态分析预测系统在周期性载荷下的响应，包括共振现象的识别与避免。 第二部分：多体系统动力学与高级建模技术 随着机械系统复杂度的增加，传统的单体分析方法已不能满足要求。第二部分将视角转向由多个相互连接的刚体构成的复杂系统，并引入数值计算的实用技巧。 2.1 坐标选择与系统方程的建立： 探讨广义坐标的选择策略，包括使用绝对坐标、相对坐标和混合坐标系统。着重介绍利用系统集成方法（如稳定嵌入法或符号微分法）自动生成运动微分方程组，这是进行数值仿真的前置步骤。 2.2 机械系统的控制与驱动建模： 机械系统的动态行为往往受控制策略影响。本章详细讨论如何将执行器（如电机、液压缸）的模型、反馈控制器（PID、滑模控制等）的离散化模型集成到刚体动力学方程中，形成闭环仿真模型。探讨驱动系统的饱和、摩擦、间隙等非线性因素对系统整体动态性能的影响。 2.3 柔性体动力学导论： 真实世界的机械部件具有弹性形变。本书将柔性体动力学视为刚体动力学的自然延伸。介绍模态叠加法（Craig-Bampton公式等）在处理柔性部件时的应用，如何通过有限元分析提取模态参数，并将其并入到整个系统的多体动力学框架中。讨论柔性对控制精度和振动特性的影响。 2.4 数值积分方法与仿真实现： 动力学方程通常为一组强耦合的常微分方程（ODE）。本章详细比较了龙格-库塔法（Runge-Kutta）、广义-$alpha$法和广义速度法的数值稳定性、精度和计算成本。提供使用标准数值库（如MATLAB/Simulink或特定多体动力学软件接口）实现高保真仿真的实践指导。 第三部分：高级应用与专题研究 第三部分将前两部分建立的理论应用于解决实际工程中的复杂问题，并探讨前沿的研究方向。 3.1 机构的运动学与动力学综合分析： 针对特定类型的机构（如高速凸轮机构、复杂曲柄摇杆机构、并联机构），进行详细的运动学逆解、轨迹规划，并分析其在高速运行中产生的惯性力、冲击载荷及其对结构强度的影响。 3.2 摩擦、碰撞与冲击动力学： 摩擦力是机械系统中最常见且难以精确建模的非保守力。深入分析库仑摩擦模型及其在运动切换点处的奇异性处理。详细阐述碰撞检测、恢复系数的应用，以及如何使用非光滑动力学方法处理周期性的冲击事件。 3.3 机械系统的参数辨识与优化： 实际系统的模型参数（如质量、转动惯量、阻尼系数）往往与理论值存在偏差。本章介绍如何通过实验数据对动力学模型进行参数辨识。同时，讨论基于动态性能指标（如最小能耗、最小振动幅度）的结构参数优化方法。 3.4 实时仿真与硬件在环（HIL）测试： 针对需要快速响应的系统（如伺服控制系统），介绍如何将动力学模型转化为可实时运行的代码，用于硬件在环测试平台，验证控制器逻辑的鲁棒性与性能。 目标读者与特色： 本书结构清晰，理论推导严谨，同时注重工程实践。通过大量的具体算例和案例分析，读者将能够掌握如何从零开始建立复杂机械系统的精确数学模型，并利用现代计算工具对其动态行为进行预测和优化。本书特别适合从事高端装备研发、自动化机械设计以及需要深入理解运动系统内在规律的工程师和研究人员。
著者信息
图书目录
第1章 操作與移動兩大主題概念下的現代工業機器人系統總論
1.1 機器人概念與工業機器人發展簡史
1.2 什麼是工業機器人？
1.3 機器人操作臂簡史及其分類與應用
1.3.1 工業機器人操作臂是機器人概念的最早技術實現和產業應用
1.3.2 傳統工業機器人操作臂和冗餘、超冗餘自由度機器人操作臂
1.3.3 機器人操作臂的分類、用途及特點
1.3.4 機器人操作臂固定安裝需考慮的問題及安裝使用的三種形式
1.4 地面移動機器人平臺的發展與現狀
1.4.1 有關動物、物體的「移動」概念與移動方式
1.4.2 工業機器人移動平臺的主要移動方式和移動機器人
1.4.3 移動機器人總論
1.5 末端操作器相關
1.6 移動平臺搭載操作臂的工業機器人發展
1.6.1 腿式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.2 輪式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.3 履帶式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.4 移動平臺搭載操作臂的工業機器人應用與技術發展總結
1.7 關於工業機器人技術與應用方面人才與工業基礎
1.7.1 從事工業機器人系統設計所需的知識結構
1.7.2 從事工業機器人系統設計與研發應具備的專業素養
1.7.3 工業機器人產業化與創新研發所需的工業基礎
1.8 工業機器人種類與應用領域概覽
1.9 本書內容構成設計思路、結構以及相關說明
參考文獻
第2章 工業機器人操作臂系統設計基礎
2.1 工業機器人操作臂的組成與用途
2.1.1 工業機器人操作臂的用途與作業形式
2.1.2 工業機器人操作臂系統組成
2.2 工業機器人操作臂機構形式
2.2.1 工業機器人操作臂機構構型與分類
2.2.2 工業機器人操作臂中常用的機構構型
2.2.3 人型手臂機構構型
2.2.4 冗餘、超冗餘自由度機器人操作臂機構構型
2.3 工業機器人操作臂的設計要求與特點
2.3.1 工業機器人操作臂的基本參數和特性
2.3.2 工業機器人操作臂產品基本規格參數及性能指標實例
2.3.3 工業機器人操作臂的設計過程及內容
2.3.4 工業機器人操作臂機械系統設計中需要考慮和解決的問題
2.4 工業機器人操作臂的機械傳動系統設計基礎
2.4.1 工業機器人操作臂常用的機械傳動形式
2.4.2 齒輪傳動在機器人關節機械傳動系統中的應用及問題解決方法
2.4.3 精密滾珠螺桿傳動在機器人中的應用及問題解決方法
2.4.4 用於工業機器人操作臂的關節支撑形式與薄壁滾動軸承
2.4.5 機器人用諧波齒輪傳動及其創新設計
2.4.6 工業機器人用RV 擺線針輪傳動及其異速器結構與應用
2.4.7 同步齒形帶傳動
2.4.8 精密機械傳動裝置（異速器）在機器人中的應用實例
2.5 伺服驅動系統設計基礎
2.5.1 電動驅動
2.5.2 液壓伺服驅動系統基本原理與選型設計
2.5.3 氣動伺服驅動系統基本原理與選型設計
2.6 控制系統設計基礎
2.6.1 控制系統基本原理與組成
2.6.2 控制系統的硬體系統
2.6.3 控制系統的軟體系統
2.7 感測技術基礎與常用感測器
2.7.1 工業機器人感測系統概述
2.7.2 位置/速度感測器及其應用基礎
2.7.3 力/力矩感測器及其應用基礎
2.7.4 視覺感測器及其應用基礎
2.7.5 雷射感測器及其應用基礎
2.7.6 姿態感測器及其應用基礎
2.8 本章小結
參考文獻
第3章 工業機器人操作臂機械系統機構設計與結構設計
3.1 典型工業機器人操作臂機構構型及關節驅動形式
3.1.1 工業機器人操作臂關節驅動形式
3.1.2 工業機器人操作臂的腕關節驅動形式
3.2 工業機器人操作臂的機械結構設計
3.2.1 MOTOMAN K系列機器人操作臂機械結構設計
3.2.2 PUMA系列機器人操作臂機械結構設計
3.2.3 SCARA類型機器人操作臂機械結構設計
3.3 多自由度無奇異全方位關節機構創新設計與新型機器人操作臂設計
3.3.1 單萬向鉸鏈機構原理
3.3.2 雙萬向鉸鏈機構等速傳動原理
3.3.3 機構拓撲變換演化
3.3.4 萬向鉸鏈機構的拓撲變換演化及其組合機構
3.3.5 新型4自由度無奇異並/串聯式全方位關節機構的機械設計及研製的原型樣機與實驗
3.3.6 全方位關節機構設計與研究的總結
3.4 工業機器人操作臂的機構設計與機械結構設計中需要考慮和注意的問題
3.4.1 工業機器人操作臂機構構型設計問題
3.4.2 工業機器人操作臂機械結構設計問題
3.5 工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計
3.5.1 工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計問題
3.5.2 機構參數與工作空間
3.5.3 機器人機構操作性能準則與靈活性測度
3.5.4 6自由度以內工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計
3.5.5 冗餘自由度機器人操作臂機構參數的最佳化設計
3.6 本章小結
參考文獻
1.1 機器人概念與工業機器人發展簡史
1.2 什麼是工業機器人？
1.3 機器人操作臂簡史及其分類與應用
1.3.1 工業機器人操作臂是機器人概念的最早技術實現和產業應用
1.3.2 傳統工業機器人操作臂和冗餘、超冗餘自由度機器人操作臂
1.3.3 機器人操作臂的分類、用途及特點
1.3.4 機器人操作臂固定安裝需考慮的問題及安裝使用的三種形式
1.4 地面移動機器人平臺的發展與現狀
1.4.1 有關動物、物體的「移動」概念與移動方式
1.4.2 工業機器人移動平臺的主要移動方式和移動機器人
1.4.3 移動機器人總論
1.5 末端操作器相關
1.6 移動平臺搭載操作臂的工業機器人發展
1.6.1 腿式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.2 輪式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.3 履帶式移動機器人與操作臂一體的機器人
1.6.4 移動平臺搭載操作臂的工業機器人應用與技術發展總結
1.7 關於工業機器人技術與應用方面人才與工業基礎
1.7.1 從事工業機器人系統設計所需的知識結構
1.7.2 從事工業機器人系統設計與研發應具備的專業素養
1.7.3 工業機器人產業化與創新研發所需的工業基礎
1.8 工業機器人種類與應用領域概覽
1.9 本書內容構成設計思路、結構以及相關說明
參考文獻
第2章 工業機器人操作臂系統設計基礎
2.1 工業機器人操作臂的組成與用途
2.1.1 工業機器人操作臂的用途與作業形式
2.1.2 工業機器人操作臂系統組成
2.2 工業機器人操作臂機構形式
2.2.1 工業機器人操作臂機構構型與分類
2.2.2 工業機器人操作臂中常用的機構構型
2.2.3 人型手臂機構構型
2.2.4 冗餘、超冗餘自由度機器人操作臂機構構型
2.3 工業機器人操作臂的設計要求與特點
2.3.1 工業機器人操作臂的基本參數和特性
2.3.2 工業機器人操作臂產品基本規格參數及性能指標實例
2.3.3 工業機器人操作臂的設計過程及內容
2.3.4 工業機器人操作臂機械系統設計中需要考慮和解決的問題
2.4 工業機器人操作臂的機械傳動系統設計基礎
2.4.1 工業機器人操作臂常用的機械傳動形式
2.4.2 齒輪傳動在機器人關節機械傳動系統中的應用及問題解決方法
2.4.3 精密滾珠螺桿傳動在機器人中的應用及問題解決方法
2.4.4 用於工業機器人操作臂的關節支撑形式與薄壁滾動軸承
2.4.5 機器人用諧波齒輪傳動及其創新設計
2.4.6 工業機器人用RV 擺線針輪傳動及其異速器結構與應用
2.4.7 同步齒形帶傳動
2.4.8 精密機械傳動裝置（異速器）在機器人中的應用實例
2.5 伺服驅動系統設計基礎
2.5.1 電動驅動
2.5.2 液壓伺服驅動系統基本原理與選型設計
2.5.3 氣動伺服驅動系統基本原理與選型設計
2.6 控制系統設計基礎
2.6.1 控制系統基本原理與組成
2.6.2 控制系統的硬體系統
2.6.3 控制系統的軟體系統
2.7 感測技術基礎與常用感測器
2.7.1 工業機器人感測系統概述
2.7.2 位置/速度感測器及其應用基礎
2.7.3 力/力矩感測器及其應用基礎
2.7.4 視覺感測器及其應用基礎
2.7.5 雷射感測器及其應用基礎
2.7.6 姿態感測器及其應用基礎
2.8 本章小結
參考文獻
第3章 工業機器人操作臂機械系統機構設計與結構設計
3.1 典型工業機器人操作臂機構構型及關節驅動形式
3.1.1 工業機器人操作臂關節驅動形式
3.1.2 工業機器人操作臂的腕關節驅動形式
3.2 工業機器人操作臂的機械結構設計
3.2.1 MOTOMAN K系列機器人操作臂機械結構設計
3.2.2 PUMA系列機器人操作臂機械結構設計
3.2.3 SCARA類型機器人操作臂機械結構設計
3.3 多自由度無奇異全方位關節機構創新設計與新型機器人操作臂設計
3.3.1 單萬向鉸鏈機構原理
3.3.2 雙萬向鉸鏈機構等速傳動原理
3.3.3 機構拓撲變換演化
3.3.4 萬向鉸鏈機構的拓撲變換演化及其組合機構
3.3.5 新型4自由度無奇異並/串聯式全方位關節機構的機械設計及研製的原型樣機與實驗
3.3.6 全方位關節機構設計與研究的總結
3.4 工業機器人操作臂的機構設計與機械結構設計中需要考慮和注意的問題
3.4.1 工業機器人操作臂機構構型設計問題
3.4.2 工業機器人操作臂機械結構設計問題
3.5 工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計
3.5.1 工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計問題
3.5.2 機構參數與工作空間
3.5.3 機器人機構操作性能準則與靈活性測度
3.5.4 6自由度以內工業機器人操作臂的機構參數最佳化設計
3.5.5 冗餘自由度機器人操作臂機構參數的最佳化設計
3.6 本章小結
參考文獻
图书序言
- ISBN：9786263321922
- 規格：平裝 / 520頁 / 17 x 23 x 2.6 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
- 出版地：台灣
- 本書分類：專業/教科書/政府出版品> 工程類> 機械工程
图书试读
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。
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。
吳偉國 教授/博士生導師
用户评价
评分
老實講，台灣的製造業正在經歷一波轉型，很多傳統工廠老闆都意識到，再不導入自動化就要被淘汰了，但他們的痛點往往不是缺錢，而是缺「對的人」和「對的知識架構」。我看過一些業界前輩寫的書，內容偏向「操作手冊」，教你怎麼按鈕、怎麼設定參數，但對於「為什麼要這樣設定」、「如果參數錯了怎麼從根本上去除錯」，卻著墨甚少。這本《工業機器人系統設計》如果能做到「授人以漁」的效果，那就太棒了。我希望它能像一本結構嚴謹的教科書，從底層的感測器（例如視覺系統的標定、力矩感測器的資料前處理）開始講起，逐步建立起一個完整的控制層級架構。尤其在通訊介面這一塊，現在不只是傳統的DeviceNet或EtherCAT，很多雲端監測和邊緣運算的需求也開始導入，如果書中能討論如何設計一個兼顧即時性和資料豐富性的通訊架構，讓 MES 系統可以順暢地抓取機器人狀態，那就更符合我們當前對智慧工廠的需求了。
评分最近我一直在研究如何優化現有的搬運機器人路徑規劃，老實說，光是理解各種運動學模型（正向、逆向）的數學推導，就已經夠我頭痛好一陣子了。網路上討論的社群往往都是碎片化的資訊，你很難找到一本能把「理論基礎」和「實際應用案例」串聯起來的教材。我手上有一本多年前的版本，它對李群、歐拉角轉換的解釋雖然嚴謹，但對於現代工業界廣泛使用的五軸或六軸機械手，在處理奇異點（Singularity）時的實戰解法就顯得有點蜻蜓點水了。我期望一本好的「系統設計」書籍，能夠在這一塊下重筆，例如，如何利用優化演算法在限定時間內找到最佳路徑，同時避開工作區內的障礙物，並且保證末端執行器的速度和加速度曲線是平順的，這樣機器人才不會因為過大的衝擊而損耗壽命。尤其在高速搬運的場景，振動控制是個關鍵中的關鍵，如果書裡能提供一些實際的PID或更進階的狀態空間控制在機器人控制迴路中的應用範例，那對我來說價值絕對是數倍提升。畢竟，理論再美，不如實作跑起來穩定可靠來得實在。
评分近來我發現，很多工程師在設計初期，常常會低估「除錯」和「故障診斷」所需要投入的時間成本。這部分往往是教科書最容易忽略的「黑盒子」。一本優秀的系統設計書籍，不應該只教你如何讓系統「跑起來」，更要教你如何讓它「跑得長久、出錯時能快速恢復」。我希望這本上冊在討論規劃章節時，能夠融入「FMEA」（失效模式與效應分析）的思維。例如，當某個軸的編碼器訊號短暫丟失時，系統應該採取何種安全機制？或者，當力覺回饋超過預設的安全閾值時，控制系統如何平滑地將負載轉移到備用結構，而不是直接硬性停止造成設備損壞？這種預見性和保護性設計，才是真正體現「資深設計師」與「新手操作員」之間差異的關鍵。如果書中能提供一些實際的錯誤碼分析與對應的硬體與軟體層級的解決方案，那對於整個產業的穩定性提升，絕對有莫大的助益。
评分哇，這本《**工業機器人系統設計（上冊）**》光看書名就覺得頭很大，不過說真的，對於我們這些在產業界摸爬滾打的人來說，這簡直就是一本及時雨啊！最近我們公司接了一個大案子，需要導入更精密的自動化產線，從機械手臂的選型、到後端的控制邏輯，每個環節都馬虎不得。我手邊剛好翻到一本同樣主題的書籍，雖然不是這一本，但光是書名給我的那種專業感和深度，就讓我覺得台灣的技師們在做學術整合上真的下了不少功夫。市面上很多書都是偏理論，或者只講單一的軟體操作，但要做到「系統設計」，那牽涉到的跨領域知識就非常廣泛了，從機構學、電力電子學，到即時通訊協定，每一個部分都需要有紮實的基礎。我記得我以前讀過的某本類似的書，它在處理「安全標準與人機協同」的部分寫得相當保守，對於最新的 ISO/TS 15066 規範著墨不多，讓我總覺得在實務應用上總有點跟不上時代的脈動。希望這本上冊能更深入探討如何在一開始規劃階段，就能將未來擴展性和維護性考慮進去，畢竟工廠裡最怕的就是「裝上去跑不久，改動起來像拆骨頭」的設計，那才是真正燒錢的地方。對於正在努力升級自己技術實力的工程師來說，一本好的參考書，絕對是讓自己站穩腳跟的關鍵。
评分對於我這種在系統整合領域打滾了十幾年的老鳥來說，看書最怕的就是遇到那種「過時」的內容，或者只專注在某個單一廠牌（例如ABB、FANUC）的專有語法，而無法推廣到通用設計的書籍。我手上有一本關於機器人視覺的專書，它花了很多篇幅介紹特定的雙目相機標定流程，結果等到我實際要導入另一家廠商的雷射掃描器時，才發現很多概念需要重新消化和轉換。好的「系統設計」書籍，應該著重在那些不隨硬體更迭而改變的「核心原理」，像是如何建立一個穩健的坐標轉換矩陣（Transformation Matrix）系統，以及如何用統一的數學模型來描述所有笛卡爾空間與關節空間的運動。如果這本上冊能提供一個清晰的模組化設計思維，讓讀者理解如何針對不同的任務需求（例如精確定位、動態追蹤、人機協作），來組合不同的功能模組，而不是教你怎麼「寫程式碼」，那它就能真正成為一本長賣的經典。
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