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
好的，这里是根据您的要求撰写的一份详细图书简介，该书名为《工業機器人系統設計（上冊） (電子書)》，以下内容不包含该书本身的任何信息，而是另一本关于现代机械工程或自动化领域的书籍的详细介绍。 --- 智能制造时代下的精密运动控制与驱动技术：现代自动化系统设计指南 —— 深度解析伺服系统、传感器融合与高级运动规划的理论与实践 在当前全球制造业向“工业4.0”和智能制造转型的浪潮中，自动化系统已不再是简单的重复劳动工具，而是成为优化生产效率、提升产品精度和保障操作安全的核心驱动力。本书聚焦于现代自动化系统中至关重要的“运动控制”这一核心环节，旨在为工程师、研究人员和高级技术学生提供一套全面、深入且极具实践指导价值的理论框架与工程实践指南。 本书并非聚焦于某一特定机器人硬件的设计，而是从更基础、更通用的自动化运动控制系统的角度出发，剖析实现高精度、高动态响应运动所必需的底层技术和集成策略。全书结构严谨，逻辑清晰，从基本物理原理到复杂的控制算法实现，层层递进，确保读者能够构建起对复杂运动系统设计理念的深刻理解。 第一部分：运动控制系统的基础构建与动力学分析 本部分奠定了理解复杂运动控制系统的基石。我们首先回顾了经典力学在运动系统中的应用，特别是多自由度机械臂和高速传送机构的刚体动力学建模。这部分内容详尽地阐述了如何建立精确的牛顿-欧拉方程或拉格朗日方程，用以描述系统在不同力矩和外部载荷下的运动特性。重点在于对惯性、摩擦和外部扰动的量化分析，这对于后续设计高鲁棒性的控制器至关重要。 接着，本书深入探讨了执行机构的选择与性能评估。伺服电机（包括永磁同步电机PMSM和无刷直流电机BLDC）是现代高精度运动系统的核心。我们详细对比了不同类型电机的转矩密度、响应速度和能效比，并引入了磁路设计与绕组优化的初步概念。对于驱动器部分，详细解析了脉冲宽度调制（PWM）技术在电压和电流控制中的应用，包括空间矢量调制（SVM）的高效实现及其对电机控制性能的影响。 第二部分：高精度反馈与传感器融合技术 任何精确的运动控制都离不开可靠和实时的反馈。本卷对现代运动控制中使用的各类传感器技术进行了系统性的梳理和深入分析。 编码器技术是本章的重点。我们不仅介绍了增量式和绝对值编码器的基本原理，更深入探讨了高分辨率磁阻编码器和光栅编码器在极端环境下的抗干扰能力和精度保持性。此外，视觉传感器在非接触式测量和引导定位中的集成策略也被详述，特别是如何将图像处理结果转化为可用的运动学输入。 至关重要的一章是关于传感器数据融合。在高速动态环境下，单一传感器的信息往往不足以支撑最优控制。本书详细介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其扩展形式（EKF、UKF）在融合来自编码器、陀螺仪和加速度计数据方面的应用，以实现对系统状态（如位置、速度、甚至外部载荷的实时估计）。这为系统提供了超越硬件极限的“虚拟传感器”能力。 第三部分：先进控制算法的理论与实现 掌握了系统的动力学模型和精确反馈后，本部分转向实现卓越运动性能的核心——控制算法。 首先，本书对PID控制进行了超越教科书的深入剖析，着重讨论了抗积分饱和、前馈补偿和自适应增益调度等高级技巧，以应对不同工况下的控制难题。 随后，我们转向基于模型的高级控制策略。滑模变结构控制（SMC）因其对模型不确定性和外部干扰的强鲁棒性，被详细讲解，包括如何设计趋近律以抑制抖振现象。此外，先进的预测控制（MPC）在处理系统约束（如饱和力矩、速度限制）方面的强大能力也被充分展示。我们不仅提供了理论推导，还结合实际的离散时间系统建模，展示了如何在实时嵌入式系统中高效求解优化问题。 第四部分：系统集成、实时通信与调试验证 本书的最后部分，将理论与工程实践紧密结合，探讨了将这些算法部署到真实硬件平台上的关键工程挑战。 实时操作系统（RTOS）的选择与配置被视为系统性能的保障。我们对比了VxWorks、QNX以及Linux实时补丁（如PREEMPT_RT）在运动控制应用中的优劣，并详细阐述了中断优先级管理和任务调度的策略，以确保控制回路的确定性延迟。 现场总线通信是现代多轴系统连接的生命线。本书对EtherCAT、Profinet IRT等高性能实时以太网协议进行了深入对比，特别是分析了它们在同步性、带宽利用率和数据一致性方面的工程实现细节。 最后，本书提供了详尽的系统调试与性能验证方法论。这包括系统辨识（System Identification）的技术流程，用于精确获取模型参数；以及频率响应分析（Bode图、Nyquist图）在验证系统稳定裕度和带宽限制中的实际应用。我们提供了一系列标准化的验收测试流程（FAT/SAT），确保设计出的运动系统能够稳定、可靠地达到设计指标。 目标读者： 本书面向具有扎实自动控制理论基础和一定嵌入式系统开发经验的工程师和研究人员。它尤其适合于负责高精度机床、自动化装配线、精密检测设备以及新型工业机器人的系统架构设计与核心算法开发的技术人员。通过阅读本书，读者将能够系统性地掌握驱动下一代智能运动系统的关键技术栈。
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
- EISBN：9786263323179
- 規格：普通級 / 初版
- 出版地：台灣
- 檔案格式：EPUB固定版型
- 建議閱讀裝置：平板
- TTS語音朗讀功能：無
- 檔案大小：107.3MB
- 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
總體而言，這本「上冊」的內容份量與深度，放在現今的市場上，定位非常尷尬。它不像一本專業的工具書那樣提供豐富的查表數據或實用電路圖，也不像一本高階的參考書那樣深入探討控制理論的前沿。它更像是一本**標準合規文件（Compliance Document）的初稿**，把相關的法規和術語條列出來，卻沒有真正教你如何將這些要求轉化為實際的工程設計。對於那些已經對工業機器人有基本概念的讀者來說，它提供的增益極低，幾乎沒有任何可以立即應用到專案中的「訣竅」或「捷徑」。如果出版社希望這本書能真正抓住現在的讀者群，特別是那些在追求工業 4.0 轉型的中小型企業（SMEs）的工程師，他們需要的不是對既有技術的重複說明，而是面對**異質系統整合、大數據應用在運動控制優化**等新挑戰時的解決方案框架。現狀看來，這本書的價值，恐怕難以支撐其厚度。
评分說實話，這本《工業機器人系統設計（上冊）》給我的觀感，更像是一份**「被遺忘的專案規格書草稿」**，充滿了理論性的定義和標準化的術語，但缺乏將這些元素串聯起來的「設計哲學」或「系統整合思維」。設計一個完整的工業機器人系統，重點從來不在於「會不會選用一個標準關節」，而在於「如何根據特定的產線節拍與產品公差，設計出最佳的運動學模型與控制迴路，並在最短時間內完成系統除錯」。這本書似乎完全忽略了**系統整合（System Integration）**過程中無可避免的衝突和妥協。例如，當你為了追求高精度而採用了高解析度編碼器時，相對應的通訊負載和控制器的運算能力如何平衡？當你選擇了一種特定的安全等級（PL/SIL），它對機器人本身的運動速度和加速度會產生哪些實質的限制？這些「設計的代價」和「工程師的權衡」才是書籍價值所在，但這本工具書中，呈現的永遠是教科書上最理想化的、完全沒有干擾的狀態，對於想從學校畢業後直接投入業界的後輩來說，這會帶來極大的**認知落差**。
评分翻開這本書，一股濃濃的學術論文摘要味就撲面而來，內容的編排邏輯非常僵硬，幾乎像是把不同領域的教科書章節硬生生地拼湊在一起。從機構學到電控，再到軟體架構，每個章節都試圖涵蓋，結果就是每個章節都淺嘗輒止，完全沒有深入探討任何一個關鍵技術的「眉角」。舉例來說，在探討視覺系統整合時，它只停留在介紹基本的相機標定流程，對於**3D點雲資料處理、即時物件姿態估算（Pose Estimation）**，或是如何處理光照變化導致的識別誤差，這些才是決定系統穩定性的關鍵點，書中卻一筆帶過。這讓身為現場人員的我感到非常困惑，這本書究竟是要教我們理論基礎，還是要提供實戰指引？它給的範例程式碼（如果有的話）看起來也是過時的C語言或MATLAB基礎指令，對於現在主流的Python機器人開發生態系，例如ROS 2或專用的機器人作業框架，幾乎沒有提及，這在資訊快速迭代的今天，簡直是一種**技術上的懈怠**。
评分對於長期在自動化產線打滾的人來說，我們最關心的往往是**可維護性（Maintainability）**和**擴充性（Scalability）**。好的系統設計，應該要讓後續的維護人員能夠快速定位問題，並且在未來升級產能或更換產品時，能以最小的改動成本來適應變化。然而，這本書在探討系統架構的部分，給我的感覺是過度強調了組件的「獨立性」，卻沒有提供一個清晰的**模組化設計藍圖**。它似乎假定所有設計都是一次到位、永不改變的，這在快速變動的製造業中是不切實際的。我希望能看到更多關於**數位分身（Digital Twin）**在設計階段如何被應用來預先模擬和驗證系統行為的章節，或者探討如何建立一個可遠端診斷、基於標準通訊協定（如OPC UA）的監控介面。現行的內容給人的感覺就是「硬體接好，線拉好，程式跑起來就好」，完全無視了系統投入運營後的生命週期管理需求。
评分這本號稱「上冊」的書，老實說，光是看到書名就讓人有點頭痛，畢竟現在業界對於「工業機器人系統設計」這個範疇的理解，早就不只停留在過去那種單純的硬體堆疊或是基礎的通訊協定上了。我期待能看到更多關於**機器人與AI、機器學習的深度整合**的討論，例如如何利用深度學習來優化機器人的路徑規劃，或者在非結構化環境下的感知與決策能力。書中似乎著墨不多，內容給我的感覺比較像是十幾年前的技術手冊，對於當前製造業追求的「智慧化」和「彈性製造」的趨勢，提供不了太具前瞻性的指導。特別是針對**協作型機器人（Cobots）**在人機共存場域下的安全標準、力矩控制的細膩度，以及複雜任務的示教學習方法，這些才是現在設計工程師最需要掌握的核心技能，但書中對這些新興領域的闡述顯得過於表面，難以滿足實際工程應用的深度需求。如果只是想複習一下基礎的機械結構與基本運動學，或許還能堪用，但想靠它來指導一個現代化的智慧工廠設計案，那絕對是緣木求魚了。
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