【AI加油站】机器人设计系列十六：深入解析《工业机器人》：从理论基础到实际应用的全方位指南（附下载）

核心总结

《工业机器人》作为普通高等院校机械类 “十二五” 规划系列教材，围绕工业机器人展开了全面且深入的阐述，涵盖理论基础、核心技术、系统构成及实际应用等多个关键维度，为读者搭建了从认知到实践的完整知识框架。

在教材基础信息方面，该书由蒋刚、龚迪琛、蔡勇、刘念聪、张静编著，黎亚元主审，西南交通大学出版社 2011 年 1 月出版，定价 28 元，ISBN 为 978-7-5643-0908-4。编写团队来自西南科技大学、成都理工大学等高校，分工明确，蒋刚负责全书统稿及部分章节编写，其他作者也分别承担了不同章节的创作，同时感谢了研究生在实验仿真环节的贡献。

教材开篇从工业机器人的基础认知入手。明确工业机器人是集机械、电子、控制等多学科技术于一体的现代制造业自动化装备，不同机构如 ISO、美国机器人工业协会等对其定义虽有差异，但可编程、拟人化、通用性和机电一体化的特点得到业界公认。它具有仿人功能、可编程、通用性和良好环境交互性四大显著特点，当前应用领域广泛，涵盖弧焊、点焊等多个方面，且从传统制造业逐步拓展到非制造行业，汽车工业仍是主要应用领域，不同地区汽车及零部件制造业对工业机器人需求占比突出。在发展状况上，国内已确立多个产业化基地，部分国产机器人初具规模且应用广泛；国外技术成熟，形成一批知名公司，应用领域覆盖多个制造业子行业。全球工业机器人发展模式分为日本、欧洲、美国三种，发展历程则历经示教 / 再现方式的第 1 代、具备简单智能的第 2 代以及探索阶段的自治性第 3 代。

工业机器人的组成与分类是重要知识点。其由机械本体、传感器和控制三大部分，及驱动、机械结构、感知等六个子系统构成。驱动系统为关节提供传动装置，驱动方式多样；机械结构系统包含机身、手臂、末端执行器，手臂自由度不同功能不同；感知系统由内外传感器组成，分别获取内部状态和外部环境信息；控制系统根据指令和反馈控制执行机构，分开环和闭环两种。分类方式多样，按机械本体部分有不同基本结构类型，按感知部分有多种传感器，按控制部分有不同控制类型，按用途则可分为材料搬运、检测、焊接等多种机器人，每种类型都有其独特的结构、功能和应用场景。

技术参数是衡量工业机器人性能的关键指标，主要包括自由度、精度、工作范围、最大工作速度和承载能力。自由度决定机器人运动灵活性，与作业需求相关；精度含定位精度和重复定位精度，影响作业准确性；工作范围指末端或手腕中心可达点集合，关系作业覆盖区域；最大工作速度影响工作效率，不同厂家定义有差异；承载能力与负载质量、运行速度等相关，需考虑末端操作器质量。

关键技术方面，不同类型工业机器人关键技术各有侧重。弧焊机器人需系统优化集成、协调控制和精确焊缝轨迹跟踪技术；激光加工机器人涉及结构优化设计、误差补偿等技术；洁净机器人则有洁净润滑、高速平稳控制等关键技术。整体而言，工业机器人技术朝着智能化、模块化和网络化方向发展，开放性模块化控制系统体系结构、模块化层次化控制器软件系统、故障诊断与安全维护技术以及网络化机器人控制器技术是其核心关键技术。

在运动学基础部分，介绍了齐次坐标变换基础，包括齐次坐标平移、旋转及复合变换，通过实例详细讲解了变换矩阵的应用。机械手位姿分析采用 D-H 方法建立连杆坐标系，定义了连杆扭角、长度等参数，阐述了相邻连杆坐标变换关系，进而进行正向和逆向运动学分析，以斯坦福机器人等为例展示了具体应用。机械手速度分析介绍了雅可比矩阵和矢量积两种速度分析方法，通过实例演示了速度与关节变量关系的求解过程。

动力学基础章节，重点讲解了牛顿 - 欧拉方程和拉格朗日方程两种建立机械手动力学方程的方法。牛顿 - 欧拉方程基于牛顿和欧拉公式，通过正向和反向递推算法计算关节驱动力矩，以 2 自由度平面机器人为例进行了具体应用；拉格朗日方程基于能量平衡方程，通过选取广义坐标、确定广义力、计算动能和势能构造拉格朗日函数，代入方程得到动力学方程，同样以二连杆机器人为例进行了详细推导，并介绍了关节空间和操作空间动力学方程及其对应关系。

工业机器人的基本结构部分，从主体结构、臂部结构、腕部和手部结构以及移动式机器人展开介绍。主体结构有直角坐标、圆柱坐标等多种基本形式，各有优缺点，设计时需考虑刚度、强度等因素及材料选择。臂部结构按结构和运动形式分类，设计需满足作业空间、材料选择等要求。腕部结构有不同自由度组合和常见结构，手部结构包括机械手爪、磁力吸盘等类型，设计时需考虑被抓握对象、与机器人匹配及环境条件等因素。移动式机器人行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式和无固定轨迹式，无固定轨迹式又有轮式、履带式和步行式等，各有特点和典型行走机构。

定位技术是工业机器人完成任务的前提，包括定位精度控制、定位方法、定位传感器技术和运动规划。定位精度含分辨率、位姿准确度和重复度，受硬件、软件和不确定性误差影响。定位方法有机械挡块、电气开关和伺服定位等，伺服定位又分开环和闭环，同时介绍了多种定位算法及误差补偿方法。定位传感器按功能和定位技术分类，选择需遵循一般和特殊要求，传感器融合有不同分类和结构，常用多种融合算法，以提高定位精度和可靠性。运动规划分为关节空间和笛卡儿空间运动规划，移动机器人路径规划需解决从起点到终点、避障及轨迹优化问题，有全局和局部路径规划多种方法。

视觉系统章节，先介绍人类视觉原理，包括视觉机能和视觉皮质功能。模仿人类视觉的机器视觉系统有主动视觉和被动视觉之分，主动视觉可通过控制相机参数优化图像采集，相机类型选择涉及光电二极管、CCD 和 CMOS 图像传感器等，各有特点和应用场景。工业机器人视觉系统由硬件和软件组成，硬件包括相机、图像处理器等，软件涉及图像处理、模式识别等，OpenCV 是常用的计算机视觉库。图像处理技术包括颜色模型与彩色图像滤波、图像预处理、图像分割与物景分离，以基于 OpenCV 的答题卡阅卷系统为例，详细介绍了系统硬件与软件构成、图像特征提取与分析、软件处理流程及相关代码实现。

听觉系统部分，机器人语音识别包括特定人和非特定人识别，流程含语音消噪、预处理、特征提取等环节。语音消噪需区分不同类型噪声，采用小波变换等方法；预处理包括预加重、加窗、分帧和端点检测；特征提取常用线性预测系数和美尔频率倒谱系数；语音识别算法有隐马尔科夫模型、人工神经网络和支持向量机等，各有原理和应用特点。机器听觉定位介绍了基于麦克风阵列、人耳听觉机理的声源定位系统，以及前后方位评估和水平方位角粗评估方法，以工业机器人语音故障诊断为例，展示了基于 HMM 模型的故障诊断流程和相关代码实现。

控制系统章节，概述了工业机器人控制系统的基本原理，包括示教、计算与控制、伺服驱动和传感与检测四个过程，阐述了其以多轴运动协调为目的、控制结构复杂的特点，与一般伺服或过程控制系统相比有显著差异，为后续深入学习控制系统奠定了基础。