【AI加油站】机器人设计系列十七：《机器人系统设计及应用》：从理论基石到产业应用的深度解析（附下载）

核心总结

《机器人系统设计及应用》作为机械与机电一体化领域的专业著作，系统构建了机器人学的知识体系，既涵盖基础理论的深度阐释，又包含工程实践的落地案例，为相关领域从业者与学习者提供了全面的技术指南。

一、著作核心框架与基础认知

本书共分 8 章，以 “理论奠基 — 技术拆解 — 应用落地” 为逻辑主线展开。开篇绪论从机器人的定义溯源切入，梳理了从 1920 年捷克科幻剧本中 “Robo” 概念的诞生，到阿西莫夫 “机器人三原则” 的伦理构建，再到国际标准化组织及各国对机器人的权威界定，清晰呈现了机器人概念的演进脉络。在此基础上，从发展阶段、控制方式、应用环境、运动形式等多个维度进行分类解析，如按发展阶段分为示教再现型、感觉型、智能型三代机器人，按运动形式涵盖直角坐标型、圆柱坐标型等多种结构类型，为读者建立起机器人的宏观认知框架。

同时，绪论明确了机器人系统的六大核心子系统 —— 机械结构系统、驱动系统、感受系统、控制系统、人机交互系统及机器人 - 环境交互系统，并用人体类比的方式通俗阐释各系统功能，如控制系统相当于 “大脑”、感知系统堪比 “感官器官”，为后续技术细节的展开奠定基础。

二、核心技术原理与设计方法

（一）机器人的参数与机构设计

第二章聚焦机器人的技术参数与核心机构。关键技术参数包括自由度、定位精度与重复定位精度、工作范围、最大工作速度及承载能力等，其中自由度决定机器人的运动灵活性，定位精度则直接影响焊接、装配等作业质量，书中还针对性给出了不同工艺过程的定位精度要求。

在移动机构部分，详细剖析了车轮型、履带式、腿足式等主流形式的结构特点与适用场景：车轮型中的麦卡纳姆轮可实现全方位移动，适合狭窄空间作业；履带式机构接地比压小，越野机动性强，广泛应用于复杂地形；腿足式机构能自主选择支撑点，在崎岖路面具有独特优势。传动机构作为动力传递的关键，涵盖丝杠传动、带与链传动、齿轮传动、谐波传动等类型，其中谐波传动以结构紧凑、传动比大的特点，在机器人关节中应用广泛。

（二）运动学与动力学基础

第三、四章深入机器人运动与动力特性的数学描述。运动学重点解决两类问题：正向运动学通过 D-H 参数法建立连杆变换矩阵，实现从关节坐标到末端位姿的映射；逆向运动学则根据末端期望位姿求解关节变量，因存在多解性，需结合关节运动限制、避障需求等选择最优解。书中以 PUMA560 机器人为例，详细演示了运动学方程的推导与求解过程，并介绍了移动机器人的运动学模型构建方法。

动力学部分以拉格朗日法为核心，通过建立动能与势能表达式构建拉格朗日函数，进而推导机器人动力学方程，实现关节驱动力矩的计算。同时考虑非刚体效应，引入黏性摩擦与库仑摩擦模型，使动力学分析更贴近实际工况。此外，还介绍了动力学仿真的数值积分方法，为机器人运动性能的预判提供工具。

（三）轨迹规划技术

第五章阐述轨迹规划的原理与方法，分为关节空间与直角坐标空间两类规划方式。关节空间规划通过三次多项式、五次多项式等插值方法，将关节变量表示为时间的函数，具有计算简便、无奇异点问题的优势；直角坐标空间规划则要求末端执行器沿指定路径运动，需反复求解逆运动学方程，虽路径直观但计算量较大。

书中对比了两种规划方式的优劣，指出直角坐标空间规划易出现不可达点、奇异点附近关节速率过高等问题，可通过设置中间点、调整运动速度等方式规避。同时介绍了多点间轨迹的平滑过渡技术，如采用样条曲线保证加速度连续，或通过中间点偏移实现路径优化。

三、工业机器人应用与工作站设计

（一）典型工业机器人的设计与应用

第六章列举了焊接、喷漆、装配、洁净与真空、移动式搬运等典型工业机器人的应用实例。焊接机器人分为点焊与弧焊两类：点焊机器人需满足快速多点定位、大持重等要求，在汽车车身焊接中实现 60% 以上的焊点自动化；弧焊机器人则强调轨迹精度与速度稳定性，配备电弧传感器、视觉传感器等实现焊缝自动跟踪。

喷漆机器人针对易爆环境设计防爆结构，采用液压或电动驱动，具有高速运动与复杂轨迹执行能力，可通过离线示教提高作业效率。装配机器人以 SCARA 机器人为代表，具备高精度与高柔顺性，结合视觉、力觉等传感器实现精密装配。洁净与真空机器人为满足半导体制造的严苛环境要求，采用直接驱动方式减少污染源，并解决了真空环境下的脱气与温升问题。移动式搬运机器人（AGV）则通过磁导航、激光导航等方式实现自主移动，在柔性制造系统中承担物料转运任务。

（二）机器人工作站设计

第七章系统介绍工业机器人工作站的设计原则与实践。设计需围绕生产节拍计算、作业内容认定、设备配置、干涉检查及效益评估等核心环节展开，其中生产节拍是判定工作站规模的关键依据，需根据年产量精确核算。

在功能要求方面，从持重能力、工作空间、自由度三个维度选择机器人，并配套设计末端执行器、夹具、传感器等周边设备。安全设计是重中之重，需设置安全围栏、联锁装置、急停开关等防护措施，同时满足防爆、防尘等环境特定要求。书中以点焊与弧焊机器人工作站为例，详细展示了系统组成、设备布局与编程控制方法，为工程实践提供参考。

四、自主移动机器人实例解析

第八章以智能车为实例，完整呈现自主移动机器人的软硬件设计流程。硬件部分基于 MCS-51 系列单片机构建控制核心，集成直流调速模块（采用 PWM 变换器实现速度调节）、蓝牙遥控模块、红外避障模块、摄像头循迹模块、光电测速模块及速度显示模块等功能单元，各模块通过单片机协调工作，实现实时测速、自动寻迹、避障及遥控行驶等功能。

软件设计涵盖串口通信、命令判断、避障控制、测速算法、循迹逻辑等程序模块，并引入 PID 控制算法优化车辆行驶稳定性与轨迹跟踪精度。书中给出了关键程序的汇编代码与设计思路，如通过红外对管检测黑线实现循迹，利用光电传感器采集脉冲信号计算速度，为智能车及同类移动机器人的开发提供了可复用的技术方案。

五、著作价值与行业意义

本书兼具理论深度与实践指导性，既系统梳理了机器人学的基础理论体系，包括运动学、动力学、轨迹规划等核心内容，又通过大量工业应用实例与设计案例，搭建起理论与工程实践的桥梁。书中对焊接、装配等典型机器人的结构设计、性能要求及应用场景的解析，为制造业自动化升级提供了技术参考；智能车的设计实例则为移动机器人的研发提供了具体范式。

此外，著作还隐含了机器人技术的发展趋势，如智能化（多传感器融合、自主决策）、柔性化（适应多品种生产）、洁净化（满足精密制造需求）等，为读者把握行业前沿方向提供了重要指引，是机械、电子、控制等相关领域工程技术人员、研究生及高年级本科生的必备专业读物。