机器人驱动与控制及应用实例

1 应用实例主导：结合大量工程应用实例，系统介绍基于步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、液压、气压等装置的驱动与控制技术及其应用成果
2 作者实践经验丰富：本书作者在PLC控制、液压气动控制等领域实践经验丰富，长期从事企业相关技术的培训与咨询工作，积累了大量的实际案例。

机器人驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。本书结合大量工程应用实例，系统介绍基于步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、液压、气压等装置的驱动与控制技术及其新应用成果。本书取材新颖，涉及机器人广泛的应用领域、多种机器人类型和多方面的专业技术。叙述上以应用实例为主讲解，条理分明，深入浅出，通俗易读。
本书主要供机电控制、机器人研究开发及应用专业人员学习和参考，也可作为高等院校相关专业师生的教学参考书。

第1章机器人及驱动与控制概述 / 001

1.1机器人的概念 / 001

1.2机器人的组成 / 001

1.2.1机器人的基本组成 / 001

1.2.2机器人的执行机构 / 002

1.2.3机器人的传感器 / 004

1.2.4机器人的驱动器 / 006

1.2.5机器人的控制系统 / 008

1.3机器人的技术参数 / 011

1.3.1机器人自由度与机动度 / 011

1.3.2机器人额定速度与额定负载 / 012

1.3.3机器人工作空间 / 012

1.3.4机器人分辨率、位姿准确度和位姿重复性 / 013

1.3.5作业精度及动态测量 / 014

1.4机器人的分类 / 014

1.4.1按机器人的几何结构分类 / 014

1.4.2按机器人的控制方式分类 / 015

1.4.3按机器人的智能程度分类 / 016

1.4.4按机器人的移动方式分类 / 016

1.4.5按应用环境分类 / 017

1.5机器人技术及应用主要进展 / 017

1.5.1工业机器人 / 017

1.5.2移动机器人 / 018

1.5.3医疗与康复机器人 / 021

1.5.4生物启发的机器人系统——仿生机器人 / 022

1.6机器人技术发展趋势 / 023

第2章机器人步进电动机驱动与控制技术及应用 / 025

2.1步进电动机及其在机器人的应用 / 025

2.1.1步进电动机的工作原理 / 025

2.1.2步进电动机的分类及型号命名 / 027

2.1.3步进电动机的运行特性 / 028

2.1.4步进电动机驱动技术 / 029

2.1.5步进电动机控制技术 / 031

2.1.6步进电动机在机器人驱动与控制应用概况 / 032

2.2机器人步进电动机驱动与控制实例 / 033

2.2.1步进电动机控制器及其在机器人多自由度关节中的应用 / 033

2.2.2智能仓库管理机器人 / 038

2.2.3变电站巡检机器人云台控制系统 / 040

2.2.4油罐清洗机器人全方位移动机构 / 043

2.2.5基于运动控制卡的6DOF切削机器人控制系统 / 045

2.2.6太阳能自动谷物翻晒机器人 / 047

2.2.7分拣搬运机器人 / 051

2.2.8基于齿轮传动的结构仿生螃蟹机器人 / 055

2.2.9履带式机器人控制系统 / 058

2.2.10基于PLC的KTV自助机器人控制系统 / 065

第3章机器人直流伺服电动机驱动与控制技术及应用 / 069

3.1直流伺服电动机及其在机器人的应用 / 069

3.1.1直流伺服电动机的特点 / 069

3.1.2直流伺服电动机的工作原理 / 069

3.1.3直流伺服电动机驱动概述 / 072

3.1.4直流伺服电动机控制概述 / 073

3.1.5刷直流电动机 / 076

3.1.6刷直流电动机驱动与控制 / 080

3.1.7直流伺服电动机在机器人驱动与控制应用概况 / 083

3.2机器人直流伺服电动机驱动与控制应用实例 / 084

3.2.1IR2110在机器人驱动系统中的应用 / 084

3.2.2基于ARM9和LM629的电动机伺服控制系统 / 087

3.2.3基于C8051F340的多直流电动机控制系统 / 090

3.2.4基于MC9S12DG128单片机的迷宫机器人 / 093

3.2.5基于ATmega128的砂糖橘简易采摘机器人 / 097

3.2.6鱼塘冰层智能钻孔机器人 /102

3.2.7吸尘机器人控制系统 /104

3.2.8排爆机器人机械臂控制系统 /109

3.2.9多功能护理机器人控制系统 /114

3.2.10巡检机器人刷直流电动机伺服系统 /117

3.2.11轮式机器人用刷直流电动机控制系统 /120

3.2.12基于DSP的双足机器人运动控制系统 /126

第4章机器人交流伺服电动机驱动与控制技术及应用 / 130

4.1交流伺服电动机及其在机器人的应用 / 130

4.1.1交流伺服电动机的发展 /130

4.1.2同步电动机与异步电动机 /131

4.1.3模拟式交流伺服系统与数字式交流伺服系统 /132

4.1.4交流伺服电动机在机器人驱动与控制应用概况 /134

4.2机器人交流伺服电动机驱动与控制应用实例 / 136

4.2.1工业机器人交流伺服驱动系统 /136

4.2.2PLC在工业机器人中的应用 /142

4.2.3小负载串联关节型垂直六轴机器人 /144

4.2.4开放式结构交流同步伺服系统在机器人的应用 /146

4.2.5焊接机器人控制系统 /150

4.2.6交流变频控制系统在涂胶机器人中的应用 /153

4.2.7拆箱机器人开箱工艺的改进 /158

4.2.8工业码垛机器人控制系统 /159

4.2.9果树采摘机器人 /164

第5章机器人气压驱动与控制技术及应用 / 169

5.1气动系统及其在机器人的应用 / 169

5.1.1气动控制系统的基本构成 /169

5.1.2比例／伺服控制阀的选择 /170

5.1.3控制理论 /170

5.1.4典型应用 /171

5.1.5气动系统在机器人驱动与控制应用概况 /173

5.2机器人气压驱动与控制应用实例 / 175

5.2.1基于PLC和触摸屏的气动机械手 /175

5.2.2气动喷胶机器人 /178

5.2.3连续行进式气动缆索维护机器人 /182

5.2.4气动爬行机器人 /186

5.2.5高精度气动机械手 /190

5.2.6数控气动爬梯子机器人 /192

5.2.7六自由度穿刺定位机器人气动系统 /195

5.2.8基于PLC的安瓿瓶气动开启机械手 /198

5.2.9类人仿生气动机械手 /201

5.2.10气动机器人关节位置伺服系统 /204

第6章机器人液压驱动与控制技术及应用 / 207

6.1液压系统及其在机器人驱动与控制中的应用 / 207

6.1.1液压控制系统的工作原理 /207

6.1.2液压控制系统的组成 /208

6.1.3液压控制系统的分类 /209

6.1.4液压系统在机器人驱动与控制应用概况 /211

6.2机器人液压驱动与控制应用实例 / 214

6.2.1液压驱动机械手肋骨冷弯机 /214

6.2.2基于PLC的工业机械手 /217

6.2.3压装机装卸料机械手 /221

6.2.4基于PLC的储油罐清理机器人液压系统 /224

6.2.5基于单片机控制的水上清洁机器人液压系统 /226

6.2.6线遥控液压爬行机器人 /229

6.2.7下肢液压驱动康复机器人 /233

6.2.8高性能液压驱动四足机器人SCalf /238

6.2.9BigDog四足机器人 /243

参考文献 / 262

机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。在工业、建筑业等领域中均有重要用途。机器人技术已从传统的工业领域快速扩展到其他领域，如物流、农业、家政服务、医疗康复、军事、外星探索、勘测勘探等。而论是传统的工业领域还是其他领域，对机器人性能要求的不断提高，使机器人必须面对更极端的环境、完成更复杂的任务。因而，社会经济的发展也为机器人技术进步提供了新的动力。机器人是自动控制有说服力的成就，是当代高意义上的自动化。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿。21世纪以来，国内外对机器人技术的发展越来越重视，机器人技术是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。欧盟在第七框架计划(FP7)中规划了“认知系统与机器人技术”研究，美国启动了“美国国家机器人计划”，日本、韩国在服务型机器人方面也制定了相应的研究计划。我国在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视，国内外产业界对机器人技术引领未来产业发展也寄予厚望，由此可见，机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一，对于国民经济和国防建设具有重要意义。
机器人驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电动机、伺服电动机等，也有采用液压、气动等驱动装置。
机器人控制技术是使机器人完成各种任务和动作的各种控制手段。作为系统中的关键技术，机器人控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。机器人有两种控制方式，一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通信、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
驱动与控制是机器人技术体系的重要部分和关键环节，其状况与机器人性能紧密相连。
本书结合大量实例，系统介绍机器人驱动与控制技术基本内容与新实用成果。全书共6章。其中第1章是概论；第2~6章分别介绍机器人基于步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、液压、气压等装置的驱动与控制技术及应用。
本书取材新颖、实用，涉及机器人广泛的应用领域、多种机器人类型和多方面的专业技术。笔者在技术知识表达上，尽量做到条理分明、深入浅出、通俗易读。读者可从书中明确技术要点，也可通过深入阅读典型案例了解相关实际问题的技术细节。
本书主要供机器人研究开发及应用专业人员阅读，也可作大学相关专业师生的教学参考书。

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