机械设计手册 机器人与机器人装备

本版手册为新出版的第6版7卷本《机械设计手册》。由于科学技术的快速发展，需要我们对手册内容进行更新，增加新的科技内容，以满足广大读者的迫切需要。

《机械设计手册》自1991年面世发行以来，历经5次修订，截至2016年已累计发行38万套。作为重点科技图书的《机械设计手册》，深受社会各界的重视和好评，在全国具有很大的影响力，该手册曾获得全国优秀科技图书奖二等奖（1995年）、中国机械工业部科技进步奖二等奖（1997年）、中国机械工业科学技术奖一等奖（2011年）、中国出版政府奖提名奖（2013年），并多次获得全国优秀畅销书奖等奖项。1994年，《机械设计手册》曾在我国台湾建宏出版社出版发行，并在海内外产生了广泛的影响。《机械设计手册》荣获的一系列国家和部级奖项表明，其具有很高的科学价值、实用价值和文化价值。《机械设计手册》已成为机械设计领域的一部大型品牌工具书，已成为机械工程领域权威的和影响力较大的大型工具书，长期以来，它为我国装备制造业的发展做出了巨大贡献。

第5版《机械设计手册》出版发行至今已有7年时间，这期间我国国民经济有了很大发展，国家制定了《国家创新驱动发展战略纲要》，其中把创新驱动发展作为了国家的优先战略。因此，《机械设计手册》第6版修订工作的指导思想除努力贯彻“科学性、先进性、创新性、实用性、可靠性”外，更加突出了“创新性”，以全力配合我国“创新驱动发展战略”的重大需求，为实现我国建设创新型国家和科技强国梦做出贡献。

在本版手册的修订过程中，广泛调研了厂矿企业、设计院、科研院所和高等院校等多方面的使用情况和意见。对机械设计的基础内容、经典内容和传统内容，从取材、产品及其零部件的设计方法与计算流程、设计实例等多方面进行了深入系统的整合，同时，还全面总结了当前国内外机械设计的新理论、新方法、新材料、新工艺、新结构、新产品和新技术，特别是在现代设计与创新设计理论与方法、机电一体化及机械系统控制技术等方面做了系统和全面的论述和凝练。相信本版手册会以崭新的面貌展现在广大读者面前，它将对提高我国机械产品的设计水平、推进新产品的研究与开发、老产品的改造，以及产品的引进、消化、吸收和再创新，进而促进我国由制造大国向制造强国跃升，发挥出巨大的作用。

本版手册分为7卷55篇：第1卷机械设计基础资料；第2卷机械零部件设计（连接、紧固与传动）；第3卷机械零部件设计（轴系、支承与其他）；第4卷流体传动与控制；第5卷机电一体化与控制技术；第6卷现代设计与创新设计（一）；第7卷现代设计与创新设计（二）。

本版手册有以下七大特点：

一、构建新体系

构建了科学、先进、实用、适应现代机械设计创新潮流的《机械设计手册》新结构体系。该体系层次为：机械基础、常规设计、机电一体化设计与控制技术、现代设计与创新设计方法。该体系的特点是：常规设计方法与现代设计方法互相融合，光、机、电设计融为一体，局部的零部件设计与系统化设计互相衔接，并努力将创新设计的理念贯穿于常规设计与现代设计之中。

二、凸显创新性

*总书记在2014年6月和2016年5月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上分别提出了我国科技发展的方向就是“创新、创新、再创新”，以及实现创新型国家和科技强国的三个阶段的目标和五项具体工作。为了配合我国创新驱动发展战略的重大需求，本版手册突出了机械创新设计内容的编写，主要有以下几个方面：

（1）新增第7卷，重点介绍了创新设计及与创新设计有关的内容。

该卷主要内容有：机械创新设计概论，创新设计方法论，顶层设计原理、方法与应用，创新原理、思维、方法与应用，绿色设计与和谐设计，智能设计，仿生机械设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术，系统化设计理论与方法。

前言
前言

（2）在一些篇章编入了创新设计和多种典型机械创新设计的内容。

“第11篇机构设计”篇新增加了“机构创新设计”一章，该章编入了机构创新设计的原理、方法及飞剪机剪切机构创新设计，大型空间折展机构创新设计等多个创新设计的案例。典型机械的创新设计有大型全断面掘进机（盾构机）仿真分析与数字化设计、机器人挖掘机的机电一体化创新设计、节能抽油机的创新设计、产品包装生产线的机构方案创新设计等。

（3）编入了一大批典型的创新机械产品。

“机械无级变速器”一章中编入了新型金属带式无级变速器，“并联机构的设计与应用”一章中编入了数十个新型的并联机床产品，“振动的利用”一章中新编入了激振器偏移式自同步振动筛、惯性共振式振动筛、振动压路机等十多个典型的创新机械产品。这些产品有的获得了国家或省部级奖励，有的是专利产品。

（4）编入了机械设计理论和设计方法论等方面的创新研究成果。

1）闻邦椿院士团队经过长期研究，在国际上首先创建了振动利用工程学科，提出了该类机械设计理论和方法。本版手册中编入了相关内容和实例。

2）根据多年的研究，提出了以非线性动力学理论为基础的深层次的动

《机械设计手册》第6版 单行本共26分册，内容涵盖机械常规设计、机电一体化设计与机电控制、现代设计方法及其应用等内容，具有系统全面、信息量大、内容现代、突显创新、实用可靠、简明便查、便于携带和翻阅等特色。各分册分别为：《常用设计资料和数据》《机械制图与机械零部件精度设计》《机械零部件结构设计》《连接与紧固》《带传动和链传动摩擦轮传动与螺旋传动》《齿轮传动》《减速器和变速器》《机构设计》《轴弹簧》《滚动轴承》《联轴器、离合器与制动器》《起重运输机械零部件和操作件》《机架、箱体与导轨》《润滑密封》《气压传动与控制》《机电一体化技术及设计》　《机电系统控制》《机器人与机器人装备》《数控技术》《微机电系统及设计》《机械系统概念设计》《机械系统的振动设计及噪声控制》《疲劳强度设计机械可靠性设计》《数字化设计》《工业设计与人机工程》《智能设计仿生机械设计》。

本单行本为《机器人与机器人装备》，主要介绍机器人与机器人装备概述、串联机器人、并联机器人、轮式机器人、机器人驱动系统、机器人用传感器、机器人视觉、机器人控制系统、机器人人工智能、机器人工装夹具及变位机、工业机器人的典型应用、服务机器人技术的新进展等内容。

本书供从事机械设计、制造、维修及有关工程技术人员作为工具书使用，也可供大专院校的有关专业师生使用和参考。 

出版说明
前言

第26篇机器人与机器人装备

第1章概述

1机器人与机器人系统26-3

11机器人26-3

12工业机器人26-3

13服务机器人26-4

2机器人专用术语26-5

21有关机械结构、几何学和运动学的
术语26-5

22有关编程、控制和安全、性能、感知与
导航的术语26-5

23机器人的分类26-8

3工业机器人性能规范和测试方法26-10

31工业机器人性能指标26-10

32工业机器人测试方法26-11

4机器人的新发展与发展趋势26-11

第2章串联机器人

1串联机器人的结构与坐标形式26-13

11串联机器人的结构26-13

12自由度26-13

13工业机器人运动的坐标形式26-14

2串联机器人的结构型式及其特点26-14

3机器人运动学与动力学26-15

31基本定义26-15

32机器人运动学正问题26-16

33机器人运动学逆问题26-17

34变换方程26-17

35微分关系式26-17

351微分平移变换26-17

352微分旋转变换26-17

353动系与固定系之间的微分变换
关系26-17

36雅可比(Jacobian)矩阵26-17

361雅可比矩阵(简称J阵)26-17

362雅可比逆阵26-18

37机器人动力学问题的常用分析
方法26-18

371拉格朗日法26-18

372牛顿欧拉法26-18

373机器人动力学的正问题26-19

4工业机器人的工作空间及与结构尺寸的
相关性26-19

41机器人的工作空间26-19

42确定工作空间的几何法26-19

43包容正方体26-20

44工作空间与机器人结构尺寸的
相关性26-20

5机器人尺度规划中的优化设计及关键
尺寸的选定26-20

51位置结构的优化设计26-20

511要求使工作空间小的优化
设计26-21

512要求使工作空间的优化
设计26-21

52尺度规划时关键尺寸的选定26-21

6机器人整机设计原则和设计方法26-21

61机器人整机设计原则26-21

62机器人本体的设计步骤26-21

7机器人腰部、臂部和腕部结构26-23

71腰部结构26-23

72臂部结构26-23

73腕部结构26-24

74工业机器人末端执行器的结构26-25

8刚度、强度计算及误差分配26-28

81机器人刚度计算26-28

82机器人本体强度计算26-28

83机器人本体连杆参数的误差分配26-28

9平衡机构的计算26-28

91配重平衡机构26-28

92弹簧平衡机构26-28

93气缸平衡机构26-29

10终端刚度计算26-29

11关节驱动力矩计算26-30

111移动关节驱动力的计算26-30

112转动关节驱动力矩的计算26-30

12灵巧性指标26-30

121开链结构的局部灵巧性26-30

122基于动力学的局部性能评价26-32

123全局灵巧性度量26-32

目录
目录
第3章并联机器人

1并联机器的构型26-33

11并联机器人的型综合26-33

12并联机器人的腿结构26-34

132～6自由度并联操作手示例26-34

2运动学与动力学26-44

21并联机构运动学位置分析26-44

211运动学位置分析逆问题26-44

212正运动学26-44

22速度、加速度与精度分析26-44

3并联机构的性能评价指标与奇异分析26-45

31通用公式26-45

32并联奇异分析26-46

4工作空间的确定26-46

5静力学分析和静平衡26-47

6动力学分析26-48

7并联机器人设计问题26-49

第4章轮式机器人

1轮式移动机构概述26-50

11汽车26-50

12工业车辆26-50

13建筑机械及农业机械等特殊车辆26-50

14医疗康复机器26-50

15教育、研究、开发的轮式移动
机构26-52

2轮式移动机构的构成要求26-52

21车体26-52

22车轮26-52

23车轮支承机构26-54

24驱动机构26-55

3机构学26-55

31车轮机构分析26-56

32转向26-57

33车轮的旋转驱动26-57

34轮式移动机构的稳定26-58

4运动学26-59

41与机械手的区别26-59

42独立两轮驱动26-59

43前轮转向驱动26-59

44前轮转向后轮驱动26-60

45独立4轮转向26-60

46合成型全方位车轮的移动机构26-61

47脚轮型驱动轮机构的全方位移动26-61

48拖车26-62

5静力学26-62

51摩擦26-62

52轮式移动机构的行驶阻力26-63

53车轮的驱动力26-66

6动力学26-67

7控制26-67

71控制基础26-67

72导航26-69

第5章机器人驱动系统

1机器人驱动系统特点26-72

2机器人驱动系统选用原则26-72

3电液伺服驱动系统26-73

4气动驱动系统26-74

5电动驱动系统26-75

51直流伺服电动机驱动器26-77

52同步式交流伺服电动机驱动器26-77

53步进电动机驱动器26-78

54直接驱动电动机26-78

第6章机器人用传感器

1位移传感器26-82

11电位器26-82

12光电编码器26-82

13旋转变压器26-83

2速度传感器26-83

3加速度传感器26-83

4触觉传感器26-83

41接触觉传感器26-83

42触觉传感器阵列26-84

43滑觉传感器26-85

5力觉传感器26-86

51力和力矩的一般检测方法26-86

52腕力传感器26-87

6接近与距离觉传感器26-88

61磁力式接近传感器26-89

62气压式接近传感器26-89

63红外式接近传感器26-89

64超声式距离传感器26-90

7陀螺仪26-90

第7章机器人视觉

1概述26-92

2机器人视觉系统的组成26-93

21视觉系统组成26-93

22镜头和视觉传感器26-95

23电气输出接口26-97

3机器人视觉图像处理26-98

31机器人的二维图像处理26-98

311前处理26-98

312特征提取26-99

313匹配和识别26-100

32三维视觉的分析26-101

321单目视觉26-101

322双目视觉26-102

323物体的表示及匹配26-102

4机器人视觉系统实例26-103

41二值系统26-103

42灰度系统26-103

43三维系统26-104

第8章机器人控制系统

1机器人控制系统的体系结构、功能、
组成和分类26-105

11机器人控制系统的一般要求与体系
结构26-105

12机器人控制系统的组成26-106

13机器人控制系统分类26-106

2机器人整体控制系统设计方法26-107

21控制系统结构26-107

22控制系统设计原则26-109

23控制系统选择方法26-109

3几种典型的控制方法26-109

31PID控制26-109

32滑模控制26-110

33自适应控制26-111

34模糊控制26-111

35机器人的顺应控制26-112

36位置和力控制系统结构26-113

4控制系统硬件构成26-113

5控制系统软件构成26-116

51软件构成26-116

52软件功能26-116

6机器人语言26-118

7机器人离线编程与仿真26-126

第9章机器人人工智能

1智能机器人的含义26-127

11感觉功能智能化26-127

12控制功能智能化26-127

13移动功能智能化26-128

14安全可靠性26-128

2机器人系统的描述26-129

21作业程序知识26-129

22对象物的知识26-129

23知识表达框架26-130

3机器人行为规划26-132

31作业规划26-132

32行动规划26-132

4机器人知识的获取26-135

41学习的分类26-135

42作业知识的获取26-136

43图像理解与环境知识的获取26-137

5智能机器人的控制范式26-138

6智能机器人应用前景26-139

第10章机器人工装夹具及变位机

1定位与工装夹具26-141

11定位方法及定位器与夹具体26-141

111基准的概念26-141

112工件以平面定位26-141

113工件以圆孔定位26-142

114工件以外圆柱定位26-143

115组合表面的定位26-144

116型面的定位26-144

117夹具体26-144

12手动夹紧机构26-145

13动力工装夹具26-145

131气压和液压夹具26-145

132磁力夹紧装置26-152

2机器人变位机26-153

21变位机的种类26-153

22变位机与焊接机器人组合的
工作站26-156

第11章工业机器人的典型应用

1喷涂机器人26-158

11喷涂机器人的结构26-158

12喷涂机器人控制系统26-158

13直接示教轻动化26-159

131示教轻动化的概念26-159

132影响示教轻动化的因素及解决
途径26-160

14应用实例26-160

2点焊机器人26-161

21点焊机器人的结构26-161

22点焊机器人控制系统26-162

23点焊机器人应用实例26-162

231机器人工作单元26-162

232机器人生产线26-162

3弧焊机器人26-163

31弧焊机器人的结构26-163

32弧焊机器人控制系统26-164

33弧焊机器人应用实例26-164

4搬运机器人26-165

41搬运机器人的结构26-165

42搬运机器人控制系统26-165