本书主要介绍工业机器人的驱动机构、控制算法、传感技术、信息融合、轨迹规划、学习策略、工程应用等。本书内容详实、理论与实践相结合、深入浅出，它可以作为在机械制造、化工生产、包装输送、设备安装、农林牧鱼渔等各个行业从事机器人研究、开发、应用的科技工作者、工程技术人员的参考书，也可作为高等院校机械工程、计算机等相关专业师生的教材或参考书。
工业机器人
肖南峰 等编著
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。它是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，广泛地用于机械制造、化工生产、包装输送、设备安装、核电维修、道路施工、凿岩采矿、作物栽培、教学科研等领域。
本书是作者在参考了大量国内外文献资料和研究成果后，本着理论与实践相结合、深入浅出的原则编写而成的。书中详尽地介绍了工业机器人的基础理论、关键技术和工程应用，特别侧重于与工业机器人的数学建模、机械结构、驱动装置、控制方法、运动规划、示教学习、网络控制、作业调度等相关的最新成果。
本书适合工农业生产领域里的科研工作者、工程技术人员和高校师生阅读。
作者简介
肖南峰 博士，华南理工大学计算机科学与工程学院“智能计算机”科研团队负责人，教授，博士生导师。先后承担和完成了2项国家自然科学基金项目、2项广东省自然科学基金重点项目、2项广东省优秀科技专著出版基金项目，以及30多项由教育部、交通运输部、广东省科技厅、广东省教育厅、广州市科信局、华南理工大学、相关企业等资助的研究和开发课题。至今，已在国内外的著名杂志和学术会议上发表了学术论文近160篇，其中被三大索引收录50多篇（次），主编和合编出版了中、英文专著或教材10部，申请或获得发明及实用新型专利10项、软件版权21个。
工业机器人自20世纪60年代初诞生以来，其研究、开发及应用一直是欧美一些发达国家与日本的科学家和企业家的关注焦点，这些国家纷纷耗资去组织和实施相应的发展战略计划，许多著名的企业和大学等都以极大的热情去资助和推动工业机器人的研究、开发及应用。例如，ABB公司、日本发那科公司（FANUC）、安川电机、本田汽车以及美国卡内基梅隆大学等。近20多年来，我国也将工业机器人列为优先支持和鼓励研究的领域，中国科学院沈阳自动化研究所、北京机械工业自动化研究所、哈尔滨工业大学、华南理工大学等许多单位都在进行工业机器人的研究、开发及应用。工业机器人的研究、开发及应用之所以得到如此高的重视，是因为工业机器人具有其他机器人所无法比拟的优势和特点，它可以广泛地用于机械制造、化工生产、包装输送、设备安装、核电维修、道路施工、凿岩采矿、作物栽培、教学科研等许多领域。
20世纪80年代初，工业机器人产品化后，全世界许多发达国家都广泛地采用工业机器人及其自动化生产线，并且已经形成了一个巨大的产业链，年市场容量约为1000亿美元。截至2008年年底，全世界各地已经部署了100多万台各种类型的工业机器人。近年来，我国的工业机器人市场也发展迅速。在中国市场上占有35％市场份额的ABB公司2004年在中国销售了600台工业机器人。据专家预测，到2015年，我国的工业机器人市场容量将达到十几万台（套）。
为了配合国内工业机器人的研究、开发及应用，促进和提高我国工业机器人的研究、开发及应用水平，作者在参考了大量国内外文献资料和研究成果后，本着理论与实践相结合、深入浅出的原则，编写了本书。书中详尽地介绍了工业机器人的基础理论、关键技术和工程应用，特别侧重于与工业机器人的数学建模、机械结构、驱动装置、控制方法、运动规划、示教学习、网络控制、作业调度等相关的最新成果。本书的主要目的是要为工农业生产领域里的科研工作者、工程技术人员和高校师生从事工业机器人的研究、开发及应用提供参考和范例。
在本书的编写过程中，张健生、刘洋、王永明、甘志刚、吴宝阳、江文辉等同学参加了相关章节的资料整理和编写工作，武汉大学郑宏教授和北京科技大学蓝金辉教授，以及华南理工大学计算机科学与工程学院“智能计算机”科研团队的赵跃龙教授、陈琼副教授、梅登华副教授、张芩讲师等也提出了许多宝贵的意见。没有他们的辛勤劳动，本书是不可能完成的，在此谨向他们表示由衷的感谢。此外，本书所述的部分研究内容得到了国家自然科学基金项目（编号60375031、60776816、61171141）、广东省自然科学基金重点项目（编号36552、8251064101000005）、教育部留学回国人员科研启动基金项目（编号2002-247）的资助，在此深表感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，欢迎广大读者提出批评和建议。
编 者
2011年5月
计算机\人工智能
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。它是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，广泛地用于机械制造、化工生产、包装输送、设备安装、核电维修、道路施工、凿岩采矿、作物栽培、教学科研等领域。
本书是作者在参考了大量国内外文献资料和研究成果后，本着理论与实践相结合、深入浅出的原则编写而成的。书中详尽地介绍了工业机器人的基础理论、关键技术和工程应用，特别侧重于与工业机器人的数学建模、机械结构、驱动装置、控制方法、运动规划、示教学习、网络控制、作业调度等相关的最新成果。
本书适合工农业生产领域里的科研工作者、工程技术人员和高校师生阅读。
肖南峰 等编著：肖南峰 博士，华南理工大学计算机科学与工程学院“智能计算机”科研团队负责人，教授，博士生导师。先后承担和完成了2项国家自然科学基金项目、2项广东省自然科学基金重点项目、2项广东省优秀科技专著出版基金项目，以及30多项由教育部、交通运输部、广东省科技厅、广东省教育厅、广州市科信局、华南理工大学、相关企业等资助的研究和开发课题。至今，已在国内外的著名杂志和学术会议上发表了学术论文近160篇，其中被三大索引收录50多篇（次），主编和合编出版了中、英文专著或教材10部，申请或获得发明及实用新型专利10项、软件版权21个。 加作者照片
前 言
作者简介
第1章 概论1
1.1 工业机器人的历史1
1.2 工业机器人的定义2
1.3 工业机器人的种类2
1.4 工业机器人的构成4
1.5 工业机器人的应用4
1.5.1 制造业机器人5
1.5.2 采矿业机器人8
1.5.3 建筑业机器人9
1.5.4 食品业机器人10
1.5.5 农林业机器人11
1.6 工业机器人的发展15
习题16
第2章 工业机器人数学基础17
2.1 点、直线、平面的齐次坐标17
2.1.1 点坐标17
2.1.2 平面坐标18
2.1.3 直线坐标（Plücker坐标）18
2.1.4 螺旋坐标19
2.1.5 点、直线、平面的关系20
2.1.6 齐次坐标的坐标变换22
2.2 刚体的旋转运动25
2.2.1 旋转运动的矩阵表现25
2.2.2 旋转速度与旋转加速度28
2.3 刚体的空间运动32
2.3.1 空间运动的矩阵表现32
2.3.2 相对速度与相对加速度33
2.3.3 速度、加速度矩阵的坐标变换35
2.4 速度和加速度矢量37
2.4.1 速度和加速度矩阵的矢量表示37
2.4.2 6维矢量的外积39
2.4.3 动坐标系上6维矢量的微分40
2.4.4 速度、加速度矢量的坐标变换40
2.4.5 表示空间运动的矢量41
2.5 与刚体运动相关的6维矢量44
2.5.1 刚体的运动量44
2.5.2 对刚体的作用力与力的
惯量46
习题46
第3章 工业机器人体系结构48
3.1 工业机器人的机械结构48
3.2 工业机器人机构学53
3.2.1 空间内刚体的自由度53
3.2.2 空间内刚体的约束53
3.2.3 机构54
3.2.4 过约束机构54
3.2.5 多自由度机构55
3.2.6 多自由度机构的分类57
3.3 工业机器人设计57
3.4 开环机构的运动解析59
3.4.1 位移解析59
3.4.2 速度、加速度解析67
3.5 工业机器人控制系统74
3.5.1 工业机器人的系统构成74
3.5.2 工业机器人的信号构成75
3.5.3 机械臂控制部分的构成与规格76
3.5.4 图像处理部分的构成与参数78
3.5.5 工业机器人运动学79
习题87
第4章 工业机器人操作控制89
4.1 控制系统的总体设计89
4.1.1 控制系统的硬件构成89
4.1.2 浏览器/服务器架构和客户机/服务器架构91
4.1.3 远程控制系统的总体设计93
4.2 工业机器人的操作端输入处理95
4.2.1 DirectInput技术95
4.2.2 手柄输入封装模块96
4.2.3 手柄输入验证程序97
4.3 工业机器人的三维仿真97
4.3.1 三维仿真技术97
4.3.2 物体三维模型的建立98
4.3.3 物体的三维显示技术98
4.4 工业机器人碰撞检测技术102
4.4.1 三维碰撞检测技术102
4.4.2 基于球体包装的碰撞检测102
4.4.3 基于AABB和OBB包装盒的碰撞检测103
4.4.4 碰撞检测实现104
4.4.5 实时碰撞检测系统的性能和精确性104
4.4.6 碰撞检测验证程序105
4.5 视频数据的传输105
4.5.1 视频的网络传输方案106
4.5.2 系统中视频通信实现107
4.5.3 视频传输过程的优化109
4.5.4 控制命令网络传输协议109
习题110
第5章 工业机器人视觉控制111
5.1 装配机器人111
5.2 图像处理算法112
5.2.1 图像的表现112
5.2.2 通过特征抽出法处理图像113
5.2.3 模式匹配法118
5.2.4 灰度图像处理119
5.3 工业机器视觉控制系统119
5.3.1 密封定位控制系统119
5.3.2 视觉传感器的构成120
5.3.3 二值化122
5.3.4 搜索窗123
5.3.5 密封对象的位置和姿势检测126
5.3.6 视觉反馈控制系统设计128
5.3.7 采用模糊规则生成位置目标值131
5.3.8 工业机器人控制系统133
5.3.9 密封作业实验134
习题138
第6章 工业机器人混合控制139
6.1 概述139
6.1.1 工业机器人控制特征139
6.1.2 工业机器人控制方法139
6.1.3 工业机器人路径控制的一般方法147
6.2 工业机器人机构的解析147
6.2.1 位移解析148
6.2.2 速度解析148
6.2.3 力矩解析148
6.3 基于模型的控制149
6.3.1 模型最优控制方法149
6.3.2 运动控制149
6.3.3 上位控制系统150
6.4 工业机器人的力控制151
6.4.1 基于视觉的位置和力控制151
6.4.2 视觉与力觉的传感器融合152
6.4.3 使用视觉信息推导约束坐标系153
6.4.4 用可变约束坐标矩阵进行混合控制157
6.4.5 获取人的技能进行目标路径追踪158
6.4.6 具有力觉的6自由度操作端161
习题163
第7章 工业机器人网络控制164
7.1 概述164
7.1.1 工业机器人远程控制的意义165
7.1.2 远程控制机器人的现状165
7.2 远程控制机器人存在的主要问题168
7.2.1 网络时延问题168
7.2.2 网络时延对远程控制的影响170
7.2.3 网络时延构成170
7.2.4 解决网络时延的方法172
7.3 远程控制机器人系统的控制模式173
7.3.1 网络控制的驱动方式173
7.3.2 网络机器人的控制方式173
7.4 远程控制机器人系统通信协议179
7.4.1 TCP/IP协议模型179
7.4.2 通信协议的选择181
7.4.3 Socket通信原理182
7.5 虚拟现实与遥操作机器人183
7.5.1 虚拟现实与遥操作机器人概述183
7.5.2 虚拟现实技术184
7.5.3 虚拟现实技术与遥操作机器人186
7.5.4 三维仿真技术188
7.6 仿真系统的设计与实现195
7.6.1 仿真系统主要功能结构图195
7.6.2 客户端主要功能196
7.6.3 服务器端主要功能197
7.6.4 系统的逻辑结构设计199
7.6.5 系统功能设计200
7.6.6 客户端软件的设计与实现202
7.6.7 服务器端软件的设计与实现204
7.6.8 客户端和服务器端通信206
7.7 实验与结果分析208
7.7.1 实验装置介绍208
7.7.2 网络时延测试208
7.7.3 Peg-in-Hole实验210
7.7.4 机器人仿真控制实验215
7.7.5 机器人在线控制实验216
7.7.6 实验结果分析218
习题219
第8章 工业机器人调度方法220
8.1 车间调度概述220
8.1.1 车间调度的分类221
8.1.2 车间调度规则和性能指标222
8.1.3 车间调度的发展历程223
8.2 车间作业（Job Shop）调度问题226
8.2.1 Job Shop调度问题描述226
8.2.2 JSSP性能指标227
8.3 基于粒子群优化的问题求解228
8.3.1 粒子群系统中JSSP问题的表述228
8.3.2 初始粒子群生成228
8.3.3 目标函数和适应度函数229
8.3.4 冗余性与二级编码230
8.3.5 粒子群系统的更新方式230
8.3.6 基于粒子群优化求解JSSP问题的流程231
8.4 基于人工免疫系统的问题求解232
8.4.1 抗体群初始化算法232
8.4.2 亲和力的计算和调整233
8.4.3 克隆选择233
8.4.4 疫苗接种和变异233
8.4.5 受体编辑234
8.4.6 基于免疫系统求解JSSP的流程234
8.5 粒子群优化与人工免疫系统求解算法235
8.6 相遇算法和模拟退火求解算法235
8.6.1 基本蚁群算法的过程235
8.6.2 相遇算法236
8.6.3 Job Shop问题的图形化定义237
8.6.4 求解Job Shop问题的相遇算法238
8.6.5 相遇算法与模拟退火求解算法239
习题241
参考文献242
