工业机器人控制：数学模型、软件架构及电子设计

本书从自动化工程师视角，系统讲解工业机器人控制系统的构建方法，涵盖核心理论与实用技巧。书中先深入解析运动学、轨迹规划及运动控制原理，再指导读者动手制作驱动电动机与机器人移动的电路板。理论部分后，本书通过编程控制固件的实践环节，帮助读者将知识落地，详细阐释人机界面、运动指令解释器及伺服电动机核心控制回路等软件组件。特别介绍机器人常用的无刷同步电动机换向算法与伺服环路控制技术。此外，本书还介绍了机器人校准、调试方法，以及数字孪生模型设计，便于在模拟环境中安全测试监控工作单元。本书在硬件方面介绍了电动机与编码器的选型使用、伺服及运动控制器构建、PCB设计，分析不同电子元件及应用电路的优劣。

（意）法布里奇奥·弗里杰尼（Fabrizio Frigeni），一位兼具多元文化背景的工程师、业余爱好者、教师和企业家。他来自意大利，拥有米兰理工大学电气工程学士学位、美国伊利诺伊大学芝加哥分校激光物理学硕士学位、德国德累斯顿工业大学微电子学博士学位。

他在自动化、机器人技术、计算机视觉和机器学习领域积累了丰富经验，曾在奥地利、巴西、印度和中国工作多年，参与多个项目。自2009年起，他定居上海，起初负责管理当地的工程团队，随后创立了自己的公司，致力于教学、咨询以及为自动化机器和机器人设计控制系统。

译者序

技术审校者简介

前言

第1章 工业机器人

1.1 机器人相关术语

1.2 机器人类型

1.3 机器人控制系统的架构

1.4 数字孪生

1.5 小结

第1篇 机器人几何结构

第2章 几何框架

2.1 参考坐标系

2.2 坐标系操作

2.3 坐标系平移

2.4 坐标系旋转

2.5 旋转矩阵的属性

2.6 旋转组合：欧拉角

2.7 旋转矩阵的分解

2.8 列向量

2.9 表达旋转

2.10 平移和旋转组合

2.11 实际案例

2.12 逆变换

2.13 小结

第3章 正向运动学

3.1 机械结构

3.2 逐步求解

3.3 组合变换矩阵

3.4 数值计算实例

3.5 零坐标系

3.6 工具坐标系

3.7 机械耦合

3.8 小结

第4章 逆向运动学

4.1 闭式推导

4.2 非线性问题

4.3 非唯一解

4.4 奇点

4.5 IK步骤1：解耦

4.6 IK步骤2：求解下臂部分

4.7 IK步骤3：求解腕部

4.8 数值测试

4.9 零坐标系

4.10 工具坐标系

4.11 机械耦合

4.12 小结

第2篇 机器人运动

第5章 路径规划

5.1 PTP运动

5.2 路径运动

5.3 四元数

5.4 SLERP

5.5 直线路径插值

5.6 圆形路径插值

5.7 样条曲线插值

5.8 De Casteljau算法

5.9 圆滑过渡

5.10 过渡

5.11 路径长度

5.12 外部路径修正

5.13 小结

第6章 工作空间监控

6.1 线性化

6.2 安全区

6.3 禁止区

6.4 线框模型

6.5 安全方向监控

6.6 自碰撞

6.7 胶囊形禁止区

6.8 专属区

6.9 碰撞检测

6.10 小结

第7章 轨迹生成器

7.1 S曲线轨迹

7.2 正弦轨迹

7.3 Bezier轨迹

7.4 时间最优运动

7.5 微分运动学

7.6 路径速度单位

7.7 实践中的最优运动

7.8 时域滤波器

7.9 外部路径修正

7.10 小结

第8章 静力学与动力学

8.1 静力学

8.2 奇点

8.3 动力学

8.4 动力学模型

8.5 拉格朗日方法

8.6 牛顿-欧拉方法

8.7 参数辨识

8.8 转矩前馈

8.9 轨迹优化

8.10 手动示教

8.11 电动机技术参数

8.12 小结

第3篇 机器人软件

第9章 固件

9.1 人机界面

9.2 解释器

9.3 主控制器

9.4 内核接口

9.5 伺服驱动器

9.6 电子换向

9.7 小结

第10章 校准

10.1 机器人机体校准

10.2 工具校准

10.3 工作单元校准

10.4 小结

第11章 调试

11.1 安全

11.2 整定

11.3 小结

第12章 仿真

12.1 Unity3D

12.2 构建场景

12.3 导入CAD模型

12.4 脚本编程

12.5 通信功能

12.6 用户界面

12.7 机器学习

12.8 小结

第13章 机器视觉

13.1 智能相机

13.2 视觉功能

13.3 深度学习

13.4 卷积网络

13.5 小结

第4篇 机器人硬件

第14章 电动机

14.1 直流电动机

14.2 步进电动机

14.3 无刷电动机

14.4 直线电动机

14.5 电动机选型

14.6 小结

第15章 编码器

15.1 霍尔式传感器

15.2 正交编码器

15.3 SSI

15.4 Tamagawa接口

15.5 小结

第16章 伺服驱动器

16.1 电源开关

16.2 栅极驱动器

16.3 电流检测

16.4 小结

第17章 电源管理

17.1 直流总线电压

17.2 保护功能

17.3 电压转换器

17.4 小结

第18章 主控制器

18.1 微控制器

18.2 输入/输出模块

18.3 现场总线

18.4 集成解决方案

18.5 显示器

18.6 小结

第19章 硬件制造

19.1 PCB设计

19.2 机械设计

19.3 小结

附录 运动学模型