一部顺应中国制造2025智能装备新要求、技术先进、数据可靠的现代化机械设计工具书，从新时代机械设计人员的实际需求出发，追求现代感，兼顾实用性、通用性，准确性，涵盖了各种常规和通用的机械设计技术资料，贯彻了新的国家及行业标准，推荐了国内外先进、智能、节能、通用的产品。

《现代机械设计手册》第一版自2011年3月出版以来，赢得了机械设计人员、工程技术人员和高等院校专业师生广泛的青睐和好评，荣获了2011年全国优秀畅销书（科技类）。同时，因其在机械设计领域重要的科学价值、实用价值和现实意义，《现代机械设计手册》还荣获2009年国家出版基金资助和2012年中国机械工业科学技术奖。

《现代机械设计手册》第一版出版距今已经8年，在这期间，我国的装备制造业发生了许多重大的变化，尤其是2015年国家部署并颁布了实现中国制造业发展的十年行动纲领中国制造2025，发布了针对中国制造2025的五大工程实施指南，为机械制造业的未来发展指明了方向。在国家政策号召和驱使下，我国的机械工业获得了快速的发展，自主创新的能力不断加强，一批高技术、高性能、高精尖的现代化装备不断涌现，各种新材料、新工艺、新结构、新产品、新方法、新技术不断产生、发展并投入实际应用，大大提升了我国机械设计与制造的技术水平和国际竞争力。《现代机械设计手册》第二版最重要的原则就是紧密结合中国制造2025国家规划和创新驱动发展战略，在内容上与时俱进，全面体现创新、智能、节能、环保的主题，进一步呈现机械设计的现代感。鉴于此，《现代机械设计手册》第二版被列入了十三五国家重点出版物规划项目。

在本版手册的修订过程中，我们广泛深入机械制造企业、设计院、科研院所和高等院校进行调研，听取各方面读者的意见和建议，最终确定了《现代机械设计手册》第二版的根本宗旨：一方面，新版手册进一步加强机、电、液、控制技术的有机融合，以全面适应机器人等智能化装备系统设计开发的新要求；另一方面，随着现代机械设计方法和工程设计软件的广泛应用和普及，新版手册继续促进传动设计与现代设计的有机结合，将各种新的设计技术、计算技术、设计工具全面融入传统的机械设计实际工作中。

《现代机械设计手册》第二版共6卷35篇，它是一部面向中国制造2025 ，适应智能装备设计开发新要求、技术先进、数据可靠、符合现代机械设计潮流的现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法及应用三部分内容，具有以下六大特色。

1.权威性。《现代机械设计手册》阵容强大，编、审人员大都来自设计、生产、教学和科研第一线，具有深厚的理论功底、丰富的设计实践经验。他们中很多人都是所属领域的知名专家，在业内有广泛的影响力和知名度，获得过多项国家和省部级科技进步奖、发明奖和技术专利，承担了许多机械领域国家重要的科研和攻关项目。这支专业、权威的编审队伍确保了手册准确、实用的内容质量。

2.现代感。追求现代感，体现现代机械设计气氛，满足时代要求，是《现代机械设计手册》的基本宗旨。现代二字主要体现在：新标准、新技术、新材料、新结构、新工艺、新产品、智能化、现代的设计理念、现代的设计方法和现代的设计手段等几个方面。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、数字化设计等内容。

（1）零件结构设计等篇进一步完善零部件结构设计的内容，结合目前的3D打印（增材制造）技术，增加3D打印工艺下零件结构设计的相关技术内容。

机械工程材料篇增加3D打印材料以及新型材料的内容。

（2）机械零部件及传动设计各篇增加了新型智能零部件、节能元器件及其应用技术，例如滑动轴承篇增加了新型的智能轴承，润滑篇增加了微量润滑技术等内容。

（3）全面增加了工业机器人设计及应用的内容：新增了工业机器人系统设计篇；智能装备系统设计篇增加了工业机器人应用开发的内容；机构篇增加了自动化机构及机构创新的内容；减速器、变速器篇增加了工业机器人减速器选用设计的内容；带传动、链传动篇增加并完善了工业机器人适用的同步带传动设计的内容；齿轮传动篇增加了RV减速器传动设计、谐波齿轮传动设计的内容等。

（4）气压传动与控制液压传动与控制篇重点加强并完善了控制技术的内容，新增了气动系统自动控制、气动人工肌肉、液压和气动新型智能元器件及新产品等内容。

（5）继续加强第5卷机电控制系统设计的相关内容：除增加工业机器人系统设计篇外，原机电一体化系统设计篇充实扩充形成智能装备系统设计篇，增加并完善了智能装备系统设计的相关内容，增加智能装备系统开发实例等。

传感器篇增加了机器人传感器、航空航天装备用传感器、微机械传感器、智能传感器、无线传感器的技术原理和产品，加强传感器应用和选用的内容。

控制元器件和控制单元篇和电动机篇全面更新产品，重点推荐了一些新型的智能和节能产品，并加强产品选用的内容。

（6）第6卷进一步加强现代机械设计方法应用的内容：在3D打印、数字化设计等智能制造理念的倡导下，逆向设计数字化设计等篇全面更新，体现了智能工厂的全数字化设计的时代特征，增加了相关设计应用实例。

增加绿色设计篇；创新设计篇进一步完善了机械创新设计原理，全面更新创新实例。

（7）在贯彻新标准方面，收录并合理编排了目前最新颁布的国家和行业标准。

3.实用性。新版手册继续加强实用性，内容的选定、深度的把握、资料的取舍和章节的编排，都坚持从设计和生产的实际需要出发：例如机械零部件数据资料主要依据最新国家和行业标准，并给出了相应的设计实例供设计人员参考；第5卷机电控制设计部分，完全站在机械设计人员的角度来编写注重产品如何选用，摒弃或简化了控制的基本原理，突出机电系统设计，控制元器件、传感器、电动机部分注重介绍主流产品的技术参数、性能、应用场合、选用原则，并给出了相应的设计选用实例；第6卷现代机械设计方法中简化了烦琐的数学推导，突出了最终的计算结果，结合具体的算例将设计方法通俗地呈现出来，便于读者理解和掌握。

为方便广大读者的使用，手册在具体内容的表述上，采用以图表为主的编写风格。这样既增加了手册的信息容量，更重要的是方便了读者的查阅使用，有利于提高设计人员的工作效率和设计速度。

为了进一步增加手册的承载容量和时效性，本版修订将部分篇章的内容放入二维码中，读者可以用手机扫描查看、下载打印或存储在PC端进行查看和使用。二维码内容主要涵盖以下几方面的内容：即将被废止的旧标准（新标准一旦正式颁布，会及时将二维码内容更新为新标准的内容）；部分推荐产品及参数；其他相关内容。

4.通用性。本手册以通用的机械零部件和控制元器件设计、选用内容为主，主要包括机械设计基础资料、机械制图和几何精度设计、机械工程材料、机械通用零部件设计、机械传动系统设计、液压和气压传动系统设计、机构设计、机架设计、机械振动设计、智能装备系统设计、控制元器件和控制单元等，既适用于传统的通用机械零部件设计选用，又适用于智能化装备的整机系统设计开发，能够满足各类机械设计人员的工作需求。

5.准确性。本手册尽量采用原始资料，公式、图表、数据力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件和元器件、产品和工艺方面的标准均采用最新公布的标准资料，对于标准规范的编写，手册没有简单地照抄照搬，而是采取选用、摘录、合理编排的方式，强调其科学性和准确性，尽量避免差错和谬误。所有设计方法、计算公式、参数选用均经过长期检验，设计实例、各种算例均来自工程实际。手册中收录通用性强、标准化程度高的产品，供设计人员在了解企业实际生产品种、规格尺寸、技术参数，以及产品质量和用户的实际反映后选用。

6.全面性。本手册一方面根据机械设计人员的需要，按照基本、常用、重要、发展的原则选取内容，另一方面兼顾了制造企业和大型设计院两大群体的设计特点，即制造企业侧重基础性的设计内容，而大型的设计院、工程公司侧重于产品的选用。因此，本手册力求实现零部件设计与整机系统开发的和谐统一，促进机械设计与控制设计的有机融合，强调产品设计与工艺技术的紧密结合，重视工艺技术与选用材料的合理搭配，倡导结构设计与造型设计的完美统一，以全面适应新时代机械新产品设计开发的需要。

经过广大编审人员和出版社的不懈努力，新版《现代机械设计手册》将以崭新的风貌和鲜明的时代气息展现在广大机械设计工作者面前。值此出版之际，谨向所有给过我们大力支持的单位和各界朋友表示衷心的感谢！



主编

第23篇 工业机器人系统设计

第1章工业机器人技术基础

1.1工业机器人定义23-3

1.2工业机器人组成23-3

1.2.1操作机23-3

1.2.2控制器23-6

1.2.3示教器23-8

1.2.4驱动系统23-8

1.2.5传感器23-10

1.3视觉技术23-10

1.4工业机器人主要性能参数23-11

1.5工业机器人基本术语23-13

1.5.1有关机械结构和性能的术语23-13

1.5.2有关控制和安全的术语23-14

1.6工业机器人分类23-15

1.6.1按结构特征划分23-15

1.6.2按控制方式划分23-16

1.6.3按驱动方式划分23-17

1.6.4按应用领域划分23-17

1.7工业机器人应用和发展趋势23-19



第2章机器人运动学与动力学

2.1数理基础23-22

2.1.1位置描述23-22

2.1.2方位描述23-22

2.1.3位姿描述23-23

2.2坐标变换23-23

2.2.1平移坐标变换23-23

2.2.2旋转坐标变换23-23

2.3齐次坐标变换23-24

2.3.1齐次变换23-24

2.3.2平移齐次坐标变换23-24

2.3.3旋转齐次坐标变换23-24

2.4物体的变换及逆变换23-25

2.4.1物体位置描述23-25

2.4.2齐次变换的逆变换23-25

2.4.3变换方程初步23-26

2.5通用旋转变换23-26

2.5.1通用旋转变换公式23-26

2.5.2等效转角与转轴23-27

2.6机器人运动学23-28

2.6.1机器人运动方程的表示23-28

2.6.1.1运动姿态和方向角23-28

2.6.1.2运动位置和坐标23-30

2.6.1.3连杆变换矩阵及其乘积23-31

2.6.2机械手运动方程的求解23-32

2.6.2.1欧拉变换解23-32

2.6.2.2滚、仰、偏变换解23-34

2.6.2.3球面变换解23-34

2.7机器人动力学23-35

2.7.1刚体动力学23-35

2.7.1.1刚体的动能与位能23-35

2.7.1.2动力学方程的两种求法23-36

2.7.2机械手动力学方程23-39

2.7.2.1速度的计算23-39

2.7.2.2动能和位能的计算23-40

2.7.2.3动力学方程的推导23-42



第3章工业机器人本体

3.1概述23-44

3.1.1工业机器人的本体结构23-44

3.1.2工业机器人本体的发展趋势23-45

3.2工业机器人自由度与坐标形式23-46

3.2.1工业机器人的自由度23-46

3.2.2工业机器人本体的运动副23-46

3.2.3工业机器人运动坐标形式23-48

3.2.4工业机器人的主要构型23-48

3.3工业机器人工作空间与结构尺寸23-50

3.3.1机器人工作空间23-50

3.3.2确定工作空间的几何法23-51

3.3.3工作空间与机器人结构尺寸的关系23-51

3.4机器人结构优化23-51

3.4.1结构优化的目的23-51

3.4.2位置结构的优化设计23-51

3.4.3要求使工作空间最小的优化设计23-52

3.4.4要求使工作空间最大的优化设计23-52

3.5机器人整机设计原则和方法23-52

3.5.1机器人整机设计原则23-52

3.5.2机器人本体设计步骤23-53

3.6机器人的机械结构23-54

3.6.1腰部结构23-54

3.6.2臂部结构23-55

3.6.3腕部结构23-57

3.6.4末端执行器结构23-58

3.6.5工业机器人的运动传动机构23-58

3.6.6工业机器人的移动机构23-63

3.6.7SCARA23-65

3.6.8并联机器人23-66

3.6.9AGV23-67

3.7刚度、强度计算及误差分配23-69

3.7.1机器人刚度计算23-69

3.7.2机器人本体强度计算23-69

3.7.3机器人本体连杆参数误差分配23-69



第4章工业机器人控制系统

4.1概述23-70

4.1.1工业机器人控制系统的特点23-70

4.1.2工业机器人控制系统的主要功能23-70

4.1.3工业机器人的控制方式23-71

4.1.4工业机器人控制系统达到的功能23-71

4.1.5工业机器人控制系统的特点23-71

4.2工业机器人先进控制技术和方法23-71

4.2.1自适应控制23-72

4.2.2滑模变结构控制23-72

4.2.3鲁棒控制23-72

4.2.4智能控制23-72

4.3机器人控制系统分类23-73

4.3.1集中式控制系统CCS23-73

4.3.2分布式控制系统DCS23-73

4.4机器人控制系统设计23-74

4.4.1控制系统结构23-74

4.4.2下位机控制系统的设计23-75

4.4.3示教盒从机的设计23-76

4.5机器人典型控制方法23-76

4.5.1机器人PID控制23-76

4.5.1.1机器人独立PD控制23-76

4.5.1.2基于重力补偿的机器人PD控制23-77

4.5.1.3机器人鲁棒自适应PD控制23-77

4.5.2滑模控制23-78

4.5.2.1工作原理23-79

4.5.2.2滑模控制设计流程23-79

4.5.2.3机械手滑模鲁棒控制23-80

4.5.2.4基于计算力矩法的滑模控制23-81

4.5.2.5基于输入输出稳定性理论的滑模控制23-82

4.5.3自适应控制23-83

4.5.3.1自适应控制系统23-83

4.5.3.2自适应控制系统类型23-83

4.5.3.3自适应机器人23-84

4.5.3.4自适应控制常用的控制器23-84

4.5.4模糊控制23-86

4.5.4.1基本原理23-86

4.5.4.2模糊控制规则生成23-87

4.5.4.3规则形式23-87

4.5.4.4Fuzzy-PID复合控制23-87

4.5.5机器人顺应控制23-88

4.5.5.1概述23-88

4.5.5.2被动式顺应控制23-88

4.5.5.3主动式顺应控制23-89

4.5.6位置和力控制23-89

4.5.6.1位置控制23-89

4.5.6.2力控制23-89

4.5.6.3位置和力的混合控制23-92

4.5.6.4R-C控制器23-92

4.5.6.5改进的R-C力和位置混合控制23-93

4.6控制系统硬件构成23-94

4.6.1机器人控制系统硬件组成23-94

4.6.2机器人控制系统结构23-94

4.6.3机器人控制器23-96

4.7控制系统软件构成23-97

4.7.1程序数据建立23-97

4.7.1.1初识程序数据23-97

4.7.1.2程序数据的类型与分类23-97

4.7.1.3关键的程序数据23-98

4.7.2RAPID程序创建23-98

4.7.2.1程序模块与例行程序23-98

4.7.2.2RAPID 控制指令23-98

4.8机器人常用编程语言23-99



第5章工业机器人驱动系统

5.1概述23-100

5.2机器人驱动系统特点23-100

5.2.1基本驱动系统的特点23-100

5.2.2电液伺服驱动系统的特点23-100

5.3电动驱动系统23-100

5.3.1同步式交流伺服电动机及驱动器23-101

5.3.1.1交流伺服电动机分类和特点23-102

5.3.1.2交流同步伺服电动机23-104

5.3.1.3应用举例：工业机器人伺服电动机行业测试解决方案MPT100023-104

5.3.2步进电动机及驱动器23-105

5.3.2.1概述23-105

5.3.2.2驱动方式23-107

5.3.2.3步进电动机驱动板说明23-108

5.3.2.4步进电动机及步进驱动器配套选型23-109

5.3.3直流伺服电动机及驱动器23-109

5.3.3.1直流伺服电动机的特点23-110

5.3.3.2直流伺服电动机的工作原理23-110

5.3.3.3工作特性23-111

5.3.3.4直流伺服电动机调速原理23-112

5.3.3.5直流伺服电动机特点及应用范围23-115

5.3.4直接驱动电动机23-115

5.3.4.1直线电动机工作原理23-116

5.3.4.2直线电动机的特点23-117

5.3.4.3直线电动机的分类23-118

5.3.4.4力矩电动机工作原理、特点及分类23-118

5.3.4.5直流驱动电动机应用实例23-119

5.4电液伺服驱动系统23-120

5.4.1系统组成23-121

5.4.2特点23-121

5.4.3工作原理23-121

5.4.4要求23-121

5.4.5设计步骤23-121

5.4.6液压系统及其在机器人驱动与控制中的应用23-122

5.5气动驱动系统23-122

5.5.1气动驱动系统构件23-122

5.5.2气动比例控制系统23-123

5.5.2.1气动比例控制系统组成23-123

5.5.2.2MPYE型伺服阀23-123

5.5.3控制原理23-124

5.5.4控制应用23-124

5.5.4.1张力控制23-124

5.5.4.2加压控制23-124

5.5.4.3位置和力控制23-124

5.5.5气动系统在机器人驱动与控制中的应用23-125

5.5.5.1气动系统在机器人中应用的优势23-125

5.5.5.2气动机器人的适合场合23-125

5.5.5.3气动机器人技术应用进展23-125

5.5.5.4气动机器人应用23-126



第6章工业机器人常用传感器

6.1概述23-128

6.1.1传感器定义及指标23-128

6.1.2机器人的感觉策略23-128

6.1.3机器人传感器的分类23-129

6.1.4传感器选用原则23-130

6.2内传感器23-131

6.2.1规定位置/角度的检测23-131

6.2.2位置和角度的检测23-132

6.2.3速度和角速度的检测23-135

6.2.4加速度和角加速度的测量23-136

6.2.5姿态角的检测23-138

6.3外传感器23-140

6.3.1视觉传感器23-140

6.3.2触觉传感器23-144

6.3.3力觉传感器23-147

6.3.4接近觉传感器23-150

6.3.5长距离传感器23-152

6.3.6听觉传感器23-154

6.3.7其他相关传感器23-155



第7章机器人视觉技术

7.1概述23-157

7.1.1应用背景23-157

7.1.2发展现状23-157

7.1.3视觉伺服关键技术问题23-158

7.2机器人视觉系统组成23-160

7.2.1机器人视觉系统的分类23-160

7.2.1.1视觉伺服系统的分类23-160

7.2.1.2全向视觉系统分类23-161

7.2.2机器人视觉伺服控制系统的组成23-162

7.2.3镜头和视觉传感器23-163

7.2.3.1针孔摄像机23-163

7.2.3.2高斯光学23-163

7.2.3.3远心镜头23-165

7.2.3.4视觉传感器23-166

7.3单目视觉23-168

7.3.1单目摄像机标定23-168

7.3.2单目视觉的位置测量23-169

7.3.3单目视觉定位方法23-170

7.3.3.1基于单帧图像的定位方法23-170

7.3.3.2基于双帧或多帧图像的定位23-171

7.4双目视觉23-171

7.4.1双目立体视觉原理23-171

7.4.2双目立体视觉的精度分析23-173

7.4.3双目立体视觉的系统结构23-174

7.4.3.1基于两个摄像机的双目系统结构23-175

7.4.3.2基于单个摄像机的双目系统结构23-175

7.4.4双目立体视觉中的极线几何23-176

7.4.5双目立体视觉中的对应点匹配23-177

7.4.5.1图像匹配的常用方法23-177

7.4.5.2已知极线几何的对应点匹配方法23-178

7.4.5.3未知极线几何的对应点匹配方法23-179

7.4.6双目视觉系统标定23-181

7.4.6.1双目立体视觉常规标定方法23-181

7.4.6.2基于标准长度的标定方法23-181

7.5机器人二维视觉信息处理23-182

7.5.1数字化处理23-182

7.5.1.1采样23-182

7.5.1.2量化23-182

7.5.2编码压缩23-183

7.5.2.1压缩的原理23-183

7.5.2.2编码分类23-183

7.5.3图像增强和复原23-183

7.5.3.1图像增强23-183

7.5.3.2图像复原23-187

7.5.4图像分割23-187

7.5.4.1阈值化23-187

7.5.4.2基于边缘的分割23-187

7.5.4.3基于区域的分割23-188

7.5.5形态学处理23-188

7.5.5.1二值形态学23-188

7.5.5.2灰度形态学23-189

7.5.6特征提取23-190

7.5.6.1特征的定义与分类23-190

7.5.6.2特征选取的准则23-191

7.5.6.3基本纹理特征23-191

7.5.7模式识别23-192

7.5.7.1模式与模式识别23-192

7.5.7.2统计模式识别23-193

7.5.7.3句法模式识别23-193

7.6机器人三维视觉信息处理23-195

7.6.1三维重建23-195

7.6.1.1被动式三维重建技术23-195

7.6.1.2主动式三维重建技术23-196

7.6.2基于深度传感器的三维重建流程23-198

7.6.2.1相关概念23-198

7.6.2.2具体流程23-200

7.7机器人视觉技术应用23-203

7.7.1消防机器人视觉感知技术23-203

7.7.2基于机器视觉的工业机器人分拣技术23-203

7.7.3苹果采摘机器人视觉感知技术23-205



第8章工业机器人典型应用

8.1焊接机器人23-207

8.1.1焊接机器人的分类及特点23-207

8.1.2焊接机器人的系统组成23-208

8.1.2.1点焊机器人23-208

8.1.2.2弧焊机器人23-209

8.1.2.3激光焊接机器人23-210

8.1.3焊接机器人的周边设备与布局23-210

8.1.3.1周边设备23-210

8.1.3.2工位布局23-212

8.1.4焊接机器人应用案例23-213

8.1.4.1点焊机器人应用案例23-213

8.1.4.2弧焊机器人应用案例23-213

8.1.4.3激光焊接机器人应用案例23-213

8.2搬运机器人23-213

8.2.1搬运机器人的分类及特点23-213

8.2.2搬运机器人的系统组成23-214

8.2.3搬运机器人的周边设备与工位布局23-214

8.2.3.1周边设备23-214

8.2.3.2工位布局23-215

8.2.4搬运机器人应用实例23-215

8.3码垛机器人23-215

8.3.1码垛机器人分类及特点23-215

8.3.2码垛机器人的系统组成23-215

8.3.3码垛机器人的周边设备和工位布局23-216

8.3.3.1周边设备23-216

8.3.3.2工位布局23-217

8.3.4码垛机器人应用实例23-218

8.4装配机器人23-218

8.4.1装配机器人分类及特点23-218

8.4.2装配机器人的系统组成23-219

8.4.3装配机器人的周边设备和工位布局23-220

8.4.3.1周边设备23-220

8.4.3.2工位布局23-220

8.4.4装配机器人应用实例23-220

8.5涂装机器人23-220

8.5.1涂装机器人分类及特点23-220

8.5.2涂装机器人的系统组成23-221

8.5.3涂装机器人的周边设备和工位布局23-221

8.5.3.1周边设备23-222

8.5.3.2工位布局23-222

8.5.4涂装机器人应用实例23-222

8.6打磨抛光机器人23-222

8.6.1打磨抛光机器人分类及特点23-222

8.6.2打磨抛光机器人的系统组成23-223

8.6.3打磨抛光机器人的周边设备和工位布局23-224

8.6.3.1周边设备23-224

8.6.3.2工位布局23-225

8.6.4打磨抛光机器人应用实例23-225

8.7协作机器人23-225

8.7.1协作机器人定义和特点23-226

8.7.2协作机器人的典型产品23-226



参考文献23-228