机器人驱动及控制_李怀勇朱为国高荣杨权权陈中_9787111761648

机器人被誉为制造业皇冠顶端的明珠,其研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业发展水平的重要标志。当前,机器人产业蓬勃发展、产业规模快速增长、技术水平持续提升、重点产业集群优势逐步显现,正极大改变着人类生产和生活方式,为经济社会发展注入强劲动力。
机器人正常动作需要各关节驱动器在控制系统的控制下正确驱动才能得以实现。本书围绕机器人常见驱动模式及控制方法展开介绍,主要讲述机器人电气、液压各驱动器的工作原理、工作特性和系统控制技术。全书共分为7章,分别是:绪论、机器人步进电动机驱动及控制、机器人直流伺服电动机驱动及控制、机器人交流伺服电动机驱动及控制、微型机器人压电电动机驱动及控制、液压控制元件基础、机器人电液伺服驱动及控制。读者通过本书的学习,可熟知和掌握机器人常用的电动机驱动、液压驱动与控制的基础理论、基本知识和基本技能,具备一定分析和解决机器人驱动与控制相关的工程技术问题的能力,了解这些技术的最新发展和应用前沿,为后续内容学习和机器人驱动系统创新设计奠定理论基础。
本书可作为高等院校机器人工程、机电工程类、电气自动化类及其他相关专业高年级本科生及研究生的教材,也可作为从事机器人驱动与控制、电液控制方面工作的工程技术人员的参考书。

当前数字经济发展日新月异,不断催生新产业、新模式和新业态,展现出巨大的发展潜能。机器人作为数字经济时代最具标志性的工具,正在深刻改变着人类的生产和生活方式。机器人在促进科技创新、推动产业升级、保障国家安全和守护人民健康等方面发挥着愈加重要的作用,已成为衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志。
机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器,主要通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务。机器人各关节的协调动作需要其驱动器通过控制系统的协同控制进行正确驱动才能得以实现,涉及机械、电子、计算机和人工智能等多种技术实践性学科,是机电一体化领域范畴内的最高成就代表。本书以机器人常见电气、液压驱动模式及控制方法为主线展开介绍,共7章,具体内容如下:
第1章介绍了机器人的起源与发展简史、定义、特点、分类,工业机器人的结构组成、主要技术参数以及机器人的应用领域。
第2章介绍了机器人步进电动机驱动及控制中的驱动源步进电动机结构、性能要求和混合式步进电动机工作原理;重点阐述了反应式步进电动机工作原理、基本特点、运动特性和驱动控制方法;还介绍了步进电动机在六自由度切削机器人中的应用案例。
第3章介绍了机器人直流伺服电动机驱动及控制中的伺服电动机系统、伺服电动机、直流伺服电动机技术参数和技术要求,常见特种直流伺服电动机的结构和工作特点;重点阐述了直流伺服电动机基本结构、励磁方式、工作原理、控制方式、运行特性和动态特性;还介绍了直流伺服电动机在足球机器人中的应用案例。
第4章介绍了机器人交流伺服电动机驱动及控制中的两相交流感应伺服电动机基本结构、主要技术参数和性能指标,电容伺服电动机的特性;重点阐述了两相交流感应伺服电动机的工作原理、控制方法、静态特性、圆形和椭圆形旋转磁场产生的机理及运行分析,永磁式同步电动机的工作原理,反应式同步电动机工作原理和振荡产生机理,反应式和励磁式电磁减速同步电动机工作原理;还介绍了交流伺服电动机在焊接机器人中的应用案例。
第5章介绍了微型机器人压电电动机驱动及控制中所用压电电动机的发展简史,微型压电电动机的特点及应用,杆式、旋转尺蠖式等新构型压电电动机的工作原理;重点阐述了微型压电电动机的驱动机理、行波型超声波电动机的工作原理和运行特性、行波型超声波电动机的驱动控制方法;还介绍了压电电动机在关节机器人中的应用案例。
第6章介绍了机器人电液伺服驱动及控制所用的液压控制元件液压控制阀结构、分类、滑阀的输出功率及效率;重点阐述了液压伺服控制系统的工作原理、组成、特点、滑阀静态特性分析方法、零开口和正开口四边滑阀的静态特性、四边阀控液压缸传递函数的建立和动态特性。
第7章介绍了机器人电液伺服驱动及控制所用电液伺服驱动控制系统核心元器件电液伺服阀的组成、分类、特性、主要性能指标,电液速度和力伺服系统特性分析与系统校正;重点阐述了力反馈两级电液伺服阀工作原理、电液伺服驱动控制系统工作原理、电液位置伺服系统特性分析与系统校正;还介绍了电液驱动在BigDog四足仿生机器人中的应用案例。
本书的编写注重理论与实践相结合,取材新颖,面向机器人工程实际应用,力求做到条理分明、概念清晰、深入浅出和好学易懂,突出教材的实用性和先进性。各章前均附有学习目标,章后均附有知识小结和习题,有助于读者对各章节内容侧重点的理解和把握。
本书由淮阴工学院李怀勇高级工程师、朱为国教授、高荣教授、杨权权教授和陈中教授编著。第1章由高荣教授、杨权权教授编写,第2章由朱为国教授编写,第3章由陈中教授编写,第4~7章由李怀勇高级工程师编写。全书由李怀勇统稿,本科生钱伟民、研究生张冬亚对本书部分内容的编写给予了帮助。
衷心感谢燕山大学机械工程学院许立忠教授担任本书主审,并对本书的成稿和各章节内容的编排提出了许多宝贵的意见和建议,付出了辛勤的劳动。燕山大学机械工程学院邢继春副教授、江苏科技大学机械工程学院李冲副教授为本书的完成提供了鼎力支持和热心帮助,在此一并致以诚挚的感谢。书中吸收和借鉴了同类教科书和其他参考文献的精华,为此对其作者深表谢意。另外,在本书即将出版之际,编著者也要特别感谢给予我们编著团队大力支持和帮助的淮阴工学院各级领导及同事们。
在编写的过程中,尽管本书的各位编著者倾注了极大的热情与心血,但由于学识和水平所限,书中难免存在纰漏和不妥之处,恳请广大读者批评指正,以便再版时进行修订、补充和完善。不胜感谢!
编著者目录前言
第1章绪论1
本章学习目标1
11机器人的起源与发展简史1
111机器人的起源1
112机器人的发展简史2
12机器人的定义、特点与分类4
121机器人的定义和特点4
122机器人分类5
13机器人的发展现状9
131产品发展现状9
132技术发展13
14工业机器人的组成与技术参数14
141工业机器人系统的组成15
142工业机器人的技术参数17
15工业机器人的应用20
本章小结21
本章习题22
第2章机器人步进电动机驱动及控制23
本章学习目标23
21步进电动机概述23
22步进电动机的结构及性能要求2

目录前言
第1章绪论1
本章学习目标1
11机器人的起源与发展简史1
111机器人的起源1
112机器人的发展简史2
12机器人的定义、特点与分类4
121机器人的定义和特点4
122机器人分类5
13机器人的发展现状9
131产品发展现状9
132技术发展13
14工业机器人的组成与技术参数14
141工业机器人系统的组成15
142工业机器人的技术参数17
15工业机器人的应用20
本章小结21
本章习题22
第2章机器人步进电动机驱动及控制23
本章学习目标23
21步进电动机概述23
22步进电动机的结构及性能要求25
221步进电动机的结构25
222步进电动机的性能要求27
23反应式步进电动机的工作原理27
231通电方式分析28
232小步距角步进电动机29
24混合式步进电动机的工作原理31
241两相混合式步进电动机结构31
242工作原理31
25步进电动机的基本特点33
26反应式步进电动机的运动特性36
261静态特性36
262动态特性41
263主要性能指标47
27步进电动机驱动控制48
271驱动控制器48
272功率驱动电路49
28步进电动机在六自由度切削机器人中的应用52
281应用概述52
282应用案例53
本章小结55
本章习题56
第3章机器人直流伺服电动机驱动及控制58
本章学习目标58
31概述59
32直流伺服电动机的基本结构和励磁方式60
321直流伺服电动机的基本结构60
322直流伺服电动机的励磁方式62
33直流伺服电动机的工作原理62
331工作原理概述62
332感应电动势和电磁转矩63
34直流伺服电动机的技术参数和运行特点65
341技术参数65
342运行特点66
35直流伺服电动机的控制方式和运行特性66
351控制方式66
352运行特性68
36直流伺服电动机的动态特性77
361直流伺服电动机过渡过程分析77
362机电时间常数与电动机参数的关系80
37特种直流伺服电动机81
371直流力矩电动机81
372低惯量型直流伺服电动机83
38直流伺服电动机在足球机器人中的应用85
381应用概述86
382应用案例86
本章小结89
本章习题90
第4章机器人交流伺服电动机驱动及控制92
本章学习目标92
41两相交流感应伺服电动机结构92
411概述92
412两相感应伺服电动机转子结构93
42两相交流感应伺服电动机工作原理94
421工作原理概述94
422两相绕组旋转磁场产生机理96
423旋转磁场的转向98
424旋转磁场的转速99
43两相交流感应伺服电动机的控制101
44圆形旋转磁场作用下的运行分析102
441电压平衡方程式的建立103
442获得圆形旋转磁场的条件106
443电磁转矩及机械特性108
45椭圆形旋转磁场及其分析方法113
451椭圆形旋转磁场的形成114
452椭圆形旋转磁场的分析115
46两相感应伺服电动机的静态特性118
461有效信号系数118
462不同有效信号系数时的机械特性119
463零信号时的机械特性和无自转现象121
464转速的控制与调节特性122
465堵转特性123
466机械特性实用表达式123
47电容伺服电动机的特性124
471励磁电压随转速的变化124
472机械特性和调节特性126
48两相感应伺服电动机主要技术数据和性能指标127
481主要技术数据127
482主要性能指标127
483两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较129
49同步电动机131
491永磁式同步电动机133
492反应式同步电动机135
493电磁减速式同步电动机137
410交流伺服电动机在焊接机器人中的应用141
4101应用概述141
4102焊接机器人控制系统141
本章小结144
本章习题145
第5章微型机器人压电电动机驱动及控制147
本章学习目标147
51概述147
511压电电动机的发展简史148
512压电电动机的特点149
513压电电动机的分类149
514压电电动机的应用150
52微型压电电动机的驱动机理154
521压电效应概述154
522椭圆运动及其作用155
53行波型超声波电动机156
531电动机结构156
532电动机的工作原理157
533电动机转子的运动速度158
534电动机的运行特性159
54行波型超声波电动机的驱动与控制159
541驱动控制方法159
542驱动控制电路160
55其他构型的压电电动机161
551驻波型超声波电动机161
552直线型超声波电动机161
553多自由度超声波电动机162
554杆式压电电动机163
555旋转尺蠖压电电动机166
56压电电动机在关节机器人中的应用167
561关节机器人结构167
562关节机器人控制系统组成及控制方式168
563关节机器人的运动控制170
本章小结175
本章习题176
第6章液压控制元件基础177
本章学习目标177
61液压伺服控制系统概述177
611液压伺服控制系统的工作原理及组成178
612液压伺服控制的优缺点181
62液压控制阀结构及分类182
621圆柱滑阀182
622喷嘴挡板阀184
623射流管阀185

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