前言

協(xié)作機(jī)器人融合了新型材料、仿生技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能與互聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域和多個學(xué)科，它突破了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的局限性，在人機(jī)協(xié)作和共融的環(huán)境中具有廣闊的市場前景，是機(jī)器人廠商爭相布局的戰(zhàn)略產(chǎn)品之一，是我國智能制造、社會發(fā)展與民生服務(wù)等領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)和裝備。

協(xié)作機(jī)器人作為機(jī)器人大家庭的新成員，在保留機(jī)器人作為智能機(jī)器具備的感知、決策、交互與執(zhí)行的功能與特性的同時，拓展了機(jī)器人功能內(nèi)涵中“人”的屬性，使機(jī)器人具備一定的自主行為和協(xié)作能力，使機(jī)器人真正成為人的合作伙伴。隨著我國從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”不斷邁進(jìn)，機(jī)器人在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用成為必然趨勢。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人部署成本高、應(yīng)用復(fù)雜、安全性差，無法完全滿足當(dāng)前智能制造發(fā)展的需求。協(xié)作機(jī)器人具有輕量化、成本低和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可在自動化生產(chǎn)線上快速部署、編程和重構(gòu)，其“人機(jī)協(xié)作”的應(yīng)用模式更加符合未來智能制造的數(shù)字化、智能化、綠色化和柔性化屬性和特征。

協(xié)作機(jī)器人是智能機(jī)器人發(fā)展的新的熱點(diǎn)和主流方向之一，也是我國機(jī)器人企業(yè)在世界機(jī)器人舞臺能否占據(jù)一席之地的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外協(xié)作機(jī)器人的研發(fā)及應(yīng)用推廣發(fā)展很快，但也存在安全預(yù)測能力有限、示教缺乏智能化、人機(jī)協(xié)作工藝不夠完善、人機(jī)協(xié)作模式單一等問題，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，對協(xié)作機(jī)器人的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

本書是一本關(guān)于協(xié)作機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)入門與相關(guān)應(yīng)用的書籍，旨在引領(lǐng)讀者踏進(jìn)協(xié)作機(jī)器人學(xué)習(xí)的大門，培養(yǎng)讀者對協(xié)作機(jī)器人的興趣，使其了解協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)知識，推動協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的開發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和技術(shù)更好的發(fā)展。

本書內(nèi)容主要由三部分組成。

第一部分介紹了協(xié)作機(jī)器人的定義與內(nèi)涵，包括協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展歷程、興起原因和關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)點(diǎn)和局限性，以及主要應(yīng)用領(lǐng)域和未來前景。

第二部分主要介紹協(xié)作機(jī)器人的主要科學(xué)問題和核心關(guān)鍵技術(shù)，包含第2、9章，包括協(xié)作機(jī)器人的核心零部件、運(yùn)動學(xué)建模、微分運(yùn)動與動力學(xué)分析、拖動示教與編程、控制系統(tǒng)和控制方法、機(jī)器視覺技術(shù)的融合應(yīng)用、若干關(guān)鍵核心技術(shù)以及系統(tǒng)集成與應(yīng)用案例。

其中，第2章對協(xié)作機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈、電動機(jī)、驅(qū)動器、減速器、一體化關(guān)節(jié)和感知系統(tǒng)等進(jìn)行了介紹。讀者通過學(xué)習(xí)可掌握協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和零部件等基本知識，形成對協(xié)作機(jī)器人的基本認(rèn)識。

第3章首先介紹了協(xié)作機(jī)器人位姿表示與齊次坐標(biāo)表示，然后介紹了RPY角與歐拉角的位姿表示方法，在齊次坐標(biāo)表示的基礎(chǔ)上，介紹了改進(jìn)DH法建立機(jī)器人正、逆運(yùn)動學(xué)模型的過程，最后結(jié)合遨博i5機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器人建模的實(shí)例分析，并介紹URDF（unified robot description format，統(tǒng)一機(jī)器人描述格式）文件對協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行描述的方法。

第4章首先介紹了協(xié)作機(jī)器人微分運(yùn)動的基本概念，以及如何采用雅可比矩陣建立協(xié)作機(jī)器人微分運(yùn)動方程，然后對協(xié)作機(jī)器人動力學(xué)建模和仿真方法進(jìn)行了講解。

第5章從協(xié)作機(jī)器人拖動示教技術(shù)的基本概念展開，探究了協(xié)作機(jī)器人軌跡實(shí)時生成的原理，介紹了拖動示教技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)過程，最后對于優(yōu)化示教結(jié)果涉及的離線編程技術(shù)進(jìn)行了介紹，構(gòu)建了對于協(xié)作機(jī)器人拖動示教與編程的基本知識框架。

第6章重點(diǎn)闡述基于阻抗控制的協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動控制方法，主要對阻抗控制器的設(shè)計(jì)方法，以及協(xié)作機(jī)器人建模、外界交互環(huán)境建模、力感知等關(guān)鍵問題進(jìn)行介紹。

第7章主要介紹協(xié)作機(jī)器人與機(jī)器視覺的融合和集成應(yīng)用情況。對與協(xié)作機(jī)器人相關(guān)的機(jī)器視覺概念、基本應(yīng)用原理、應(yīng)用案例進(jìn)行介紹。

第8章圍繞協(xié)作機(jī)器人的若干核心關(guān)鍵技術(shù)展開，對協(xié)作機(jī)器人本體設(shè)計(jì)優(yōu)化、感知控制、人機(jī)協(xié)作、自學(xué)習(xí)、操作系統(tǒng)以及數(shù)字孿生等核心技術(shù)進(jìn)行介紹。

第9章介紹了協(xié)作機(jī)器人集成應(yīng)用平臺的設(shè)計(jì)、發(fā)展與應(yīng)用，結(jié)合集成應(yīng)用平臺的構(gòu)成模塊、功能實(shí)現(xiàn)、迭代趨勢，幫助讀者在對協(xié)作機(jī)器人有了基本了解后，建立對于協(xié)作機(jī)器人集成應(yīng)用的初步認(rèn)識。

第三部分展望了協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展趨勢，對應(yīng)的是第10章，聚焦協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)前沿，從協(xié)作機(jī)器人與AI技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的融合發(fā)展，以及協(xié)作機(jī)器人的核心要素、技術(shù)創(chuàng)新趨勢和市場發(fā)展態(tài)勢等方面對協(xié)作機(jī)器人的前沿技術(shù)和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

本書由陶永、魏洪興、趙罡編寫和統(tǒng)稿。課題組劉海濤博士、高赫博士，碩士研究生溫宇方、韓棟明、萬嘉昊、段練、蘭江波等協(xié)助進(jìn)行了資料的搜集和整理工作，在此對他們表示衷心的感謝。

在本書編寫過程中，參考了國內(nèi)外出版的大量的書籍和論文，編者對相關(guān)國內(nèi)外協(xié)作機(jī)器人專著、教材和有關(guān)論文的作者深表感謝。

協(xié)作機(jī)器人是一門復(fù)雜的交叉綜合性學(xué)科，涉及的專業(yè)知識范圍廣，由于編者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請大家批評指正。

編者