机器人技术及其应用

机器人技术及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:电子工业出版社
作者:张福学
出品人:
页数:662
译者:
出版时间:2000-1
价格:88.00元
装帧:
isbn号码:9787505353961
丛书系列:
图书标签:
  • 机器人技术
  • 人工智能
  • 自动化
  • 工业机器人
  • 机器人应用
  • 机器人控制
  • 机械工程
  • 电子工程
  • 新兴技术
  • 智能制造
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具体描述

本书共3篇,计29章。第1篇介绍机器人的集成方法,计7章,全面、系统地论述机器人系统;机械构件、运动学和建模;机器人机构中执行器的控制;变换和运动学;机器人系统的计算机设计;设计实例。第2篇介绍机器人的自动机械设计,计8章,深入浅出地叙述自动机械设计基础;驱动的动力学分析,自动机械的运动学和控制;传送装置;进给和取向装置;功能系统和结构;机械手;非工业机器人。第3篇介绍机器人的应用,计1

机械之魂:工业自动化与智能控制系统的深度剖析 图书简介 《机械之魂:工业自动化与智能控制系统的深度剖析》 聚焦于现代工业生产的核心驱动力——自动化技术与复杂控制系统的设计、实现与优化。本书旨在为工业工程师、系统架构师、自动化专业学生以及对前沿制造技术抱有浓厚兴趣的读者,提供一套全面、深入且极具实操价值的理论框架和工程指南。 本书摒弃了对单一机器人硬件的罗列,转而将视野投向了构成现代智能工厂的宏大体系。我们将深入探讨的是如何让庞大的、异构的机械集群像一个有机的整体一样高效运转。 第一部分:工业控制系统的基础架构与演进 本部分首先为读者构建一个坚实的理论基础,理解工业控制系统的拓扑结构、通信协议与硬件选型。我们不会赘述通用传感器的工作原理,而是聚焦于它们在严苛工业环境下的可靠性设计与数据采集策略。 1.1 工业控制系统的层次化模型:从现场设备到企业资源规划(ERP) 详细阐述 ISA-95 模型的五层架构,重点剖析控制层(Level 1/2)与制造执行系统(MES,Level 3)之间的数据交互瓶颈与解决方案。我们将分析如何通过分布式控制系统(DCS) 和可编程逻辑控制器(PLC) 的协同工作,实现实时性与灵活性的平衡。 1.2 工业通信:实时性与确定性的保障 当前,工业网络已从传统的串行通信向高速、确定性的以太网迁移。本书将用大量篇幅对比分析 Profinet IRT、EtherCAT 和 Powerlink 等关键实时以太网协议的技术细节、帧结构、调度算法及其在不同运动控制场景下的适用性。我们探讨如何利用时间敏感网络(TSN)技术,在通用以太网基础设施上构建可预测的控制网络。 1.3 嵌入式系统在控制中的角色:边缘计算与数据预处理 现代控制系统要求在靠近现场的位置进行初步的数据处理和决策。本章将深入探讨基于 FPGA 和高性能微处理器(如ARM Cortex-R系列) 的实时嵌入式系统的设计要点,包括中断处理机制、实时操作系统(RTOS)的选择(如VxWorks, FreeRTOS)以及如何在资源受限的环境下实现高效的运动学解算与状态监测。 第二部分:先进过程控制(APC)与优化理论 本部分超越了基础的 PID 控制,转向了在复杂、多变量、强耦合系统中实现最优性能的方法论。 2.1 多变量控制与模型预测控制(MPC)的精髓 我们将详细介绍 MPC 的核心机制:基于系统动态模型的在线优化、滚动时域计算以及约束处理能力。通过具体的化工、冶金过程案例,演示如何构建精确的系统辨识模型(包括线性化模型和非线性模型),并利用二次规划(QP) 求解器实时计算控制律。本书特别强调了 MPC 在处理输入饱和和状态约束方面的优势。 2.2 鲁棒控制与自适应控制策略 在工业现场,系统参数和外部扰动往往难以精确建模。本章将讲解如何利用 $ ext{H}_infty$ 控制设计来保证系统在模型不确定性下的稳定性与性能。此外,对于参数随时间变化的系统,我们将深入探讨自整定 PID 与基于梯度下降的自适应控制算法,以确保控制回路的长期有效性。 2.3 过程数据挖掘与状态估计 通过分析传感器采集的海量数据,实现对不可直接测量变量(如反应器的转化率、机械部件的磨损程度)的准确估计至关重要。本部分详细阐述了卡尔曼滤波(Kalman Filtering)及其扩展形式(EKF, UKF) 在噪声数据融合与状态估计中的应用,这对于实现真正的预测性维护至关重要。 第三部分:智能驱动与精密运动控制 本部分关注的是驱动技术如何从简单的开环或闭环转向高精度、高动态响应的智能驱动。 3.1 伺服驱动系统的动态特性与调谐 详细解析现代永磁同步电机(PMSM)的控制原理,包括磁场定向控制(FOC) 的数学基础和实现细节。我们侧重于讨论如何精确调谐速度环、位置环的参数,以及如何通过前馈控制和扰动观测器(DOD) 来抵消摩擦力、齿隙等非线性负载对控制精度的影响。 3.2 复杂运动轨迹规划与逆运动学求解 对于多轴联动系统(如龙门架、并联机构),轨迹规划是实现平滑、高效运动的关键。本章将对比分析点位控制、直线插补(DDA)和样条插值(如三次B样条) 的计算复杂度与平稳性。此外,我们将提供解析法和数值法的逆运动学求解范例,特别关注在奇异点附近如何保证解算稳定性。 3.3 视觉反馈与基于视觉的伺服(Vision-Based Servoing, VBS) 将视觉系统无缝集成到闭环控制中是实现高精度装配和跟踪的关键。本书将详细介绍基于图像特征的相对定位算法,并解释如何将视觉系统的输出(如特征点的位置误差)作为附加反馈信号输入到现有的控制回路中,实现亚像素级的跟踪和校正。 第四部分:系统集成、安全与未来趋势 本部分将视角提升到整个制造单元的层面,探讨可靠性、安全规范以及面向工业物联网(IIoT)的架构转型。 4.1 工业控制系统的网络安全与功能安全 随着控制系统接入企业网络,安全防护成为首要任务。我们将分析针对 SCADA 和 PLC 系统的典型攻击向量,并介绍纵深防御(Defense in Depth) 策略。同时,系统地解读 IEC 61508/61511 等功能安全标准,阐述如何通过安全完整性等级(SIL)的确定和安全连锁(Interlock)的设计,保障人员和设备的安全。 4.2 预测性维护(PdM)的实施框架 预测性维护不再是简单的阈值报警。本书将介绍如何结合振动分析、声学监测数据,利用机器学习模型(如LSTM网络) 来预测设备剩余使用寿命(RUL)。我们将提供一个从数据采集到模型部署的完整 PdM 流程图,重点在于特征工程和模型验证。 4.3 工业物联网(IIoT)与数据驱动的控制 探讨 IIoT 平台(如 OPC UA, MQTT)在跨域数据集成中的作用。重点分析如何利用云计算/雾计算能力,将复杂的全局优化计算(如生产调度)下沉到边缘层,从而实现云边协同的智能制造体系。 《机械之魂》 致力于为读者提供一个扎实的、面向工程实践的知识体系,使读者能够驾驭复杂工业系统,从“操作机器”升级为“设计与优化系统”的能力。

作者简介

目录信息

第一篇 机器人的集成方法
第一章 绪论
1. 1 机器人的定义
1. 2 机器人的发展史
1. 3 机器人的分类
1. 4 机器人的主要部件
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这份材料的学术深度和广度着实令人赞叹,它显然不是一本为纯粹的初学者准备的入门读物,而是为那些已经对基础控制理论和编程语言有所了解的读者精心准备的进阶指南。我发现它在“运动规划与控制”这块的论述尤其精妙,那些关于非完整约束系统、轨迹优化以及实时反馈控制的章节,简直是教科书级别的详尽。作者对于拉格朗日方程在多自由度机械臂动力学建模中的应用讲解得丝丝入扣,每一步推导都清晰可见,几乎不需要读者自行补充大量的中间步骤。更难能可贵的是,书中没有将“仿真”和“实物实现”割裂开来,而是紧密结合了现代控制理论中最前沿的研究成果,比如基于模型预测控制(MPC)的鲁棒性增强策略。书中引用的参考文献也极其考究,涵盖了近十年顶尖的机器人学会议和期刊中的关键论文。对于我这种希望将理论知识应用于复杂项目开发的人来说,这本书提供的数学框架和算法蓝图是无可替代的。虽然有些部分的数学推导需要反复研读,甚至需要借助外部的数值计算工具进行验证,但这恰恰体现了它作为一本深度参考手册的价值,它教会你如何“思考”而非仅仅是“操作”。

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这本书的独特之处在于其对“人机交互与伦理”的关注,这部分内容通常在技术导向的专著中容易被一笔带过,但在这里却被提升到了战略高度。作者以一种近乎哲学的审慎态度,探讨了当机器人越来越深入地介入人类社会结构时,我们必须预先建立的规范和边界。例如,在讨论服务机器人和协作机器人(Cobots)时,书中详尽分析了安全距离的设定、力反馈的阈值控制,以及最重要的——如何建立用户对机器人的信任。信任的建立不仅仅是技术可靠性的问题,更关乎透明度和可解释性。书中提到了一个很具启发性的观点:一个完全不可预测的智能体,无论多么强大,在实际应用中都会因为缺乏信任而遭到抵制。此外,关于数据隐私、自主决策的责任归属等伦理难题,作者没有给出简单的答案,而是引导读者去思考多方利益的平衡点。这种跨学科的视野,使得整本书的立意得到了升华,它不再仅仅是一本关于“如何建造机器人”的书,更是一本关于“我们应该如何与机器人共存”的思考录。

评分☆☆☆☆☆

这本书在讨论“人工智能与决策”的部分,展现了一种非常务实且具有前瞻性的视角。它没有沉湎于科幻小说中对通用人工智能(AGI)的空洞描绘,而是聚焦于当下如何在实际的机器人系统中集成机器学习和深度学习的能力。我特别对其中关于强化学习(RL)在复杂环境交互决策中的应用分析印象深刻。作者详细剖析了如何设计有效的奖励函数(Reward Function),这是RL成功的关键瓶颈,并结合了例如深度Q网络(DQN)和近端策略优化(PPO)等主流算法在机器人抓取或导航任务中的具体落地案例。书中对“不确定性下的决策制定”这一现实挑战的探讨也十分深入,展示了贝叶斯方法如何帮助机器人处理传感器噪声和环境模型的不完全性。与其他只罗列算法的教材不同,这里更侧重于“工程实践的智慧”——即如何在计算资源有限、实时性要求极高的环境下,权衡算法的精度、收敛速度和可解释性。读完这些章节,我对当前机器人“智能”的边界有了更清晰的认识,也明白了为什么很多看似简单的任务,在引入随机性和动态变化后,会变得异常复杂和需要精巧的算法设计。

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这本书的封面设计得很有未来感,那种深蓝和银色的搭配,瞬间就把人拉进了那个充满精密机械和复杂算法的世界。我本来对“机器人技术”这个领域有些敬畏,觉得它离我的日常生活很遥远,充满了高深的数学和物理知识。然而,翻开第一页,作者的笔触非常平易近人,他没有一开始就抛出一堆晦涩难懂的公式。相反,他从人类对“自动机械”的古老想象讲起,从希腊神话中的构造物一直聊到现代科幻小说中的拟人机器人。这种叙事方式就像是请了一位经验丰富的向导,带着你逐步深入一片陌生的森林,先让你熟悉周围的环境,了解基本的地标。我特别欣赏其中关于“感知系统”的章节,作者用生活化的例子解释了视觉、触觉和听觉信息如何被传感器采集,然后通过复杂的信号处理转化为机器可以理解的“语言”。他没有停留在理论的层面,而是穿插了大量实际应用的案例,比如工业流水线上精确抓取的机械臂,或者是在灾难现场搜救的自主移动平台。读完这部分,我感觉自己对这些冰冷的机器有了一种全新的认识,它们不再是简单的工具,而是一套精妙的、模仿生命的系统。这种由浅入深的引导,极大地激发了我继续探索下去的兴趣,感觉自己好像也踏入了机器人工程师的门槛,虽然只是站在门外张望。

评分☆☆☆☆☆

如果要用一个词来形容这本书的“设计哲学”,我会选择“系统集成”。它没有偏废任何一个关键模块,而是用一种统一的框架将从硬件设计、底层嵌入式系统到高层任务规划的各个层级串联起来。我尤其欣赏它对“嵌入式操作系统与实时内核”的介绍,这部分内容往往是其他书籍中被简化或跳过的“脏活累活”。作者清晰地阐述了实时操作系统(RTOS)的选择标准,以及如何在资源受限的微控制器上高效地调度任务,确保关键控制循环的确定性(Determinism)。这种对底层实现细节的关注,对于真正想参与到机器人硬件-软件协同开发的工程师来说是至关重要的。书中对传感器融合算法的讨论也体现了这种集成思维,如何将不同频率、不同精度的信息源(如GPS、IMU、激光雷达)通过卡尔曼滤波或粒子滤波等方法整合成一个稳定、高置信度的环境模型。读完,我感觉这本书像是一个详尽的工程蓝图,它不仅告诉你“为什么”要这么做,更细致地描绘了“如何”将一个虚拟的算法设计转化为一个能稳定运行的物理实体。

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