機(jī)器人技術(shù)是涉及機(jī)械電子、感知測量、控制、通信和計(jì)算機(jī)等學(xué)科的綜合性高新技術(shù)，是光機(jī)電軟一體化研發(fā)制造的典型代表。而工業(yè)機(jī)器人則是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的典型代表，其研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要支撐。同時，工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化和信息化的重要載體。工業(yè)機(jī)器人及以其為主體的自動化成套設(shè)備是提升制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和競爭力的重要途徑。目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流和制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。
隨著人口老齡化加劇，勞動力短缺，勞動力成本急劇上升，下游制造行業(yè)的生產(chǎn)方式也亟待升級。我國亦高度重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相繼出臺了《關(guān)于推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20162020 年）》等，在戰(zhàn)略上做了頂層設(shè)計(jì)。地方扶持政策也積極跟進(jìn)，重點(diǎn)是對研發(fā)和機(jī)器換人應(yīng)用的扶持。工業(yè)機(jī)器人作為我國高端裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備之一，是我國十二五發(fā)展規(guī)劃中高端制造裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)裝備。目前全國已有四十多家機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園，中國已經(jīng)成為全球最大的機(jī)器人市場。
機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有著多層次的人才需求，教育部等部委聯(lián)合發(fā)布的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》預(yù)測，到2020 年我國高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人領(lǐng)域人才缺口將達(dá)到300 萬； 到2025 年，人才缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大到450 萬。雖然我國企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)不斷加大機(jī)器人技術(shù)研究與本體研制方向的人才引進(jìn)與培養(yǎng)力度，但現(xiàn)場調(diào)試、維護(hù)操作與運(yùn)行管理等應(yīng)用型人才的培養(yǎng)力度依然有所欠缺。同時，各高校和職業(yè)院校也相繼設(shè)置了機(jī)器人及其應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)，而系統(tǒng)介紹工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和研發(fā)的專業(yè)技術(shù)書籍還不多。編者多年從事工業(yè)機(jī)器人研發(fā)，先后承擔(dān)過國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家數(shù)控重大專項(xiàng)、863計(jì)劃項(xiàng)目中的工業(yè)機(jī)器人研發(fā)課題，具有較為豐富的工業(yè)機(jī)器人研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，書中的部分工業(yè)機(jī)器人實(shí)例也是這些國家課題項(xiàng)目的技術(shù)成果。
全書共分6章。第1章介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念和定義，闡述了工業(yè)機(jī)器人按照發(fā)展程度、性能、結(jié)構(gòu)、控制、驅(qū)動和應(yīng)用特征分類的情況，并對工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)、國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了分析。第2章講述了工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了工業(yè)機(jī)器人的位姿描述、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、運(yùn)動學(xué)模型、工作空間、典型軌跡規(guī)劃算法。對機(jī)器人的雅可比矩陣和機(jī)器人動力學(xué)進(jìn)行了簡介。第3章分析了工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，包括機(jī)器人本體的總體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)形式、材料選擇、傳動機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)優(yōu)化等，講述了工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)標(biāo)定、性能指標(biāo)及測試方法。第4章講述了工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，對工業(yè)機(jī)器人的各種控制方式進(jìn)行了闡述，以一種工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第5章系統(tǒng)介紹了工業(yè)機(jī)器人的編程方式、編程語言、當(dāng)前主要的工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)，闡述了機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的原理及操作流程。第6章介紹了工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，包括工業(yè)機(jī)器人的安全情況、通信方式、傳感器系統(tǒng)，以及基于視覺、力覺的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)案例。分別介紹了焊接、搬運(yùn)、噴涂、裝配和協(xié)作等典型工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。
本書針對工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程，除了介紹和討論機(jī)器人學(xué)的基本理論外，更加注重機(jī)器人實(shí)際設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題和一些關(guān)鍵技術(shù)掌握。分別從工業(yè)機(jī)器人的理論基礎(chǔ)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人編程及應(yīng)用等方面給讀者提供了完整的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用流程。本書可供機(jī)器人研發(fā)、設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用的技術(shù)人員參考，也可以作為高等院校機(jī)器人專業(yè)教師和本科生的教學(xué)參考書。
本書是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所工業(yè)機(jī)器人課題組老師和研究生的共同研究成果。李瑞峰教授負(fù)責(zé)本書的總體規(guī)劃和修訂，重點(diǎn)編寫了第1、3、6章，葛連正助理研究員重點(diǎn)編寫了第2、4、5章。本書撰寫工作得到了王珂、趙立軍、陳健、仝勛偉、王淑英、吳重陽、郭萬金、劉志恒等很大的支持與幫助，在此表示衷心感謝。
本書在寫作過程中對相關(guān)專家進(jìn)行了咨詢，同時查閱了同行專家學(xué)者和一些科研單位、院校的教材和文獻(xiàn)，在此向各位文獻(xiàn)作者致以誠摯的謝意。由于作者水平有限，書中難免存在不足和錯誤之處，敬請廣大讀者批評指正。
作者2019年5月