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页数:495

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出版时间:2012-1

价格:58.00元

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isbn号码:9787301175385

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工业机器人操作系统与应用 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的工业机器人操作系统（如 ROS for Robotics、FANUC KAREL 或 ABB RobotStudio 内部编程环境）的理论基础、核心架构以及工程实践指南。在当前智能制造和自动化浪潮中，工业机器人已不再是简单的重复性劳动工具，而是集成感知、决策与执行的复杂智能体。理解其背后的操作系统和编程框架，是实现柔性制造、定制化生产以及系统高效维护的关键。 第一部分：工业机器人操作系统基础架构 本部分将系统地介绍工业机器人的“大脑”——其操作系统和软件层面的核心概念。 第一章：机器人操作系统的演进与分类 1.1 嵌入式实时系统（RTOS）在工业控制中的地位： 探讨 VxWorks、QNX 等实时操作系统如何确保机器人运动控制的确定性和低延迟性。重点分析时间敏感型任务调度策略（如固定优先级抢占、轮转法）及其在关节伺服环中的应用。 1.2 机器人中间件（Middleware）的概念： 详细阐述 ROS (Robot Operating System) 在学术研究和部分高端工业应用中的桥梁作用。对比 ROS 1 与 ROS 2 在实时性、安全性和分布式通信方面的差异，特别是 DDS (Data Distribution Service) 协议在 ROS 2 中的集成与优势。 1.3 传统工业机器人厂商的私有操作系统： 分析 FANUC 的 F-Monitor/KAREL 环境、ABB 的 RobotWare/RAPID 语言环境的底层架构，及其与外部设备（如 PLC、上位机）的通信机制（例如，基于 TCP/IP 或 EtherCAT 的同步）。 1.4 硬件抽象层（HAL）设计： 阐述 HAL 如何屏蔽底层硬件差异（如编码器、驱动器、安全电路），使上层算法能够独立于特定机器人品牌进行开发。 第二章：核心通信与数据管理 2.1 运动学与动力学数据流： 深入剖析从用户指令（如笛卡尔坐标点）到关节角度指令的转换流程。讲解运动规划器（Motion Planner）如何接收数据，并生成平滑、无冲突的轨迹点序列。 2.2 过程数据交换标准： 详细介绍工业以太网协议，如 EtherCAT、Profinet IRT 在机器人高频数据同步中的应用。分析报文结构、同步模式（如分布式时钟 DC）以及如何通过这些协议实现机器人与外部传感器或传送带的精确时间同步。 2.3 状态监控与日志记录： 探讨在关键任务中，如何高效地记录关节力矩、速度、位置偏差、系统错误码等海量数据，并设计日志过滤和存储机制，以满足故障诊断和过程追溯的需求。 第二部分：编程模型与算法实现 本部分侧重于在特定机器人操作系统环境下，实现复杂的运动控制、路径规划和人机交互。 第三章：离线编程与仿真环境 3.1 虚拟调试（Virtual Commissioning）： 介绍利用仿真工具（如 RobotStudio、Process Simulate）创建机器人数字孪生体的过程。重点讨论如何确保仿真模型与实际硬件在运动学参数（DH 矩阵）和碰撞检测逻辑上的一致性。 3.2 路径插补与轨迹优化： 分析样条插值（Spline Interpolation，如 B-Spline, Cubic Spline）在保证机器人平稳运行中的作用。讲解如何通过修改轨迹点之间的速度和加速度限制，实现“平稳启停”控制，避免对工件的冲击。 3.3 碰撞检测与安全区域管理： 阐述基于几何模型的碰撞检测算法（如 OBB, AABB），以及如何在操作系统层面定义和管理“软限制”（Soft Limits）和“硬限制”（Hard Limits）区域，确保操作安全。 第四章：高级运动控制与任务调度 4.1 外部传感器反馈集成： 重点探讨视觉系统（如 2D/3D 相机）或力/力矩传感器数据如何实时地反馈给机器人控制器。详细介绍基于反馈数据的视觉伺服（Visual Servoing）技术，包括位置型和图像型伺服的数学模型及在操作系统中的实现流程。 4.2 多机器人协同与任务分配： 介绍分布式控制架构下，多个机器人之间如何通过共享状态信息（Shared State）进行任务交接或协同操作。分析分布式锁机制（Locking Mechanisms）在避免资源冲突中的应用。 4.3 异常处理与恢复机制： 阐述操作系统层面对突发事件（如急停、传感器失效、通信中断）的响应策略。设计基于状态机的恢复流程，确保机器人在恢复运行后能准确返回到中断前的安全位置或预定恢复点。 第三部分：系统集成与工程实践 本部分关注机器人系统与外部制造环境的接口、部署和长期维护。 第五章：人机交互（HMI）与诊断接口 5.1 控制面板与示教器编程： 深入分析传统示教器界面（如 FANUC Teach Pendant 界面逻辑）的编程结构。讲解如何使用高层语言（如 RAPID）开发自定义的用户界面，以简化操作员对复杂工艺参数的调整。 5.2 远程监控与诊断： 介绍 OPC UA 协议在机器人与 MES（制造执行系统）之间安全、结构化地交换生产数据和健康状态信息的作用。设计数据安全传输和加密方案。 第六章：系统部署与维护策略 6.1 备份与版本控制： 强调工业控制系统软件备份的重要性。介绍如何对操作系统配置、用户程序、运动学参数进行系统级的快照备份，并实施严格的版本控制策略，以应对软件升级或硬件故障。 6.2 性能调优与系统诊断： 分析如何通过监控关节驱动器的电流、电压和温度数据，来预测和诊断机械磨损或伺服系统性能下降的早期迹象。讲解通过调整 PID 控制参数来应对负载变化和机械结构刚度变化的工程技巧。 目标读者： 本书面向自动化工程师、机器人系统集成商、机电一体化专业的研究生及高级技术人员，旨在帮助他们从“使用机器人”深入到“理解和定制机器人操作系统”的层面，从而设计出更可靠、更智能的自动化生产线。

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这本书的叙述风格非常注重实用性，几乎每一部分都在探讨“为什么是这样”以及“如何应用”。我之前看过几本讲汽车电控的教材，很多篇幅都陷在理论的泥潭里出不来，让人读了感觉像在啃干巴巴的学术论文。但这本书显然是面向实际操作和故障诊断的。比如在讲解发动机管理系统时，它不是简单罗列传感器和执行器的名称，而是详细分析了在不同工况下（冷启动、急加速、巡航）ECU是如何接收信号、进行运算并发出指令的。更绝的是，它还配有大量的实际案例分析，模拟了传感器漂移或线路虚焊可能导致的各种故障现象，并给出了判断和排除的步骤流程图。我特别留意了关于车身电子控制模块（BCM）的部分，作者用非常直观的图示解释了车窗升降、中控锁等功能背后的继电器和驱动电路是如何协同工作的。这种“问题—分析—解决方案”的结构，让我在阅读时始终保持着一种解决问题的兴奋感。它不是在“教你知识”，而是在“教你思考”如何去修理和优化一辆现代汽车的电子系统。对于在4S店或者独立维修厂工作的同行们来说，这本书的价值简直是无可估量的。

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从排版和资料的呈现来看，这本书的制作水准达到了一个令人赞叹的高度。我尤其欣赏作者在处理那些复杂系统框图时的匠心。很多技术书籍的图表看起来像是匆忙粘贴上去的，元素杂乱，箭头指向不明，让人看了就想绕道。但这本书的每一张图——无论是关于ABS/ESP的逻辑控制图，还是复杂集成电路的引脚功能图——都经过了精心的设计和优化。线条清晰，色彩区分合理，关键节点都有加粗或特殊标注。例如，在讲解牵引力控制（TCS）时，它不仅提供了流程图，还附带了不同路面附着系数下的制动力的分配示意图，这种多维度信息的整合阅读体验是极为高效的。另外，书后附带的专业术语对照表也做得非常详尽，很多行业内常见的缩写都有英文全称和中文解释，这对于非英语母语的读者来说，无疑是极大的便利。总而言之，这本书在细节处理上体现出的专业素养，让它不仅仅是一本学习资料，更像是一件精美的工业设计品。

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这本书的语言风格非常严谨，但绝不枯燥，这是一种高超的平衡艺术。作者在描述客观事实和技术原理时，用词精确到无可挑剔，避免了模糊不清的表述，确保了技术信息的准确性。然而，在引入新的主题或总结章节时，作者会不经意地流露出一种对汽车工程的深厚热情。比如在探讨车载信息娱乐系统（IVI）的架构时，他不仅仅描述了硬件组成，还对人机交互（HMI）的设计哲学进行了简短而精到的论述，提到了“减少驾驶员认知负荷”的重要性。这种将工程技术与用户体验相结合的视角，让这本书的格局一下子就打开了。它不再局限于冰冷的电子元件，而是将其置于整个汽车产品的大背景下去审视。这种富有洞察力的解读，让我在学习那些基础的继电器开关和保险丝布局时，也能感受到背后工程师的智慧和考量。它成功地将枯燥的“技术参数”转化为了引人入胜的“工程故事”，使我从一个被动的知识接收者，转变成了一个主动探索汽车奥秘的研究者。

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这本书的封面设计得相当有吸引力，那种深邃的蓝色调配上银色的字体，立刻就给人一种专业、严谨的感觉。我原本以为这会是一本晦涩难懂的技术手册，毕竟“电器”和“电子控制”这两个词听起来就挺“硬核”的。结果翻开第一章，我就被作者清晰的逻辑和详实的图解所折服。它没有直接跳入复杂的电路图，而是先从汽车能源系统的基础原理讲起，比如蓄电池的工作机制、发电机如何保证稳定供电，甚至连最基础的电流、电压概念都用非常生活化的例子来解释。这对于我这种对汽车技术只停留在“会开”阶段的读者来说，简直是救星。我尤其欣赏它在讲解车载网络通信协议时所采用的类比手法，把CAN总线比作城市里的交通指挥系统，一下子就将抽象的技术概念具象化了。读完前几章，我感觉自己对现代汽车的“神经系统”有了初步的认知，不再觉得那些仪表盘上的指示灯亮起时是个谜团。整本书的排版也很舒服，字间距和行距都掌握得恰到好处，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这在技术书籍中是非常难得的体验。这本书的深度和广度都让人印象深刻，它绝对是汽车技术入门者的绝佳起点，甚至能作为资深技师的参考手册。

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这本书的编写者显然对行业前沿动态有着深刻的洞察力。我原本以为这可能是一本相对传统的教材，但当我翻到关于新能源汽车电控系统的章节时，我惊喜地发现它竟然涵盖了高压电池管理系统（BMS）的核心算法。这部分内容写得尤为精彩，它没有回避BMS设计的复杂性，而是清晰地剖析了热管理、SOC（荷电状态）估算和SOH（健康状态）评估的关键挑战。例如，它对欧姆电压法和安时积分法的优缺点对比分析，非常到位，并结合实际应用场景给出了选择倾向。此外，书中还提到了先进的诊断工具和软件接口的使用方法，这在很多老旧的教科书中是找不到的。通过阅读这部分，我深切体会到汽车电子技术正在如何飞速迭代，而这本书的作者显然紧跟住了这个步伐，确保了内容的先进性和时效性。它不仅巩固了我对传统燃油车电控的理解，更让我对未来智能电动汽车的核心技术有了更清晰的蓝图，这对我个人职业发展规划有着极大的启发作用。

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