智能机电系统设计与开发 / 战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材
￥59.80定价
作者： 郝娟，付铁
出版时间：2025-04-21
出版社：机械工业出版社
- 机械工业出版社
- 9787111776338
- 1-1
- 547332
- 平装
- 2025-04-21
- 414
内容简介
本书是根据教育部高等教育司关于进一步推进战略性新兴领域高等教育教材体系建设工作的通知精神，基于新时代背景下的新工科人才培养要求，并结合多年来的教学改革与科学研究成果及经验而编写的。
本书着眼于学生系统思维、技术方法、研发能力与创新意识的培养，注重知识体系的系统性、完整性和实用性。本书共分为7章，涵盖了绪论、先进设计理论与方法、机械系统设计与开发、驱动系统设计与开发、感知系统设计与开发、控制系统设计与开发、运动学建模与轨迹规划等方面的基础理论、方法及技术。同时，本书还提供了多个机电产品的项目开发实践案例，以帮助读者熟练掌握智能机电系统的研究内容、设计方法、开发过程等。此外，书中还附有与实践项目相关的源代码和视频等供学生参考。
本书可作为普通高校机械类、非机械类等专业的教学用书，也可供成人教育相关专业或有关工程技术人员参考。
本书配有以下教学资源：教学课件、教学视频、教学大纲、源代码，欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册后下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。
本书着眼于学生系统思维、技术方法、研发能力与创新意识的培养，注重知识体系的系统性、完整性和实用性。本书共分为7章，涵盖了绪论、先进设计理论与方法、机械系统设计与开发、驱动系统设计与开发、感知系统设计与开发、控制系统设计与开发、运动学建模与轨迹规划等方面的基础理论、方法及技术。同时，本书还提供了多个机电产品的项目开发实践案例，以帮助读者熟练掌握智能机电系统的研究内容、设计方法、开发过程等。此外，书中还附有与实践项目相关的源代码和视频等供学生参考。
本书可作为普通高校机械类、非机械类等专业的教学用书，也可供成人教育相关专业或有关工程技术人员参考。
本书配有以下教学资源：教学课件、教学视频、教学大纲、源代码，欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册后下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 智能机电系统的基本概念及组成 2
1.1.2 智能机电系统的主要特点及应用 3
1.2 智能机电系统的关键技术及发展趋势 5
1.2.1 关键技术 5
1.2.2 发展趋势 7
1.3 智能机电系统的开发类型及流程 7
1.3.1 开发类型 7
1.3.2 开发流程 8
思考题与习题 9
第2章 先进设计理论与方法 10
2.1 概述 10
2.1.1 设计简介 10
2.1.2 设计思维 16
2.2 现代设计理论与方法 18
2.2.1 TRIZ 18
2.2.2 公理设计 21
2.2.3 系统化设计 24
2.3 海洋垃圾回收系统项目实践 26
2.3.1 总体功能定义 27
2.3.2 功能结构 28
2.3.3 项目规划 28
2.3.4 产品设计 28
思考题与习题 30
第3章 机械系统设计与开发 31
3.1 概述 31
3.1.1 机械系统的组成和基本要求 31
3.1.2 机械系统设计的基本原则及主要内容 32
3.2 机械系统设计规划 34
3.2.1 需求分析 34
3.2.2 功能分析 35
3.3 执行系统方案设计 36
3.3.1 执行系统的组成、功能及分类 36
3.3.2 执行系统的原理方案设计 40
3.3.3 执行系统的运动方案设计 45
3.3.4 执行系统的工作循环图设计 48
3.4 机械传动系统设计 53
3.4.1 传动系统的功能、类型及设计要求 53
3.4.2 齿轮传动 54
3.4.3 谐波齿轮传动 57
3.4.4 同步带传动 59
3.4.5 滚动螺旋传动 63
3.5 机械结构设计 68
3.5.1 轴系支承结构的设计 68
3.5.2 移动支承结构的设计 75
3.5.3 机架类结构的设计 81
3.6 物料搬运机器人项目设计实践 84
3.6.1 任务描述 84
3.6.2 设计规划 85
3.6.3 执行系统设计 86
3.6.4 传动系统设计 88
3.6.5 结构设计 90
思考题与习题90
第4章 驱动系统设计与开发 91
4.1 概述 91
4.1.1 驱动系统的组成和基本要求 91
4.1.2 驱动系统设计的原则和内容 92
4.2 常用驱动系统分类 93
4.3 步进电动机驱动系统原理及选用 95
4.3.1 步进电动机结构和工作原理 95
4.3.2 步进电动机的特性 101
4.3.3 步进电动机驱动原理 106
4.3.4 步进电动机选用 113
4.4 直流电动机伺服驱动系统原理及选用 117
4.4.1 有刷直流电动机结构和工作原理 117
4.4.2 有刷直流电动机的特性 119
4.4.3 有刷直流伺服电动机驱动原理 126
4.4.4 有刷直流伺服电动机选用 134
4.4.5 无刷直流伺服电动机驱动原理 135
4.4.6 无刷直流伺服电动机选用 138
4.5 交流伺服驱动系统原理及选用 139
4.5.1 永磁同步电动机结构和工作原理 139
4.5.2 交流感应电动机结构和工作原理 142
4.5.3 交流伺服电动机选用 142
4.6 驱动系统设计与开发项目实践 144
4.6.1 步进电动机拆装实践 144
4.6.2 步进电动机驱动系统设计实践 145
4.6.3 舵机拆装与驱动系统设计实践 146
思考题与习题 146
第5章 感知系统设计与开发 147
5.1 概述 147
5.1.1 感知系统的组成和基本要求 147
5.1.2 感知系统设计的原则及内容 148
5.2 常用传感器的组成、特征与种类 148
5.3 传感器的基本特性与工作原理 149
5.3.1 传感器的基本特性 149
5.3.2 典型传感器的工作原理 153
5.4 智能机电系统常用传感器及选择 162
5.4.1 位移（位置）传感器 162
5.4.2 力传感器 165
5.4.3 图像传感器 166
5.4.4 智能传感器 167
5.5 传感器数据采集接口设计 170
5.5.1 数据采集接口 170
5.5.2 无线通信及网络 172
5.5.3 抗干扰技术 172
5.6 传感器项目化应用实践 174
5.6.1 模拟式温度传感器应用 174
5.6.2 智能温度传感器应用 174
5.6.3 设计制作光电编码器 175
5.6.4 设计制作称重传感器 176
5.6.5 设计制作烟雾报警系统 178
思考题与习题 178
第6章 控制系统设计与开发 179
6.1 概述 179
6.1.1 控制系统的组成和基本要求 179
6.1.2 控制系统设计的原则和内容 180
6.2 常用控制系统分类 181
6.3 STM32微控制器概述 182
6.3.1 STM32的产品线 182
6.3.2 STM32产品命名及选型 183
6.4 STM32F407硬件资源 185
6.4.1 功能特性与内部架构 185
6.4.2 常用外部接口 187
6.5 STM32软件开发基础 191
6.5.1 STM32软件开发环境 191
6.5.2 STM32Cube生态系统 192
6.5.3 使用CubeMX分配片上资源 193
6.5.4 STM32程序编写与烧写运行 196
6.5.5 STM32项目组织结构 198
6.6 STM32F407项目开发实践 199
6.6.1 STM32F407开发板与仿真器 199
6.6.2 基于ROS实现上位机与开发板串口通信示例 200
6.6.3 基于开发板实现舵机控制 210
6.6.4 基于开发板实现超声波测距 215
思考题与习题 222
第7章 运动学建模与轨迹规划 223
7.1 概述 223
7.2 空间描述与坐标系 224
7.2.1 空间描述 224
7.2.2 坐标变换 225
7.2.3 坐标系设置 228
7.3 运动学建模与分析 230
7.3.1 连杆描述 230
7.3.2 连杆连接描述 230
7.3.3 在连杆上建立坐标系 231
7.3.4 连杆间坐标系变换 232
7.3.5 正运动学建模与分析 232
7.3.6 逆运动学建模与分析 234
7.4 速度传递矩阵 238
7.4.1 角速度传递 238
7.4.2 线速度传递 239
7.5 轨迹规划 240
7.5.1 不同空间轨迹规划对比 240
7.5.2 关节空间轨迹规划 243
7.5.3 操作空间轨迹规划 247
7.5.4 工业机器人仿真 248
7.6 运动学建模与轨迹规划项目实践 251
7.6.1 机器人工件坐标系标定实践 251
7.6.2 机器人运动学求解项目实践 252
7.6.3 笛卡儿空间轨迹规划项目实践 255
7.6.4 关节空间轨迹规划项目实践 256
思考题与习题 256
附录 学生作品展示 258
参考文献 265
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 智能机电系统的基本概念及组成 2
1.1.2 智能机电系统的主要特点及应用 3
1.2 智能机电系统的关键技术及发展趋势 5
1.2.1 关键技术 5
1.2.2 发展趋势 7
1.3 智能机电系统的开发类型及流程 7
1.3.1 开发类型 7
1.3.2 开发流程 8
思考题与习题 9
第2章 先进设计理论与方法 10
2.1 概述 10
2.1.1 设计简介 10
2.1.2 设计思维 16
2.2 现代设计理论与方法 18
2.2.1 TRIZ 18
2.2.2 公理设计 21
2.2.3 系统化设计 24
2.3 海洋垃圾回收系统项目实践 26
2.3.1 总体功能定义 27
2.3.2 功能结构 28
2.3.3 项目规划 28
2.3.4 产品设计 28
思考题与习题 30
第3章 机械系统设计与开发 31
3.1 概述 31
3.1.1 机械系统的组成和基本要求 31
3.1.2 机械系统设计的基本原则及主要内容 32
3.2 机械系统设计规划 34
3.2.1 需求分析 34
3.2.2 功能分析 35
3.3 执行系统方案设计 36
3.3.1 执行系统的组成、功能及分类 36
3.3.2 执行系统的原理方案设计 40
3.3.3 执行系统的运动方案设计 45
3.3.4 执行系统的工作循环图设计 48
3.4 机械传动系统设计 53
3.4.1 传动系统的功能、类型及设计要求 53
3.4.2 齿轮传动 54
3.4.3 谐波齿轮传动 57
3.4.4 同步带传动 59
3.4.5 滚动螺旋传动 63
3.5 机械结构设计 68
3.5.1 轴系支承结构的设计 68
3.5.2 移动支承结构的设计 75
3.5.3 机架类结构的设计 81
3.6 物料搬运机器人项目设计实践 84
3.6.1 任务描述 84
3.6.2 设计规划 85
3.6.3 执行系统设计 86
3.6.4 传动系统设计 88
3.6.5 结构设计 90
思考题与习题90
第4章 驱动系统设计与开发 91
4.1 概述 91
4.1.1 驱动系统的组成和基本要求 91
4.1.2 驱动系统设计的原则和内容 92
4.2 常用驱动系统分类 93
4.3 步进电动机驱动系统原理及选用 95
4.3.1 步进电动机结构和工作原理 95
4.3.2 步进电动机的特性 101
4.3.3 步进电动机驱动原理 106
4.3.4 步进电动机选用 113
4.4 直流电动机伺服驱动系统原理及选用 117
4.4.1 有刷直流电动机结构和工作原理 117
4.4.2 有刷直流电动机的特性 119
4.4.3 有刷直流伺服电动机驱动原理 126
4.4.4 有刷直流伺服电动机选用 134
4.4.5 无刷直流伺服电动机驱动原理 135
4.4.6 无刷直流伺服电动机选用 138
4.5 交流伺服驱动系统原理及选用 139
4.5.1 永磁同步电动机结构和工作原理 139
4.5.2 交流感应电动机结构和工作原理 142
4.5.3 交流伺服电动机选用 142
4.6 驱动系统设计与开发项目实践 144
4.6.1 步进电动机拆装实践 144
4.6.2 步进电动机驱动系统设计实践 145
4.6.3 舵机拆装与驱动系统设计实践 146
思考题与习题 146
第5章 感知系统设计与开发 147
5.1 概述 147
5.1.1 感知系统的组成和基本要求 147
5.1.2 感知系统设计的原则及内容 148
5.2 常用传感器的组成、特征与种类 148
5.3 传感器的基本特性与工作原理 149
5.3.1 传感器的基本特性 149
5.3.2 典型传感器的工作原理 153
5.4 智能机电系统常用传感器及选择 162
5.4.1 位移（位置）传感器 162
5.4.2 力传感器 165
5.4.3 图像传感器 166
5.4.4 智能传感器 167
5.5 传感器数据采集接口设计 170
5.5.1 数据采集接口 170
5.5.2 无线通信及网络 172
5.5.3 抗干扰技术 172
5.6 传感器项目化应用实践 174
5.6.1 模拟式温度传感器应用 174
5.6.2 智能温度传感器应用 174
5.6.3 设计制作光电编码器 175
5.6.4 设计制作称重传感器 176
5.6.5 设计制作烟雾报警系统 178
思考题与习题 178
第6章 控制系统设计与开发 179
6.1 概述 179
6.1.1 控制系统的组成和基本要求 179
6.1.2 控制系统设计的原则和内容 180
6.2 常用控制系统分类 181
6.3 STM32微控制器概述 182
6.3.1 STM32的产品线 182
6.3.2 STM32产品命名及选型 183
6.4 STM32F407硬件资源 185
6.4.1 功能特性与内部架构 185
6.4.2 常用外部接口 187
6.5 STM32软件开发基础 191
6.5.1 STM32软件开发环境 191
6.5.2 STM32Cube生态系统 192
6.5.3 使用CubeMX分配片上资源 193
6.5.4 STM32程序编写与烧写运行 196
6.5.5 STM32项目组织结构 198
6.6 STM32F407项目开发实践 199
6.6.1 STM32F407开发板与仿真器 199
6.6.2 基于ROS实现上位机与开发板串口通信示例 200
6.6.3 基于开发板实现舵机控制 210
6.6.4 基于开发板实现超声波测距 215
思考题与习题 222
第7章 运动学建模与轨迹规划 223
7.1 概述 223
7.2 空间描述与坐标系 224
7.2.1 空间描述 224
7.2.2 坐标变换 225
7.2.3 坐标系设置 228
7.3 运动学建模与分析 230
7.3.1 连杆描述 230
7.3.2 连杆连接描述 230
7.3.3 在连杆上建立坐标系 231
7.3.4 连杆间坐标系变换 232
7.3.5 正运动学建模与分析 232
7.3.6 逆运动学建模与分析 234
7.4 速度传递矩阵 238
7.4.1 角速度传递 238
7.4.2 线速度传递 239
7.5 轨迹规划 240
7.5.1 不同空间轨迹规划对比 240
7.5.2 关节空间轨迹规划 243
7.5.3 操作空间轨迹规划 247
7.5.4 工业机器人仿真 248
7.6 运动学建模与轨迹规划项目实践 251
7.6.1 机器人工件坐标系标定实践 251
7.6.2 机器人运动学求解项目实践 252
7.6.3 笛卡儿空间轨迹规划项目实践 255
7.6.4 关节空间轨迹规划项目实践 256
思考题与习题 256
附录 学生作品展示 258
参考文献 265
