內容簡介

本書重點闡述機器人系統動力學和控制的基本原理，並展示瞭如何計算和使用分析工具（如matlab、mathematica和maple）來進行機器人系統設計。

目　　錄

譯者序

前言

第1章　緒論1

　1.1　寫作目的1

　1.2　機器人系統的起源3

　1.3　機器人系統的總體結構4

　1.4　機械手5

　　1.4.1　機械手的典型結構6

　　1.4.2　機械手的分類7

　　1.4.3　機械手示例9

　　1.4.4　球形手腕12

　　1.4.5　關節型機器人13

　1.5　移動機器人13

　　1.5.1　仿人機器人13

　　1.5.2　自主地面車輛14

　　1.5.3　無人機15

　　1.5.4　自主海上航行器15

　1.6　機器人動力學與控制問題概述16

　　1.6.1　正向運動學17

　　1.6.2　逆向運動學18

　　1.6.3　正向動力學18

　　1.6.4　逆向動力學和反饋控制19

　　1.6.5　機器人車輛的動力學與控制20

　1.7　本書主要內容20

　1.8　習題21

第2章　運動學基礎23

　2.1　基和坐標系23

　　2.1.1　N-元組和M×N陣列24

　　2.1.2　向量、基和坐標系25

　2.2　旋轉矩陣31

　2.3　旋轉矩陣的參數化33

　　2.3.1　單軸旋轉34

　　2.3.2　旋轉矩陣的級聯36

　　2.3.3　歐拉角37

　　2.3.4　軸角度參數化42

　2.4　位置、速度和加速度44

　2.5　角速度和角加速度49

　　2.5.1　角速度49

　　2.5.2　角加速度53

　2.6　運動學理論53

　　2.6.1　角速度的加法53

　　2.6.2　相對速度55

　　2.6.3　相對加速度56

　　2.6.4　常見坐標系58

　2.7　習題60

　　2.7.1　關於N-元組和M×N數組的習題60

　　2.7.2　關於向量、基和坐標系的習題61

　　2.7.3　關於旋轉矩陣的習題62

　　2.7.4　關於位置、速度和加速度的習題65

　　2.7.5　關於角速度的習題65

　　2.7.6　關於運動學理論的習題66

　　2.7.7　關於相對速度和加速度的習題66

　　2.7.8　關於常見坐標系的習題68

第3章　機器人系統運動學69

　3.1　齊次變換與剛體運動69

　3.2　理想關節73

　　3.2.1　移動關節74

　　3.2.2　轉動關節74

　　3.2.3　其他理想關節75

　3.3　Denavit-Hartenberg約定77

　　3.3.1　DH約定中的運動鏈與編號77

　　3.3.2　DH約定中坐標系的定義78

　　3.3.3　DH約定中的齊次變換78

　　3.3.4　DH步驟80

　　3.3.5　DH約定中的角速度與速度84

　3.4　正向運動學的遞歸O(N)公式87

　　3.4.1　速度和角速度的遞歸計算89

　　3.4.2　效率和計算成本91

　　3.4.3　加速度和角加速度的遞歸計算94

　3.5　逆向運動學104

　　3.5.1　可解性104

　　3.5.2　解析法106

　　3.5.3　優化方法115

　　3.5.4　逆速度運動學119

　3.6　習題120

　　3.6.1　關於齊次變換的習題120

　　3.6.2　關於理想關節及約束的習題121

　　3.6.3　關於DH約定的習題122

　　3.6.4　關於運動鏈角速度和速度的習題122

　　3.6.5　關於逆向運動學的習題125

第4章　牛頓歐拉方程126

　4.1　剛體的線性動量126

　4.2　剛體的角動量129

　　4.2.1　基本原理129

　　4.2.2　角動量和慣性133

　　4.2.3　慣性矩陣的計算136

　4.3　牛頓歐拉方程146

　4.4　剛體的歐拉方程149

　4.5　機械系統的運動方程150

　　4.5.1　總體方法150

　　4.5.2　受力圖151

　4.6　控制方程的結構：牛頓歐拉方程164

　　4.6.1　微分代數方程164

　　4.6.2　常微分方程166

　4.7　遞歸牛頓歐拉方程167

　4.8　運動方程的遞歸推導173

　4.9　習題175

　　4.9.1　關於線性動量的習題175

　　4.9.2　關於質心的習題177

　　4.9.3　關於慣性矩陣的習題179

　　4.9.4　關於角動量的習題180

　　4.9.5　關於牛頓歐拉方程的習題181

第5章　分析力學182

　5.1　哈密頓原理182

　　5.1.1　廣義坐標182

　　5.1.2　泛函與變分法183

　　5.1.3　保守系統的哈密頓原理186

　　5.1.4　剛體的動能191

　5.2　保守系統的拉格朗日方程194

　5.3　哈密頓擴展原理196

　5.4　用於機器人系統的拉格朗日方程207

　　5.4.1　自然系統207

　　5.4.2　拉格朗日方程和D-H約定210

　5.5　約束系統212

　5.6　習題215

　　5.6.1　關於哈密頓原理的習題215

　　5.6.2　關於拉格朗日方程的習題217

　　5.6.3　關於哈密頓擴展原理的習題217

　　5.6.4　關於約束系統的習題221

第6章　機器人系統的控制222

　6.1　控制問題的結構222

　　6.1.1　定點和跟踪反饋控制問題223

　　6.1.2　開環和閉環控制223

　　6.1.3　線性與非線性控制223

　6.2　穩定性理論的基礎224

　6.3　先進穩定性理論技術229

　6.4　李雅普諾夫直接方法230

　6.5　不變性原則232

　6.6　動態逆或計算力矩方法236

　6.7　近似動態逆和模糊性243

　6.8　基於無源性的控制器253

　6.9　執行器模型256

　　6.9.1　電動

內容簡介

本書只需要讀者對物理和數學有基本的知識，內容涵蓋：機器人學概論、工業機器人機構的基本特徵；、機器人機構幾何模型、機器人的運動學和動力學、機器人傳感器和機器人軌跡規劃、機器人視覺、執行器軌跡或力的基本控制方案；帶有進給裝置和機器人抓手的機器人工作單元。第二版在上一版的基礎上擴展了新主題：協作機器人、移動機器人和類人機器人。本書適用作為電氣、機械、計算機、土木等專業的機器人學入門課程

目　　錄

譯者序

前言

第1章　緒論 1

1.1 機械手 3

1.2 工業機器人 6

第2章　齊次變換矩陣 9

2.1 平移變換 9

2.2 旋轉變換 10

2.3 位姿和位移 13

2.4 機器人的幾何模型 16

第3章　機器人機構的幾何描述 21

3.1　運動副的矢量參數 21

3.2　機構的矢量參數 24

第4章　方向 30

第5章　二連桿機械手 37

5.1　運動學 37

5.2　靜力學 41

5.3　工作空間 42

5.4　動力學 46

第6章　並聯機器人 54

6.1　並聯機器人的特點 54

6.1.1　自由度數 55

6.1.2　並聯機器人的優點和缺點 57

6.2　並聯機器人的運動學編排 57

6.2.1　斯提沃爾特-苟夫平台 57

6.2.2　德爾塔機器人 58

6.2.3　平面並聯機器人 59

6.2.4　並聯仿人肩 60

6.3　並聯機器人的建模與設計 61

6.3.1　並聯機器人的運動學參數和坐標 62

6.3.2　並聯機器人的逆向運動學和正向運動學 63

6.3.3　設計並聯機器人 64

第7章　機器人所用傳感器 66

7.1　感知原理 66

7.2　運動傳感器 66

7.2.1　傳感器的安裝位置 66

7.2.2　電位計 67

7.2.3　光電編碼器 68

7.2.4　磁編碼器 72

7.2.5　轉速計 72

7.2.6　慣性測量單元 73

7.3　接觸式傳感器 75

7.3.1　觸覺傳感器 75

7.3.2　限位開關和碰撞傳感器 76

7.3.3　力和力矩傳感器 76

7.3.4　關節力矩傳感器 78

7.4　接近和測距傳感器 79

7.4.1　超聲波測距儀 79

7.4.2　激光測距儀和激光掃描儀 81

第8章　機器人視覺 83

8.1　系統配置 83

8.2　正向投影 83

8.3　反向投影 88

8.3.1　單攝像機 88

8.3.2　立體視覺 90

8.4　圖像處理 92

8.5　從圖像獲得物體位姿信息 92

8.5.1　攝像機標定 93

8.5.2　物體位姿 94

第9章　軌跡規劃 96

9.1　兩點間軌蹟的插值 96

9.2　路徑點插值法 98

第10章　機器人控制 104

10.1　基於內部坐標系的機器人控制 105

10.1.1　PD位置控制 105

10.1.2　具有重力補償的PD位置控制 106

10.1.3　基於逆向動力學的機器人控制 107

10.2　基於外部坐標系的機器人控制 110

10.2.1　基於轉置雅可比矩陣的控制 111

10.2.2　基於逆雅可比矩陣的控制 112

10.2.3　具有重力補償的PD位置控制 112

10.2.4　基於逆向動力學的機器人控制 113

10.3　基於接觸力的機器人控制 115

10.3.1　通過逆向動力學線性化機器人系統 116

10.3.2　力的控制 117

第11章　機器人工作環境 120

11.1　機器人安全性 120

11.2　裝配過程中的機器人外圍設備 124

11.3　供料裝置 125

11.4　傳送帶 129

11.5　機器人抓爪和工具 130

第12章　協作機器人 135

12.1　協作工業機器人系統 135

12.2　協作機器人概述 136

12.3　協作操作 138

12.3.1　安全可控的機器人停止 139

12.3.2　示教 139

12.3.3　速度和距離監控 140

12.3.4　功率和力的限制 142

12.4　協作機器人的抓爪 144

12.5　協作機器人系統的應用 145

第13章　移動機器人 147

13.1　移動機器人運動學 148

13.2　導航 153

13.2.1　定位 153

13.2.2　路徑規劃 156

13.2.3　路徑控制 157

第14章　仿人機器人 163

14.1　雙足移動 164

14.1.1　零力矩點 164

14.1.2　步態生成 166

14.2　模仿學習 169

14.2.1　觀察人類運動並將其遷移至仿人機器人運動 169

14.2.2　動態運動基元 172

14.2.3　線性動力學系統的收斂性 173

14.2.4　點到點運動的動態運動基元 173

14.2.5　通過單次示教估算DMP參數 176

14.2.6　DMP調製 177

第15章　工業機械臂的精度和重複性 180

附錄　圓周運動加速度的推導 189

參考資料 191

索引 192