现代机器人系统仿真

总序近年来，“智能制造 共融机器人”特别引人瞩目，呈现出“万物感知、万物互联、万物智能”的时代特征。智能制造与共融机器人产业将成为优先发展的战略性新兴产业，也是“中国制造2049”创新驱动发展的巨大引擎。值得注意的是，智能汽车与无人机、水下机器人等一起所形成的规模宏大的共融机器人产业，将是今后30年各国争夺的战略高地，并将对世界经济发展、社会进步、战争形态产生重大影响。与之相关的制造科学和机器人学属于综合性学科，是联系和涵盖物质科学、信息科学、生命科学的大科学。与其他工程科学、技术科学一样，制造科学、机器人学也是将认识世界和改造世界融合为一体的大科学。20世纪中叶，Cybernetics与Engineering Cybernetics等专著的发表开创了工程科学的新纪元。21世纪以来，制造科学、机器人学和人工智能等领域异常活跃，影响深远，是“智能制造 共融机器人”原始创新的源泉。华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准智能制造和机器人的科技前沿，组织策划了本套“智能制造与机器人理论及技术研究丛书”。丛书涉及的内容十分广泛。热烈欢迎各位专家从不同的视野、不同的角度、不同的领域著书立说。选题要点包括但不限于：智能制造的各个环节，如研究、开发、设计、加工、成形和装配等；智能制造的各个学科领域，如智能控制、智能感知、智能装备、智能系统、智能物流和智能自动化等；各类机器人，如工业机器人、服务机器人、机器人、海陆空机器人、仿生/类生/拟人机器人、软体机器人和微纳机器人等的发展和应用；与机器人学有关的机构学与力学、机动性与操作性、运动规划与运动控制、智能驾驶与智能网联、人机交互与人机共融等；人工智能、认知科学、大数据、云制造、物联网和互联网等。本套丛书将成为有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，青年科学家茁壮成长的园地，科学家展示研究成果的国际舞台。华中科技大学出版社将与施普林格(Springer)出版集团等国际学术出版机构一起，针对本套丛书进行全球联合出版发行，同时该社也与有关国际学术会议、国际学术期刊建立了密切联系，为提升本套丛书的学术水平和实用价值，扩大丛书的国际影响营造了良好的学术生态环境。近年来，高校师生、各领域专家和科技工作者等各界人士对智能制造和机器人的热情与日俱增。这套丛书将成为有关领域专家学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者与读者之间的联系，加快发现知识、传授知识、增长知识和更新知识的进程，为经济建设、社会进步、科技发展做出贡献。*后，衷心感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们为创新驱动发展增添正能量、聚集正能量、发挥正能量。感谢华中科技大学出版社相关人员在组织、策划过程中的辛勤劳动。华中科技大学教授中国科学院院士2017年9月现代机器人系统仿真前言机器人系统仿真一直是机器人理论、技术及应用研究的重要及基础性内容之一。随着机器人应用领域及环境的拓展，机器人系统已经从经典的制造环境下机器人系统向更多类别的现代机器人系统发展。从结构刚度这一物理属性出发，现有机器人系统一般可分为刚体机器人系统、软体机器人系统及刚软混杂机器人系统三类。上述三类机器人系统因其物理属性的不同，在数学描述及建模方法方面存在明显差异，因此需要建立相应的仿真方法及平台。围绕现代机器人系统的仿真，本书按照“理论及方法建立—功能模块及平台实现—典型案例演示”的思路，系统介绍了刚体机器人系统、软体机器人系统及刚软混杂机器人系统的仿真方法。本书第1章主要介绍现代机器人系统仿真的基本概念，包含机器人系统仿真的基本目标、常见的机器人仿真工具与仿真平台以及三类机器人系统仿真任务。第2章系统介绍了刚体机器人系统的仿真方法，重点介绍了如何基于经典刚体理论实现模型创建、运动学求解、运动规划与控制等基本仿真功能。第3章介绍了刚软混杂机器人系统仿真方法，重点介绍了如何在前述刚体机器人仿真平台下实现刚软混杂机器人系统仿真，包含系统中软体对象的建模方法、形态描述和主动的驱动激励仿真。第4章介绍了软体机器人系统的仿真方法，重点介绍了一种基于有限元的软体机器人仿真方法，并给出了一种纯气动软体机器人的仿真方法。第5章以著者前期项目研究中的若干典型机器人系统为例，详细展示了如何基于现有机器人操作系统实现多类现代机器人系统仿真的方法和平台设计、功能开发和实验测试。在介绍现代机器人系统仿真时，上述各章节重点突出了对机器人操作仿真方法的介绍。机器人的应用领域及环境仍然在深入发展及快速拓展之中，因此本书虽致力于通过上述内容来全面及系统地展示现代机器人系统仿真的内涵，但仍然难以做到涵盖所有的应用类别。相信在面对新的机器人仿真问题时，读者能够在掌握上述三大类别机器人系统仿真的基本思想和基本方法的基础上，通过分析仿真目标、分解仿真任务，建立自己的机器人系统仿真方法和平台。另外，软体机器人系统的仿真仍然是一个有挑战性的领域，在如何实现高保真、高效率的软体机器人系统仿真和如何建立适用于不同激励驱动与控制的仿真引擎等方面仍需深入研究。希望本书能够推动同行在上述方向上坚持不懈地开展研究和探索，这也是著者总结研究团队前期研究及应用积累，撰写这本专著的初衷之一。本书集中了著者及其科研团队历年来在机器人系统仿真方面取得的系列研究及应用成果，凝聚了团队的集体努力和智慧。本书的成果得到了多个项目的支持，包括国家自然科学基金面上项目（61773365）、国家自然科学基金联合基金项目（U2013205）、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项（2016YFE0128000）、国家自然科学基金青年科学基金项目（51305436）、广东省重大科技专项项目（2014B090919002）、广东省自然科学基金杰出青年项目（2015A030306020）、中国科学院青年创新促进会优秀会员项目（Y201968）、深圳市海外高层次人才创新创业专项资金项目（KQCX20130628112914284）、深圳市基础研究学科布局项目（JCYJ20170413162458312）。著者科研团队的邓豪、陈君、钱伟、侯文国、张茜卓参与了本书的撰写工作，其中邓豪为本书的统稿及校核做了大量的工作。 除上述人员外，翁少葵、甘阳洲、郭杨超、李煌、王小军、张雪在著者指导下参与了与本书内容相关的项目或论文研究工作。熊璟也为本书的撰写提供了诸多有益建议。在此一并谨致诚挚谢意！因著者的水平和时间有限，且现代机器人系统还处于快速发展变化之中，书中难免有不少不妥、疏漏甚至错误之处，恳请各位专家及读者不吝批评指正。2021年4月于深圳现代机器人系统仿真前言

机器人系统仿真一直是机器人理论、技术及应用研究的重要及基础性内容之一。刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统因物理属性差异，其数学描述、建模方法和相应的仿真方法也存在明显差异。本书按照“理论及方法建立—功能模块及平台实现—典型仿真案例实现及演示”的思路，系统介绍了刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统的建模及仿真方法。本书内容及所述方法适用于解决目前常见的机器人操作仿真问题，既可用于相关研究及技术人员的研究及开发参考，也可作为相关领域的研究生及高年级本科生专业用书。本书中仿真案例的源代码可供下载以供研究及学习用。

夏泽洋 中国科学院深圳先进技术研究院软体机器人研究中心主任，研究员，博士生导师。于2002年获得上海交通大学学士学位，2008年获得清华大学博士学位，之后在新加坡及美国工作，2012年回国加入中国科学院深圳先进技术研究院。研究方向为机器人与生物力学，致力于软体机器人、医疗机器人及生物力学、多模机器人操作及控制的研究。主持了国家自然科学基金联合基金重点支持项目、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、广东省自然科学基金杰出青年项目、广东省重大科技专项等重要项目20余项。在重要国际期刊及会议上发表论文100余篇，申请专利60余项，曾获2017年“吴文俊人工智能自然科学奖”、2019年“熊有伦智湖优秀青年学者奖“和2018年“中国电子学会优秀科技工作者”，相关工作多次被《中国科学报》等媒体专题报道。夏博士是英国工程技术学会会士（IET Fellow），IEEE/ASME Transactions on Mechatronics编委，2019年IEEE RCAR（实时计算与机器人学）国际会议总主席。还担任了中国电子学会青年科学家俱乐部2021年轮值主席，中国电子学会嵌入式系统与机器人分会青年副主任委员，中国职业技术教育学会理事兼学术委员会委员，中国自动化学会机器人专业委员会委员和共融机器人专业委员会委员、中国仿真学会机器人系统仿真专业委员会委员，广东省人工智能与机器人学会理事，广东省医学会医学人工智能分会常务委员，也是中国科学院青年创新促进会优秀会员。

第1章机器人系统仿真概述/1

1.1引言/1

1.2机器人仿真工具/1

1.2.1常用的机器人仿真器/2

1.2.2物理引擎/9

1.3机器人仿真平台/13

1.3.1ROS发展概况/13

1.3.2ROS架构及基本概念/16

1.3.3基于ROS的机器人仿真平台搭建/21

1.4机器人仿真任务/26

1.5本章小结/28

本章参考文献/28

第2章刚体机器人系统仿真方法/32

2.1引言/32

2.2刚体机器人数学建模/32

2.2.1刚体运动学模型创建/32

2.2.2刚体动力学模型创建/40

2.3机械臂运动仿真/46

2.3.1基本运动仿真/47

2.3.2点对点复杂运动仿真/51

2.4机械臂运动规划/55

2.4.1高维空间随机采样规划/55

2.4.2使用MoveIt!机器人操作框架/69

2.5本章小结/76

本章参考文献/76

现代机器人系统仿真目录第3章刚软混杂机器人系统仿真方法/78

3.1引言/78

3.2刚软混杂机器人仿真研究动机/78

3.3刚软混杂系统数学建模/81

3.3.1刚软混杂系统运动学建模/83

3.3.2刚软混杂系统动力学建模/89

3.4刚软混杂系统运动仿真/95

3.4.1纯软体对象仿真实例/95

3.4.2刚软混杂机器人系统仿真实例/98

3.5本章小结/105

本章参考文献/105

第4章软体机器人系统仿真方法/107

4.1引言/107

4.2基于有限元的建模仿真/107

4.2.1软体材料的本构模型/107

4.2.2综合实例应用/111

4.3软体系统运动仿真/114

4.3.1基于Bullet引擎的软体仿真场景/114

4.3.2软体对象形变仿真实例/117

4.3.3软体机器人仿真实例/121

4.4本章小结/131

本章参考文献/131

第5章机器人系统仿真案例实现/133

5.1引言/133

5.2工业装配机器人系统仿真/133

5.2.1卡槽类装配操作仿真/133

5.2.2孔轴配合装配操作仿真/141

5.3口腔正畸弓丝矫治器制备机器人系统仿真/142

5.3.1可形变弓丝形态仿真/143

5.3.2可形变弓丝弯制规划/145

5.3.3制备过程仿真/148

5.4仿人机器人系统仿真/151

5.4.1仿真环境工作空间创建/152

5.4.2环境数字地图构建/153

5.4.3仿人机器人足迹规划仿真/158

5.5软体爬行机器人系统仿真/162

5.5.1软体爬行机器人的形态学设计与建模/162

5.5.2软体爬行机器人仿真/163

5.6本章小结/165

本章参考文献/166 

机器人系统仿真一直是机器人理论、技术及应用研究的重要及基础性内容之一。刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统因物理属性差异，其数学描述、建模方法和相应的仿真方法也存在明显差异。本书按照“理论及方法建立—功能模块及平台实现—典型仿真案例实现及演示”的思路，系统介绍了刚体机器人、软体机器人和刚软混杂机器人三类机器人系统的建模及仿真方法。本书内容及所述方法适用于解决目前常见的机器人操作仿真问题，既可用于相关研究及技术人员的研究及开发参考，也可作为相关领域的研究生及高年级本科生专业用书。本书中仿真案例的源代码可供下载以供研究及学习用。

夏泽洋 中国科学院深圳先进技术研究院软体机器人研究中心主任，研究员，博士生导师。于2002年获得上海交通大学学士学位，2008年获得清华大学博士学位，之后在新加坡及美国工作，2012年回国加入中国科学院深圳先进技术研究院。研究方向为机器人与生物力学，致力于软体机器人、医疗机器人及生物力学、多模机器人操作及控制的研究。主持了国家自然科学基金联合基金重点支持项目、国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、广东省自然科学基金杰出青年项目、广东省重大科技专项等重要项目20余项。在重要国际期刊及会议上发表论文100余篇，申请专利60余项，曾获2017年“吴文俊人工智能自然科学奖”、2019年“熊有伦智湖优秀青年学者奖“和2018年“中国电子学会优秀科技工作者”，相关工作多次被《中国科学报》等媒体专题报道。夏博士是英国工程技术学会会士（IET Fellow），IEEE/ASME Transactions on Mechatronics编委，2019年IEEE RCAR（实时计算与机器人学）国际会议总主席。还担任了中国电子学会青年科学家俱乐部2021年轮值主席，中国电子学会嵌入式系统与机器人分会青年副主任委员，中国职业技术教育学会理事兼学术委员会委员，中国自动化学会机器人专业委员会委员和共融机器人专业委员会委员、中国仿真学会机器人系统仿真专业委员会委员，广东省人工智能与机器人学会理事，广东省医学会医学人工智能分会常务委员，也是中国科学院青年创新促进会优秀会员。

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