机器人学基础9787111734376

前言

符号表

第1章绪论1

11机器人的起源与发展1

111古代有关机器人的记载1

112近、现代机器人的发展3

12机器人的定义、分类与应用7

121机器人的定义7

122机器人的分类8

123机器人的典型应用10

13机器人学的知识体系与发展方向11

131知识体系11

132发展方向14

14本书内容与学习目标15

141章节安排与内容导读15

142学习目标16

143如何使用本书17

习题17

第2章机器人系统组成19

21机器人系统的组成19

22两类典型的机器人系统23

221操作臂24

222移动机器人26

23机器人驱动器27

231电动机27

232液压驱动器28

233气动驱动器28

234其他驱动器类型29

24机器人传动系统30

241常见的机器人传动机构31

242机器人专用减速器32

25机器人传感器35

251典型的内传感器35

252典型的外传感器39

26机器人控制系统41

261软件架构41

262硬件架构42

27机器人的主要性能指标44

28本章小结47

延读文献47

习题48

第3章机器人机构49

31机器人机构的基本组成49

311机构的基本组成元素:构件与

运动副49

312运动链、机构与机器人52

313机器人机构的表示53

32机器人机构的简单分类55

33串联机器人机构56

331手臂机构56

332手腕机构58

333机器人手爪60

34并/混联机器人机构63

35机器人机构的自由度69

351与自由度相关的几个基本概念69

352自由度计算公式71

36本章小结75

延读文献76

习题76

第4章位姿描述与变换81

40预备知识81

401坐标系与点的坐标表示81

402三维矢量及其运算82

41位姿描述84

411概述84

412平面刚体的位姿描述86

413空间刚体的位置描述87

414空间刚体的姿态描述88

415空间刚体的位姿描述90

42刚体变换91

421坐标映射91

422运动算子96

423逆变换100

424复合变换101

425变换方程103

426自由矢量的变换106

43三角度姿态描述107

431欧拉角108

432固定角112

44等效轴角与单位四元数114

441基于等效轴角的旋转变换114

442单位四元数118

443不同姿态描述之间的对比及

映射关系总结123

*45对齐次变换的再认识124

46本章小结128

延读文献129

习题129

第5章串联机器人的位移分析133

51位移分析的主要任务及意义133

52位移分析的基本原理与基本方法134

521基本原理:闭环方程134

522求解逆运动学的通用方法:

数值法136

53DH参数与串联机器人的正运动学

求解139

531DH参数法的由来139

532DH参数定义141

533前置坐标系及前置DH矩阵142

534基于前置DH参数法的串联

机器人位移求解147

*535后置DH参数法与串联

机器人的正向运动学求解150

54串联机器人的位移反解153

55综合实例159

*56串联机器人位移求解的指数积

公式162

57位姿描述与工作空间165

571位姿描述165

572工作空间166

58本章小结168

延读文献169

习题169

第6章串联机器人的速度与静力

分析172

61速度与静力分析的主要任务及意义172

62速度矢量和雅可比的定义173

621广义速度矢量的符号表达和

定义173

622任意两刚体之间的速度关系179

623雅可比的定义180

63速度雅可比的求解181

631直接微分法181

632递推法186

*633矢量积法191

634几何雅可比与解析雅可比之间的

变换194

64奇异位姿与运动学奇异195

641有关奇异的基本概念195

642奇异性分析196

65机器人自由度类型与速度雅可比199

*66雅可比的广义逆201

661冗余度机器人的逆雅可比201

662奇异位姿下的逆雅可比204

67串联机器人静力学205

671静力雅可比205

672静力雅可比与速度雅可比之间的

对偶性207

673递推法计算关节力/力矩208

674刚体上两点间速度和力的关系211

68串联机器人性能分析与评价213

681灵巧性分析213

682力椭球216

69本章小结218

延读文献219

习题219

第7章并联机器人运动学基础223

71并联机器人的主要应用223

72并联机器人的位移求解227

721求解方法概述227

722实例分析228

73并联机器人的速度雅可比240

731位移方程直接求导法241

*732旋量法242

74并联机器人的奇异性分析243

741并联机器人奇异的分类243

742并联机器人奇异的求解方法

简介244

75本章小结245

延读文献246

习题246

第8章串联机器人的动力学建模249

81机器人动力学建模的目的与意义249

82刚体的惯性250

83基于拉格朗日方程的串联机器人

动力学建模255

84基于牛顿欧拉方程的串联机器人

动力学建模264

841连杆的加速度计算公式264

842连杆速度、加速度的向外递推

公式266

843关节力/力矩的向内递推公式267

844牛顿欧拉动力学递推算法

总结268

85摩擦、传动比及驱动空间动力学273

851摩擦的影响273

852传动比的影响274

853驱动空间动力学方程277

86操作空间动力学方程277

87本章小结280

延读文献280

习题281

第9章机器人轨迹生成283

91轨迹生成的一般概念283

92关节空间轨迹生成与插补288

921二次组合曲线轨迹289

922三次多项式与速度S曲线轨迹296

923五次多项式轨迹299

924小结301

93笛卡儿空间轨迹生成和插补301

931直线路径的参数化表达及轨迹

生成302

932圆弧路径的参数化表达304

933姿态的表达和轨迹生成306

934笛卡儿空间路径规划注意事项308

94轨迹生成的实现310

941程序的模块化310

942轨迹生成与运动控制310

95本章小结312

延读文献312

习题312

第10章机器人控制基础314

101机器人控制问题概述314

102机器人运动控制系统硬件原理318

1021运动控制器的功能和原理

简述319

1022驱动器与电动机闭环控制

简述322

103驱动器与电动机模型326

1031电动机的速度模型326

1032电动机的力矩模型329

104分散控制331

1041速度模式下的独立关节PID

运动控制器332

1042力矩模式下的独立关节PID

运动控制器335

1043速度和加速度前馈补偿341

1044集中前馈补偿独立关节PID

控制器343

105PID控制器的离散化345

1051数字控制系统简介346

1052数字PID算法的实现347

106机器人力控制的基本概念350

107本章小结351

延读文献352

习题352

附录355

附录A旋量理论基础355

A1旋量、线矢量与偶量355

A2旋量的基本运算356

A3运动旋量与力旋量357

A4旋量系358

A5运动旋量系与约束旋量系360

A6小结362

延读文献362

附录BMATLAB编程362

参考文献367

1.1机器人的起源与发展

1.1.1古代有关机器人的记载

机器人(Robol)的雏形出现在人类的想象和生活中已有3000多年了。在古代，中外都有类如机器人装置的记载和传说。

据《列子，汤问》中记载，我国西周时代(公元前1000年前后)，匠人偃师献给周穆王一个能歌善舞的机械伶人(图1.1a)，它由木材和皮革制成，与正常人的外貌极为相似，能前进后退、前俯后仰，甚至能闻歌起舞。

……

适读人群 ：工科学生

本书系统地介绍了机器人学的基础理论知识,重心放在机器人机构、建模、规划与控制等方面,为本科机器人工程及相关专业的入门教材。

全书共10章。第1章为绪论；第2章和第3章分别介绍与机器人系统与机构相关的基础知识，为读者提供对机器人的总体认识；第4章作为机器人的数理基础，详细讨论了如何构建刚体运动模型；第5-7章主要讲述有关机器人运动学方面的基础内容，包括串联机器人的位移分析(第5章)、串联机器人的速度与静力分析(第6章)和并联机器人运动学基础(第7章)。第8-10章主要讲述有关机器人动力学、规划与控制方面的基础知识，包括串联机器人的动力学建模(第8章)、机器人轨迹生成(第9章)与机器人控制等(第10章)。此外，作为正文的补充，在附录中介绍了旋量理论基础、MATLAB编程等内容。