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。

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章分别介绍了与机器人系统及机构相关的基础知识,为读者提供了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章主要讲述了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章主要讲述了有关机器人动力学、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)与机器人控制基础(第10章)等。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。本书可作为机器人工程等专业本科专业教材或研究生教材,也可作为相关科研人员与工程技术人员参考用书。

前言符号表第1章绪论111机器人的起源与发展1111古代有关机器人的记载1112近、现代机器人的发展312机器人的定义、分类与应用7121机器人的定义7122机器人的分类8123机器人的典型应用1013机器人学的知识体系与发展方向11131知识体系11132发展方向1414本书内容与学习目标15141章节安排与内容导读15142学习目标16143如何使用本书17习题17第2章机器人系统组成1921机器人系统的组成1922两类典型的机器人系统23221操作臂24222移动机器人2623机器人驱动器27231电动机27232液压驱动器28233气动驱动器28234其他驱动器类型2924机器人传动系统30241常见的机器人传动机构31242机器人专用减速器3225机器人传感器35251典型的内传感器35252典型的外传感器3926机器人控制系统41261软件架构41262硬件架构4227机器人的主要性能指标4428本章小结47延读文献47习题48第3章机器人机构4931机器人机构的基本组成49311机构的基本组成元素:构件与运动副49312运动链、机构与机器人52313机器人机构的表示5332机器人机构的简单分类5533串联机器人机构56331手臂机构56332手腕机构58333机器人手爪6034并/混联机器人机构6335机器人机构的自由度69351与自由度相关的几个基本概念69352自由度计算公式7136本章小结75延读文献76习题76第4章位姿描述与变换8140预备知识81401坐标系与点的坐标表示81402三维矢量及其运算8241位姿描述84411概述84412平面刚体的位姿描述86413空间刚体的位置描述87414空间刚体的姿态描述88415空间刚体的位姿描述9042刚体变换91421坐标映射91422运动算子96423逆变换100424复合变换101425变换方程103426自由矢量的变换10643三角度姿态描述107431欧拉角108432固定角11244等效轴角与单位四元数114441基于等效轴角的旋转变换114442单位四元数1184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1244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13351位移分析的主要任务及意义13352位移分析的基本原理与基本方法134521基本原理:闭环方程134522求解逆运动学的通用方法:数值法13653DH参数与串联机器人的正运动学求解139531DH参数法的由来139532DH参数定义141533前置坐标系及前置DH矩阵1425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15054串联机器人的位移反解15355综合实例159*56串联机器人位移求解的指数积公式16257位姿描述与工作空间165571位姿描述165572工作空间1665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17261速度与静力分析的主要任务及意义17262速度矢量和雅可比的定义173621广义速度矢量的符号表达和定义173622任意两刚体之间的速度关系179623雅可比的定义18063速度雅可比的求解181631直接微分法181632递推法186*633矢量积法191634几何雅可比与解析雅可比之间的变换19464奇异位姿与运动学奇异195641有关奇异的基本概念195642奇异性分析1966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201661冗余度机器人的逆雅可比201662奇异位姿下的逆雅可比20467串联机器人静力学205671静力雅可比205672静力雅可比与速度雅可比之间的对偶性207673递推法计算关节力/力矩208674刚体上两点间速度和力的关系21168串联机器人性能分析与评价213681灵巧性分析213682力椭球2166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22371并联机器人的主要应用22372并联机器人的位移求解227721求解方法概述227722实例分析22873并联机器人的速度雅可比240731位移方程直接求导法241*732旋量法24274并联机器人的奇异性分析243741并联机器人奇异的分类243742并联机器人奇异的求解方法简介2447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24981机器人动力学建模的目的与意义24982刚体的惯性25083基于拉格朗日方程的串联机器人动力学建模25584基于牛顿欧拉方程的串联机器人动力学建模264841连杆的加速度计算公式264842连杆速度、加速度的向外递推公式266843关节力/力矩的向内递推公式267844牛顿欧拉动力学递推算法总结26885摩擦、传动比及驱动空间动力学273851摩擦的影响273852传动比的影响274853驱动空间动力学方程27786操作空间动力学方程27787本章小结280延读文献280习题281第9章机器人轨迹生成28391轨迹生成的一般概念28392关节空间轨迹生成与插补288921二次组合曲线轨迹289922三次多项式与速度S曲线轨迹296923五次多项式轨迹299924小结30193笛卡儿空间轨迹生成和插补301931直线路径的参数化表达及轨迹生成302932圆弧路径的参数化表达304933姿态的表达和轨迹生成306934笛卡儿空间路径规划注意事项30894轨迹生成的实现310941程序的模块化310942轨迹生成与运动控制31095本章小结312延读文献312习题312第10章机器人控制基础314101机器人控制问题概述314102机器人运动控制系统硬件原理3181021运动控制器的功能和原理简述3191022驱动器与电动机闭环控制简述322103驱动器与电动机模型3261031电动机的速度模型3261032电动机的力矩模型329104分散控制3311041速度模式下的独立关节PID运动控制器3321042力矩模式下的独立关节PID运动控制器3351043速度和加速度前馈补偿3411044集中前馈补偿独立关节PID控制器343105PID控制器的离散化3451051数字控制系统简介3461052数字PID算法的实现347106机器人力控制的基本概念35010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355A1旋量、线矢量与偶量355A2旋量的基本运算356A3运动旋量与力旋量357A4旋量系358A5运动旋量系与约束旋量系360A6小结362延读文献362附录BMATLAB编程362参考文献367