圖書簡介
本書總結和歸納了作者近十年來“
機器人技術及套用”課程教學中所使用的教案,並結合了多年科研項目開發過程中所積累的豐富經驗和部分成果。全書圖文並茂、深入淺出,主要內容包括機器人的發展歷史及前景展望,相關定義、術語及分類、相關學科及知識構成、組成原理及機構學基礎、坐標系的建立及坐標變換、位置運動學和速度運動學、動力學、控制和機器人的軌跡規劃及仿真基礎,最後兩章詳細列舉了機器人運動學仿真及雙機器人協調仿真實例。
本書有利於學生和科研工作者以及廣大的機器人愛好者加深對機器人基本概念的理解和掌握,更可使其體會分析問題和解決問題的過程,提高學習的興趣和效果,尤其是書中的仿真實例既可以為參加“卓越工程師培養計畫”和“大學生創新創業活動”的學生奠定堅實的理論和實踐基礎,也可以成為電類、機械類以及相關專業的學生專業綜合實訓能力的提高和訓練的一部分,同時也可以為畢業設計提供指導,從而增強學習興趣,進而為創新能力的提高奠定堅實的基礎。
圖書目錄
第1章緒論/1
1.1機器人概述1
1.1.1古代機器人1
1.1.2機器人三定律3
1.1.3現代機器人6
1.1.4機器人技術大發展7
1.1.5機器人在中國9
1.2機器人的相關定義及術語20
1.2.1機器人的定義20
1.2.2機器人學21
1.2.3操作機器人(工業機器人)21
1.2.4智慧型機器人和自主機器人21
1.2.5機器人系統23
1.2.6多機器人系統和多智慧型體系統23
1.2.7微納機器人和微納作業系統23
1.2.8模組化及可重構機器人23
1.2.9機器人化機器25
1.3機器人分類25
1.3.1機器人的代26
1.3.2機器人的分類26
1.3.3機器人的套用領域分類26
1.4機器人學的技術及相關科學27
1.4.1機器人的主要技術27
1.4.2機器人的相關科學與學科知識構成27
1.4.3機器人學的研究內容28
1.5機器人技術展望28
1.5.1國際先進機器人計畫(IARP)28
1.5.2中國的“863計畫”28
1.5.3機器人的最偉大成就及未來的前景29
1.5.4機器人對人類的挑戰30〖1〗機器人原理與技術目錄[3]〖3〗1.5.5機器人的研究拓展至哲學及社會學範疇30
1.6本章小結32
第2章機器人的組成原理及機構學基礎/33
2.1機器人的組成原理33
2.1.1機器人系統組成33
2.1.2機器人本體33
2.1.3機器人感知系統34
2.1.4機器人控制系統35
2.1.5機器人決策系統35
2.1.6通信系統36
2.1.7人機互動系統37
2.1.8機器人的硬體系統結構37
2.1.9機器人軟體系統構成37
2.2機器人系統的設計方法38
2.2.1機器人系統設計的基本原則38
2.2.2機器人系統設計的四個階段38
2.2.3機器人系統設計過程中問題的解決方法39
2.3機器人機構學39
2.3.1坐標系統39
2.3.2操作機構類型40
2.3.3移動機構類型41
2.4運動副及自由度42
2.4.1運動副及其分類42
2.4.2運動副與關節機構43
2.4.3關節及其分類43
2.4.4與自由度的關係43
2.4.5機器人運動副(關節)符號43
2.4.6自由度45
2.4.7機動度47
2.5典型機構47
2.5.1聯軸器47
2.5.2減速器49
2.5.3旋轉驅動機構50
2.5.4直線驅動機構52
2.5.5其他常用機構52
2.6機器人的技術指標與性能評價57
2.6.1指標體系與評價內容(機器人技術指標與性能評價)57
2.6.2機器人對控制系統的基本要求59
2.7本章小結59
第3章機器人坐標系及坐標變換/60
3.1位置與姿態60
3.2正交坐標系61
3.2.1正交坐標系及矢量基礎61
3.2.2位置的描述63
3.2.3姿態的描述63
3.3運動坐標表示64
3.3.1平動的坐標表示64
3.3.2轉動的坐標表示64
3.3.3複合運動的坐標表示66
3.4齊次坐標及其變換67
3.4.1齊次坐標的定義和性質67
3.4.2齊次變換和齊次矩陣68
3.4.3齊次變換的性質70
3.5機器人坐標系統72
3.5.1機器人坐標系統的構成72
3.5.2變換方程的建立73
3.6本章小結73
習題74
第4章機器人位置運動學/76
4.1機器人參數及其確定76
4.1.1以迴轉副連線的兩桿件的DH參數的確定76
4.1.2變換矩陣的確立78
4.1.3以移動副連線的兩桿件的DH參數的確定78
4.2機器人運動方程78
4.2.1三種簡化情況的齊次變換矩陣78
4.2.2機器人運動方程的解80
4.3從手部位姿到關節變數——運動學逆問題84
4.3.1θ-r操作機的手臂解84
4.3.2手部姿態角的確定85
4.3.36關節操作機的手臂解86
4.3.4在求手臂解時出現的兩個問題89
4.4本章小結89
習題89
第5章機器人速度運動學/91
5.1機器人的微分移動91
5.2微分轉動的兩個定理91
5.3微分運算元93
5.4雅可比矩陣及其變換94
5.4.1雅可比矩陣94
5.4.2θ-r操作機的雅可比矩陣及其逆矩陣95
5.4.3雅可比矩陣的物理意義97
5.5本章小結98
習題98
第6章機器人動力學/100
6.1機器人動力學研究概述100
6.2拉格朗日動力學方法101
6.2.1用於保守系統的拉格朗日方程101
6.2.2用於非保守系統的拉格朗日方程101
6.2.3拉格朗日函式方法102
6.2.4拉格朗日方程的特點102
6.3θ-r操作機的動力學分析102
6.3.1操作機的動力學模型102
6.3.2建立拉格朗日函式103
6.3.3廣義力的計算104
6.3.4套用實例分析105
6.4倒立擺系統的動力學分析106
6.4.1倒立擺系統及其基本假設106
6.4.2用牛頓力學的方法來建立一級倒立擺系統的動力學模型107
6.4.3用拉格朗日函式法建立動力學模型(Ⅰ)108
6.4.4用拉格朗日函式法建立動力學模型(Ⅱ)110
6.4.5三種動力學建模方法之比較111
6.5本章小結112
習題112
第7章機器人控制/113
7.1概述113
7.1.1機器人控制系統構成113
7.1.2工業機器人的典型控制方式115
7.1.3機器人控制的特點115
7.1.4主要控制策略116
7.2伺服控制器119
7.2.1單關節驅動系統傳遞函式120
7.2.2單關節的建模與角度反饋比例控制122
7.3示教再現與軌跡控制122
7.3.1軌跡記錄與再現122
7.3.2笛卡兒運動與軌跡設計123
7.3.3軌跡控制多項式125
7.3.4笛卡兒控制128
7.4機器人的力控制130
7.4.1以位移控制為基礎130
7.4.2以廣義力控制為基礎130
7.4.3位置和力的混合控制130
7.5機器人的柔順控制131
7.5.1任務系和約束131
7.5.2組合控制策略133
7.5.3柔性(也稱柔順運動)機器人控制系統134
7.6倒立擺控制系統(單足機器人系統)分析與設計136
7.6.1問題概述136
7.6.2車擺系統建模137
7.6.3狀態方程的建立138
7.6.4系統分析138
7.6.5最優控制器設計139
7.6.6最優觀測器設計140
7.7擦地板機器人141
7.8本章小結142
習題142
第8章機器人軌跡規劃及仿真/143
8.1機器人位姿的描述143
8.1.1位置的描述143
8.1.2方位的描述143
8.1.3位姿的描述144
8.2坐標變換144
8.2.1平移變換144
8.2.2旋轉變換145
8.2.3複合變換145
8.3連桿參數和連桿坐標系統146
8.3.1連桿描述146
8.3.2連桿連線的描述147
8.3.3連桿坐標系的規定147
8.3.4建立連桿坐標系的步驟148
8.3.5連桿參數的總結148
8.4連桿變換148
8.5機器人操作臂運動學方程149
8.6運動學方程反解的討論152
8.6.1解的存在性和工作空間152
8.6.2反解的唯一性和最優解153
8.7幾種機器人空間的關係153
8.8機器人運動學中的速度分析153
8.9機器人的MATLAB仿真154
8.9.1MATLAB環境的機器人仿真工具154
8.9.2構建機器人對象158
8.9.3運動學仿真160
8.10本章小結160
習題161
第9章機器人運動學仿真實例/162
9.1關節空間的軌跡規劃163
9.1.1三次多項式插值163
9.1.2五次多項式插值171
9.1.3三次多項式五次多項式軌跡規劃對比180
9.2直角坐標空間的軌跡規劃180
9.2.1直線插補算法181
9.2.2圓弧插補算法182
9.3B樣條曲線187
9.3.1四階三次均勻B樣條函式的推導方法187
9.3.2四階三次B樣條曲線的性質188
9.3.3控制點的求法189
9.3.4邊界條件190
9.4機器臂軌跡規劃仿真192
9.4.1機器臂在笛卡兒空間做直線運動仿真192
9.4.2機器臂在笛卡兒空間做圓弧運動仿真192
9.4.3機器臂在笛卡兒空間做三次B樣條運動仿真193
9.5本章小結194
第10章雙機器人協調仿真實例/195
10.1雙機器人協調作業的分析195
10.2插值算法195
10.2.1笛卡兒路徑軌跡規劃196
10.2.2線性函式插值196
10.2.3空間圓弧插補算法198
10.3建立puma560機器人模型202
10.4puma560運動學仿真204
10.5雙機器人協調仿真204
10.5.1空間直線運動204
10.5.2平面圓弧運動205
10.5.3空間圓弧運動207
10.5.4正弦曲線207
10.5.5拋物線207
10.6雙機器人的工作空間208
10.7雙機器人的分層控制209
10.7.1關節控制級210
10.7.2本體控制級210
10.7.3對象控制級211
10.7.4任務控制級211
10.8雙機器人關節最優軌跡規劃212
10.8.1問題建模及任務描述212
10.8.2最優時間關節加速度212
10.8.3機器人協作最優時間軌跡213
10.8.4雙臂機器人仿真實驗214
10.9本章小結216
附錄A有關機器人的主要技術期刊及著名國際會議/217
附錄B操作機器人/219B.1操作機器人直線運動程式219
B.2操作機器人圓弧運動程式220
B.3操作機器人三次B樣條運動程式222
參考文獻/224
〖1〗機器人原理與技術目錄[3]〖3〗1.5.5機器人的研究拓展至哲學及社會學範疇30
1.6本章小結32
第2章機器人的組成原理及機構學基礎/33
2.1機器人的組成原理33
2.1.1機器人系統組成33
2.1.2機器人本體33
2.1.3機器人感知系統34
2.1.4機器人控制系統35
2.1.5機器人決策系統35
2.1.6通信系統36
2.1.7人機互動系統37
2.1.8機器人的硬體系統結構37
2.1.9機器人軟體系統構成37
2.2機器人系統的設計方法38
2.2.1機器人系統設計的基本原則38
2.2.2機器人系統設計的四個階段38
2.2.3機器人系統設計過程中問題的解決方法39
2.3機器人機構學39
2.3.1坐標系統39
2.3.2操作機構類型40
2.3.3移動機構類型41
2.4運動副及自由度42
2.4.1運動副及其分類42
2.4.2運動副與關節機構43
2.4.3關節及其分類43
2.4.4與自由度的關係43
2.4.5機器人運動副(關節)符號43
2.4.6自由度45
2.4.7機動度47
2.5典型機構47
2.5.1聯軸器47
2.5.2減速器49
2.5.3旋轉驅動機構50
2.5.4直線驅動機構52
2.5.5其他常用機構52
2.6機器人的技術指標與性能評價57
2.6.1指標體系與評價內容(機器人技術指標與性能評價)57
2.6.2機器人對控制系統的基本要求59
2.7本章小結59
第3章機器人坐標系及坐標變換/60
3.1位置與姿態60
3.2正交坐標系61
3.2.1正交坐標系及矢量基礎61
3.2.2位置的描述63
3.2.3姿態的描述63
3.3運動坐標表示64
3.3.1平動的坐標表示64
3.3.2轉動的坐標表示64
3.3.3複合運動的坐標表示66
3.4齊次坐標及其變換67
3.4.1齊次坐標的定義和性質67
3.4.2齊次變換和齊次矩陣68
3.4.3齊次變換的性質70
3.5機器人坐標系統72
3.5.1機器人坐標系統的構成72
3.5.2變換方程的建立73
3.6本章小結73
習題74
第4章機器人位置運動學/76
4.1機器人參數及其確定76
4.1.1以迴轉副連線的兩桿件的DH參數的確定76
4.1.2變換矩陣的確立78
4.1.3以移動副連線的兩桿件的DH參數的確定78
4.2機器人運動方程78
4.2.1三種簡化情況的齊次變換矩陣78
4.2.2機器人運動方程的解80
4.3從手部位姿到關節變數——運動學逆問題84
4.3.1θ-r操作機的手臂解84
4.3.2手部姿態角的確定85
4.3.36關節操作機的手臂解86
4.3.4在求手臂解時出現的兩個問題89
4.4本章小結89
習題89
第5章機器人速度運動學/91
5.1機器人的微分移動91
5.2微分轉動的兩個定理91
5.3微分運算元95
5.4雅可比矩陣及其變換97
5.4.1雅可比矩陣97
5.4.2θ-r操作機的雅可比矩陣及其逆矩陣97
5.4.3雅可比矩陣的物理意義99
5.5本章小結101
習題101
第6章機器人動力學/102
6.1機器人動力學研究概述102
6.2拉格朗日動力學方法103
6.2.1用於保守系統的拉格朗日方程103
6.2.2用於非保守系統的拉格朗日方程103
6.2.3拉格朗日函式方法104
6.2.4拉格朗日方程的特點104
6.3θ-r操作機的動力學分析104
6.3.1操作機的動力學模型104
6.3.2建立拉格朗日函式105
6.3.3廣義力的計算106
6.3.4套用實例分析107
6.4倒立擺系統的動力學分析108
6.4.1倒立擺系統及其基本假設108
6.4.2用牛頓力學的方法來建立一級倒立擺系統的動力學模型109
6.4.3用拉格朗日函式法建立動力學模型(Ⅰ)110
6.4.4用拉格朗日函式法建立動力學模型(Ⅱ)112
6.4.5三種動力學建模方法之比較113
6.5本章小結114
習題114
第7章機器人控制/115
7.1概述115
7.1.1機器人控制系統構成115
7.1.2工業機器人的典型控制方式117
7.1.3機器人控制的特點117
7.1.4主要控制策略118
7.2伺服控制器121
7.2.1單關節驅動系統傳遞函式122
7.2.2單關節的建模與角度反饋比例控制124
7.3示教再現與軌跡控制124
7.3.1軌跡記錄與再現124
7.3.2笛卡兒運動與軌跡設計125
7.3.3軌跡控制多項式127
7.3.4笛卡兒控制130
7.4機器人的力控制132
7.4.1以位移控制為基礎132
7.4.2以廣義力控制為基礎132
7.4.3位置和力的混合控制132
7.5機器人的柔順控制133
7.5.1任務系和約束133
7.5.2組合控制策略135
7.5.3柔性(也稱柔順運動)機器人控制系統136
7.6倒立擺控制系統(單足機器人系統)分析與設計138
7.6.1問題概述138
7.6.2車擺系統建模139
7.6.3狀態方程的建立140
7.6.4系統分析140
7.6.5最優控制器設計141
7.6.6最優觀測器設計142
7.7擦地板機器人143
7.8本章小結144
習題144
第8章機器人軌跡規劃及仿真/145
8.1機器人位姿的描述145
8.1.1位置的描述145
8.1.2方位的描述145
8.1.3位姿的描述146
8.2坐標變換146
8.2.1平移變換146
8.2.2旋轉變換147
8.2.3複合變換147
8.3連桿參數和連桿坐標系統148
8.3.1連桿描述148
8.3.2連桿連線的描述149
8.3.3連桿坐標系的規定149
8.3.4建立連桿坐標系的步驟149
8.3.5連桿參數的總結150
8.4連桿變換150
8.5機器人操作臂運動學方程150
8.6運動學方程反解的討論154
8.6.1解的存在性和工作空間154
8.6.2反解的唯一性和最優解154
8.7幾種機器人空間的關係155
8.8機器人運動學中的速度分析155
8.9機器人的MATLAB仿真156
8.9.1MATLAB環境的機器人仿真工具156
8.9.2構建機器人對象159
8.9.3運動學仿真162
8.10本章小結162
習題163
第9章機器人運動學仿真實例/163
9.1關節空間的軌跡規劃164
9.1.1三次多項式插值164
9.1.2五次多項式插值173
9.1.3三次多項式五次多項式軌跡規劃對比182
9.2直角坐標空間的軌跡規劃182
9.2.1直線插補算法183
9.2.2圓弧插補算法184
9.3B樣條曲線189
9.3.1四階三次均勻B樣條函式的推導方法189
9.3.2四階三次B樣條曲線的性質190
9.3.3控制點的求法191
9.3.4邊界條件192
9.4機器臂軌跡規劃仿真194
9.4.1機器臂在笛卡兒空間做直線運動仿真194
9.4.2機器臂在笛卡兒空間做圓弧運動仿真194
9.4.3機器臂在笛卡兒空間做三次B樣條運動仿真195
9.5本章小結196
第10章雙機器人協調仿真實例/197
10.1雙機器人協調作業的分析197
10.2插值算法197
10.2.1笛卡兒路徑軌跡規劃198
10.2.2線性函式插值198
10.2.3空間圓弧插補算法200
10.3建立puma560機器人模型204
10.4puma560運動學仿真206
10.5雙機器人協調仿真206
10.5.1空間直線運動206
10.5.2平面圓弧運動207
10.5.3空間圓弧運動209
10.5.4正弦曲線209
10.5.5拋物線209
10.6雙機器人的工作空間210
10.7雙機器人的分層控制211
10.7.1關節控制級212
10.7.2本體控制級212
10.7.3對象控制級213
10.7.4任務控制級213
10.8雙機器人關節最優軌跡規劃214
10.8.1問題建模及任務描述214
10.8.2最優時間關節加速度214
10.8.3機器人協作最優時間軌跡215
10.8.4雙臂機器人仿真實驗216
10.9本章小結218
附錄A有關機器人的主要技術期刊及著名國際會議/219
附錄B操作機器人/221B.1操作機器人直線運動程式222
B.2操作機器人圓弧運動程式224
B.3操作機器人三次B樣條運動程式223
參考文獻/226