机器人学

丛书序 前言 第1章引言 1.1机器人学 1.2机器人机械结构 1.2.1机器人机械手 1.2.2移动机器人 1.3工业机器人学 1.4先进机器人学 1.4.1野外机器人 1.4.2服务机器人 1.5机器人建模、规划与控制 1.5.1建模 1.5.2规划 1.5.3控制 参考资料 第2章运动学 2.1刚体的姿态 2.2旋转矩阵 2.2.1基本旋转 2.2.2向量的表示 2.2.3向量的旋转 2.3旋转矩阵的合成 2.4欧拉角 2.4.1ZYZ角 2.4.2RPY角 2.5角和轴 2.6单位四元数 2.7齐次变换 2.8正运动学 2.8.1开链 2.8.2Denavit—Hartenberg法 2.8.3闭链 2.9典型机械手结构运动学 2.9.1三连杆平面臂 2.9.2平行四边形臂 2.9.3球形臂 2.9.4拟人臂 2.9.5球形腕 2.9.6斯坦福机械手 2.9.7带球形腕的拟人臂 2.9.8DLR机械手 2.9.9类人机械手 2.10关节空间与操作空间 2.10.1工作空间 2.10.2运动学冗余 2.11运动学标定 2.12逆运动学问题 2.12.1三连杆平面臂的求解 2.12.2带球形腕机械手的求解 2.12.3球形臂的求解 2.12.4拟人臂的求解 2.12.5球形腕的求解 参考资料 习题 第3章微分运动学和静力学 3.1几何雅可比矩阵 3.1.1旋转矩阵求导 3.1.2连杆速度 3.1.3雅可比矩阵计算 3.2典型机械手结构的雅可比矩阵 3.2.1三连杆平面臂 3.2.2拟人臂 3.2.3斯坦福机械手 3.3运动学奇点 3.3.1奇点解耦 3.3.2腕奇点 3.3.3臂奇点 3.4冗余分析 3.5逆微分运动学 3.5.1冗余机械手 3.5.2运动学奇点 3.6分析雅可比矩阵 3.7逆运动学算法 3.7.1（广义—）逆雅可比矩阵 3.7.2雅可比矩阵转置 3.7.3方向误差 3.7.4二阶算法 3.7.5逆运动学算法之间的对比 3.8静力学 3.8.1运动静力学二元性 3.8.2速度和力变换 3.8.3闭链 3.9可操纵性椭球体 参考资料 习题 第4章轨迹规划 4.1路径和轨迹 4.2关节空间轨迹 4.2.1点对点运动 4.2.2通过系列点的运动 4.3操作空间轨迹 4.3.1路径基元 4.3.2位置 4.3.3指向 参考资料 习题 第5章执行器与传感器 5.1关节执行系统 5.1.1传动装置 5.1.2伺服发动机 5.1.3功率放大器 5.1.4能源 5.2驱动 5.2.1电气驱动 5.2.2液压驱动 5.2.3传动装置影响 5.2.4位置控制 5.3本体传感器 5.3.1位置传感器 5.3.2速度传感器 5.4外部传感器 5.4.1力传感器 5.4.2距离传感器 5.4.3视觉传感器 参考资料 习题 第6章控制体系 6.1功能体系 6.2编程环境 6.2.1示教 6.2.2面向机器人编程 6.3硬件体系 参考资料 习题 第7章动力学 7.1拉格朗日公式 7.1.1动能计算 7.1.2势能计算 7.1.3运动方程 7.2动力学模型的典型性质 7.2.1矩阵阵B—2C的反对称性 7.2.2动力学参数的线性性 7.3简单机械手结构的动力学模型 7.3.1两连杆笛卡儿臂 7.3.2两连杆平面臂 7.3.3平行四边形臂 7.4动力学参数辨识 7.5牛顿—欧拉公式 7.5.1连杆加速度 7.5.2递归算法 7.5.3示例 7.6动力学正解与逆解问题 7.7轨迹的动态标度 7.8操作空间动力学模型 7.9动力学可操作椭球 参考资料 习题 第8章运动控制 8.1控制问题 8.2关节空间控制 8.3分散控制 8.3.1独立关节控制 8.3.2分散前馈补偿 8.4计算转矩前馈控制 8.5集中控制 8.5.1重力补偿PD控制 8.5.2逆动力学控制 8.5.3鲁棒控制 8.5.4自适应控制 8.6操作空间控制 8.6.1总体方案 8.6.2重力补偿PD控制 8.6.3逆动力学控制 8.7不同控制方案的比较 参考资料 习题 第9章力控制 9.1机械手与外部环境的交互 9.2柔量控制 9.2.1被动柔量 9.2.2主动柔量 9.3阻抗控制 9.4力控制 9.4.1包含内位置回路的力控制 9.4.2包含内速度回路的力控制 9.4.3并联力／位置控制 9.5约束运动 9.5.1刚性环境 9.5.2柔性环境 9.6自然约束与人工约束 9.6.1任务分析 9.7混合力／力矩控制 9.7.1柔性环境 9.7.2刚性环境 参考资料 习题 第10章视觉伺服系统 10.1用于控制的视觉 10.1.1视觉系统配置 10.2图像处理 10.2.1图像分割 10.2.2图像解释 10.3位姿估计 10.3.1解析解 10.3.2相互作用矩阵 10.3.3算法解 10.4立体视觉 10.4.1核面几何 10.4.2三角测量 10.4.3绝对定向 10.4.4根据平面单应性实现的3D重建 10.5相机标定 10.6视觉伺服问题 10.7基于位置的视觉伺服 10.7.1重力补偿PD控制 10.7.2速度分解控制 10.8基于图像的视觉伺服 10.8.1重力补偿PD控制 10.8.2速度分解控制 10.9不同控制方案之间的比较 10.10复合视觉伺服 参考资料 习题 第11章移动机器人 11.1非完整约束 11.1.1可积性条件 11.2运动学模型 11.2.1独轮车 11.2.2两轮车 11.3链式系统 11.4动力学模型 11.5规划 11.5.1规划和时间律 11.5.2平滑输出 11.5.3路径规划 11.5.4轨迹规划 11.5.5最优轨迹 11.6运动控制 11.6.1轨迹跟踪 11.6.2校正 11.7里程定位 参考资料 习题 第12章运动规划 12.1问题的规范描述 12.2位形空间 12.2.1距离 12.2.2障碍 12.2.3障碍举例 12.3基于回缩的路径规划 12.4基于单元分解的路径规划 12.4.1精确分解 12.4.2近似分解 12.5概率规划 12.5.1PRM方法 12.5.2双向RRT方法 12.6基于人工势场的规划方法 12.6.1引力势场 12.6.2斥力势场 12.6.3总势场 12.6.4规划方法 12.6.5局部极小值问题 12.7机器人机械手情形 参考资料 习题 附录A线性代数 A.1定义 A.2矩阵运算 A.3向量运算 A.4线性变换 A.5特征值与特征向量 A.6双线性型与二次型 A.7广义逆 A.8奇异值分解 参考资料 附录B刚体力学 B.1运动学 B.2动力学 B.3功与能 B.4约束系统 参考资料 附录C反馈控制 C.1线性系统单输入／单输出控制 C.2非线性机械系统的控制 C.3李亚普诺夫直接法 参考资料 附录D微分几何 D.1向量场与李氏括号 D.2非线性可控性 参考资料 附录E图搜索算法 E.1复杂度 E.2广度优先搜索和深度优先搜索 E.3A算法 参考资料 参考文献 索引

《机器人学:建模、规划与控制》在阐述机器人学基础知识的基础上介绍了机器人学的基本技术——建模、规划与控制。全书内容包括机器人运动学、微分运动学与静力学、轨迹规划、执行器与传感器、控制体系、机器人动力学、运动控制、力控制、视觉伺服以及移动机器人、机器人运动规划等。为了向学生传授实用技能，全书穿插有大量精心安排的实例和一些案例研究，其中多数进行了仿真。《机器人学:建模、规划与控制》中提出了许多研究性问题，并介绍和解释了如何采用恰当的工具寻求和获得面向工程的解决方案。此外，《机器人学:建模、规划与控制》每章末附有习题，供读者进一步思考和巩固所学内容；附录部分给出了线性代数、刚体力学、反馈控制、微分几何、图搜索算法等相关内容；《器人学:建模、规划与控制》还配有电子版的题解手册，包含了计算机求解问题的MATLAB源代码，可免费提供给采用《机器人学:建模、规划与控制》作为教材的教师。

《机器人学:建模、规划与控制》基本原理与技术方面主要集中在前六章，关注的是机械手结构，包括运动学、静力学与轨迹规划，机器人执行元件、传感器、控制单元技术。接下来的六章是提高部分的内容，主要是机械手动力学和运动控制、根据外部传感器数据（力与视觉）与环境交互、移动机器人与运动规划。