机器人原理与技术基础

第1章 绪论

1.1 机器人概述

1.1.1 古代机器人

1.1.2 机器人三定律

1.1.3 现代机器人

1.1.4 机器人技术大发展

1.1.5 机器人在中国

1.2 机器人的相关定义及术语

1.2.1 机器人的定义

1.2.2 机器人学

1.2.3 操作机器人（工业机器人）

1.2.4 智能机器人和自主机器人

1.2.5 机器人系统

1.2.6 多机器人系统和多智能体系统

1.2.7 微纳机器人和微纳操作系统

1.2.8 模块化及可重构机器人

1.2.9 机器人化机器

1.3 机器人分类

1.3.1 机器人的代

1.3.2 机器人的分类

1.3.3 机器人的应用领域分类

1.4 机器人学的技术及相关科学

1.4.1 机器人的主要技术

1.4.2 机器人的相关科学与学科知识构成

1.4.3 机器人学的研究内容

1.5 机器人技术展望

1.5.1 国际先进机器人计划(IARP）

1.5.2 中国的“863计划”

1.5.3 机器人的最伟大成就及未来的前景

1.5.4 机器人对人类的挑战

1.5.5 机器人的研究拓展至哲学及社会学范畴

1.6 本章小结

第2章 机器人的组成原理及机构学基础

2.1 机器人的组成原理

2.1.1 机器人系统组成

2.1.2 机器人本体

2.1.3 机器人感知系统

2.1.4 机器人控制系统

2.1.5 机器人决策系统

2.1.6 通信系统

2.1.7 人机交互系统

2.1.8 机器人的硬件系统结构

2.1.9 机器人软件系统构成

2.2 机器人系统的设计方法

2.2.1 机器人系统设计的基本原则

2.2.2 机器人系统设计的四个阶段

2.2.3 机器人系统设计过程中问题的解决方法

2.3 机器人机构学

2.3.1 坐标系统

2.3.2 操作机构类型

2.3.3 移动机构类型

2.4 运动副及自由度

2.4.1 运动副及其分类

2.4.2 运动副与关节机构

2.4.3 关节及其分类

2.4.4 与自由度的关系

2.4.5 机器人运动副（关节）符号

2.4.6 自由度

2.4.7 机动度

2.5 典型机构

2.5.1 联轴器

2.5.2 减速器

2.5.3 旋转驱动机构

2.5.4 直线驱动机构

2.5.5 其他常用机构

2.6 机器人的技术指标与性能评价

2.6.1 指标体系与评价内容（机器人技术指标与性能评价）

2.6.2 机器人对控制系统的基本要求

2.7 本章小结

第3章 机器人坐标系及坐标变换

3.1 位置与姿态

3.2 正交坐标系

3.2.1 正交坐标系及矢量基础

3.2.2 位置的描述

3.2.3 姿态的描述

3.3 运动坐标表示

3.3.1 平动的坐标表示

3.3.2 转动的坐标表示

3.3.3 复合运动的坐标表示

3.4 齐次坐标及其变换

3.4.1 齐次坐标的定义和性质

3.4.2 齐次变换和齐次矩阵

3.4.3 齐次变换的性质

3.5 机器人坐标系统

3.5.1 机器人坐标系统的构成

3.5.2 变换方程的建立

3.6 本章小结

习题

第4章 机器人位置运动学

4.1 机器人参数及其确定

4.1.1 以回转副连接的两杆件的D-H参数的确定

4.1.2 变换矩阵的确立

4.1.3 以移动副连接的两杆件的D-H参数的确定

4.2 机器人运动方程

4.2.1 三种简化情况的齐次变换矩阵

4.2.2 机器人运动方程的解

4.3 从手部位姿到关节变量——运动学逆问题

4.3.1 θ－r操作机的手臂解

4.3.2 手部姿态角的确定

4.3.3 6关节操作机的手臂解

4.3.4 在求手臂解时出现的两个问题

4.4 本章小结

习题

第5章 机器人速度运动学

5.1 机器人的微分移动

5.2 微分转动的两个定理

5.3 微分算子

5.4 雅可比矩阵及其变换

5.4.1 雅可比矩阵

5.4.2 θ－r操作机的雅可比矩阵及其逆矩阵

5.4.3 雅可比矩阵的物理意义

5.5 本章小结

习题

第6章 机器人动力学

6.1 机器人动力学研究概述

6.2 拉格朗日动力学方法

6.2.1 用于保守系统的拉格朗日方程

6.2.2 用于非保守系统的拉格朗日方程

6.2.3 拉格朗日函数方法

6.2.4 拉格朗日方程的特点

6.3 θ－r操作机的动力学分析

6.3.1 操作机的动力学模型

6.3.2 建立拉格朗日函数

6.3.3 广义力的计算

6.3.4 应用实例分析

6.4 倒立摆系统的动力学分析

6.4.1 倒立摆系统及其基本假设

6.4.2 用牛顿力学的方法来建立一级倒立摆系统的动力学模型

6.4.3 用拉格朗日函数法建立动力学模型（Ⅰ）

6.4.4 用拉格朗日函数法建立动力学模型（Ⅱ）

6.4.5 三种动力学建模方法之比较

6.5 本章小结

习题

第7章 机器人控制

7.1 概述

7.1.1 机器人控制系统构成

7.1.2 工业机器人的典型控制方式

7.1.3 机器人控制的特点

7.1.4 主要控制策略

7.2 伺服控制器

7.2.1 单关节驱动系统传递函数

7.2.2 单关节的建模与角度反馈比例控制

7.3 示教再现与轨迹控制

7.3.1 轨迹记录与再现

7.3.2 笛卡儿运动与轨迹设计

7.3.3 轨迹控制多项式

7.3.4 笛卡儿控制

7.4 机器人的力控制

7.4.1 以位移控制为基础

7.4.2 以广义力控制为基础

7.4.3 位置和力的混合控制

7.5 机器人的柔顺控制

7.5.1 任务系和约束

7.5.2 组合控制策略

7.5.3 柔性（也称柔顺运动）机器人控制系统

7.6 倒立摆控制系统（单足机器人系统）分析与设计

7.6.1 问题概述

7.6.2 车摆系统建模

7.6.3 状态方程的建立

7.6.4 系统分析

7.6.5 最优控制器设计

7.6.6 最优观测器设计

7.7 擦地板机器人

7.8 本章小结

习题

第8章 机器人轨迹规划及仿真

8.1 机器人位姿的描述

8.1.1 位置的描述

8.1.2 方位的描述

8.1.3 位姿的描述

8.2 坐标变换

8.2.1 平移变换

8.2.2 旋转变换

8.2.3 复合变换

8.3 连杆参数和连杆坐标系统

8.3.1 连杆描述

8.3.2 连杆连接的描述

8.3.3 连杆坐标系的规定

8.3.4 建立连杆坐标系的步骤

8.3.5 连杆参数的总结

8.4 连杆变换

8.5 机器人操作臂运动学方程

8.6 运动学方程反解的讨论

8.6.1 解的存在性和工作空间

8.6.2 反解的唯一性和最优解

8.7 几种机器人空间的关系

8.8 机器人运动学中的速度分析

8.9 机器人的MATLAB仿真

8.9.1 MATLAB环境的机器人仿真工具

8.9.2 构建机器人对象

8.9.3 运动学仿真

8.10 本章小结

习题

第9章 机器人运动学仿真实例

9.1 关节空间的轨迹规划

9.1.1 三次多项式插值

9.1.2 五次多项式插值

9.1.3 三次多项式五次多项式轨迹规划对比

9.2 直角坐标空间的轨迹规划

9.2.1 直线插补算法

9.2.2 圆弧插补算法

9.3 B样条曲线

9.3.1 四阶三次均匀B样条函数的推导方法

9.3.2 四阶三次B样条曲线的性质

9.3.3 控制点的求法

9.3.4 边界条件

9.4 机器臂轨迹规划仿真

9.4.1 机器臂在笛卡儿空间做直线运动仿真

9.4.2 机器臂在笛卡儿空间做圆弧运动仿真

9.4.3 机器臂在笛卡儿空间做三次B样条运动仿真

9.5 本章小结

第10章 双机器人协调仿真实例

10.1 双机器人协调作业的分析

10.2 插值算法

10.2.1 笛卡儿路径轨迹规划

10.2.2 线性函数插值

10.2.3 空间圆弧插补算法

10.3 建立puma560机器人模型

10.4 puma560运动学仿真

10.5 双机器人协调仿真

10.5.1 空间直线运动

10.5.2 平面圆弧运动

10.5.3 空间圆弧运动

10.5.4 正弦曲线

10.5.5 抛物线

10.6 双机器人的工作空间

10.7 双机器人的分层控制

10.7.1 关节控制级

10.7.2 本体控制级

10.7.3 对象控制级

10.7.4 任务控制级

10.8 双机器人关节最优轨迹规划

10.8.1 问题建模及任务描述

10.8.2 最优时间关节加速度

10.8.3 机器人协作最优时间轨迹

10.8.4 双臂机器人仿真实验

10.9 本章小结

附录A 有关机器人的主要技术期刊及著名国际会议

附录B 操作机器人

B.1 操作机器人直线运动程序

B.2 操作机器人圆弧运动程序

B.3 操作机器人三次B样条运动程序

参考文献

本书总结和归纳了作者近十年来“机器人技术及应用”课程教学中所使用的教案，并结合了多年科研项目开发过程中所积累的丰富经验和部分成果。全书图文并茂、深入浅出，主要内容包括机器人的发展历史及前景展望，相关定义、术语及分类、相关学科及知识构成、组成原理及机构学基础、坐标系的建立及坐标变换、位置运动学和速度运动学、动力学、控制和机器人的轨迹规划及仿真基础，最后两章详细列举了机器人运动学仿真及双机器人协调仿真实例。本书有利于学生和科研工作者以及广大的机器人爱好者加深对机器人基本概念的理解和掌握，更可使其体会分析问题和解决问题的过程，提高学习的兴趣和效果，尤其是书中的仿真实例既可以为参加“卓越工程师培养计划”和“大学生创新创业活动”的学生奠定坚实的理论和实践基础，也可以成为电类、机械类以及相关专业的学生专业综合实训能力的提高和训练的一部分，同时也可以为毕业设计提供指导，从而增强学习兴趣，进而为创新能力的提高奠定坚实的基础。