机器人学基础

CONTENTS

目　　录

代序

前言

第1章　绪论1

1.1　机器人学的发展1

1.1.1　机器人的由来1

1.1.2　机器人的定义2

1.1.3　机器人学的进展2

1.2　机器人的特点、结构与分类4

1.2.1　机器人的主要特点4

1.2.2　机器人系统的结构4

1.2.3　机器人的自由度5

1.2.4　机器人的分类6

1.3　机器人学与人工智能9

1.3.1　机器人学与人工智能的关系10

1.3.2　机器人学的研究领域11

1.3.3　智能机器人11

1.4　本书概要12

1.5　本章小结13

习题14

第2章　数理基础15

2.1　位置和姿态的表示15

2.1.1　位置描述15

2.1.2　方位描述15

2.1.3　位姿描述16

2.2　坐标变换17

2.2.1　平移坐标变换17

2.2.2　旋转坐标变换17

2.3　齐次坐标变换18

2.3.1　齐次变换18

2.3.2　平移齐次坐标变换20

2.3.3　旋转齐次坐标变换21

2.4　物体的变换及逆变换22

2.4.1　物体位置描述22

2.4.2　齐次变换的逆变换23

2.4.3　变换方程初步25

2.5　通用旋转变换26

2.5.1　通用旋转变换公式26

2.5.2　等效转角与转轴27

2.6　本章小结28

习题29

第3章　机器人运动学31

3.1　机器人运动方程的表示31

3.1.1　运动姿态和方向角32

3.1.2　运动位置和坐标34

3.1.3　连杆变换矩阵及其乘积35

3.2　机械手运动方程的求解38

3.2.1　欧拉变换解38

3.2.2　滚、仰、偏变换解41

3.2.3　球面变换解42

3.3　PUMA 560机器人运动方程43

3.3.1　PUMA 560运动分析43

3.3.2　PUMA 560运动综合47

3.4　本章小结50

习题50

第4章　机器人动力学55

4.1　刚体动力学55

4.1.1　刚体的动能与位能56

4.1.2　动力学方程的两种求法58

4.2　机械手动力学方程62

4.2.1　速度的计算63

4.2.2　动能和位能的计算64

4.2.3　动力学方程的推导67

4.3　本章小结68

习题69

第5章　机器人控制71

5.1　机器人的基本控制原则71

5.1.1　基本控制原则71

5.1.2　伺服控制系统举例74

5.2　机器人的位置控制76

5.2.1　直流传动系统的建模76

5.2.2　位置控制的基本结构79

5.2.3　单关节位置控制器81

5.2.4　多关节位置控制器88

5.3　机器人的力和位置混合控制90

5.3.1　力和位置混合控制方案90

5.3.2　力和位置混合控制系统控制规律的综合92

5.4　机器人的智能控制96

5.4.1　智能控制系统的分类97

5.4.2　机器人自适应模糊控制102

5.4.3　多指灵巧手的神经控制105

5.5　本章小结108

习题109

第6章　机器人传感器112

6.1　机器人传感器概述112

6.1.1　机器人传感器的特点与分类112

6.1.2　应用传感器时应考虑的问题114

6.2　内传感器115

6.2.1　位移位置传感器115

6.2.2　速度和加速度传感器119

6.2.3　力觉传感器120

6.3　外传感器123

6.3.1　触觉传感器123

6.3.2　应力传感器126

6.3.3　接近度传感器127

6.3.4　其他外传感器129

6.4　机器人视觉装置130

6.4.1　机器人眼130

6.4.2　视频信号数字变换器132

6.4.3　固态视觉装置133

6.4.4　激光雷达136

6.5　本章小结137

习题137

第7章　机器人轨迹规划139

7.1　轨迹规划应考虑的问题139

7.2　关节轨迹的插值计算140

7.2.1　三次多项式插值141

7.2.2　过路径点的三次多项式插值142

7.2.3　高阶多项式插值143

7.2.4　用抛物线过渡的线性插值144

7.2.5　过路径点用抛物线过渡的线性插值145

7.3　笛卡儿路径轨迹规划146

7.4　规划轨迹的实时生成152

7.5　本章小结154

习题155

第8章　机器人编程157

8.1　机器人编程要求与语言类型157

8.1.1　对机器人编程的要求157

8.1.2　机器人编程语言的类型158

8.2　机器人语言系统结构和基本功能160

8.2.1　机器人语言系统的结构160

8.2.2　机器人编程语言的基本功能160

8.3　常用的机器人编程语言162

8.3.1　VAL语言163

8.3.2　SIGLA语言163

8.3.3　IML语言164

8.3.4　AL语言164

8.4　机器人的离线编程165

8.4.1　机器人离线编程的特点和主要内容165

8.4.2　机器人离线编程系统的结构167

8.5　基于MATLAB的机器人学仿真170

8.5.1　坐标变换170

8.5.2　构建机器人对象171

8.5.3　机器人运动学求解173

8.5.4　轨迹规划174

8.6　本章小结175

习题176

第9章　机器人应用178

9.1　应用工业机器人必须考虑的因素178

9.1.1　机器人的任务估计178

9.1.2　应用机器人三要素179

9.1.3　使用机器人的经验准则179

9.1.4　采用机器人的步骤180

9.2　机器人的应用领域181

9.2.1　工业机器人181

9.2.2　探索机器人183

9.2.3　服务机器人184

9.2.4　军事机器人186

9.3　工业机器人应用举例187

9.3.1　材料搬运机器人187

9.3.2　焊接机器人188

9.3.3　喷漆机器人190

9.4　本章小结192

习题193

第10章　机器人学展望194

10.1　机器人技术和市场的现状194

10.1.1　世界机器人发展现状194

10.1.2　国内机器人发展现状196

10.2　机器人技术的发展趋势198

10.3　各国雄心勃勃的机器人发展计划200

10.4　应用机器人引起的社会问题201

10.5　本章小结203

习题204

参考文献205