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。

高等院校教师

前言
符号表
第1章绪论1
11机器人的起源与发展1
111古代有关机器人的记载1
112近、现代机器人的发展3
12机器人的定义、分类与应用7
121机器人的定义7
122机器人的分类8
123机器人的典型应用10
13机器人学的知识体系与发展方向11
131知识体系11
132发展方向14
14本书内容与学习目标15
141章节安排与内容导读15
142学习目标16
143如何使用本书17
习题17
第2章机器人系统组成19
21机器人系统的组成19
22两类典型的机器人系统23
221操作臂24
222移动机器人26
23机器人驱动器27
231电动机27
232液压驱动器28
233气动驱动器28
234其他驱动器类型29
24机器人传动系统30
241常见的机器人传动机构31
242机器人专用减速器32
25机器人传感器35
251典型的内传感器35
252典型的外传感器39
26机器人控制系统41
261软件架构41
262硬件架构42
27机器人的主要性能指标44
28本章小结47
延读文献47
习题48
第3章机器人机构49
31机器人机构的基本组成49
311机构的基本组成元素:构件与
运动副49
312运动链、机构与机器人52
313机器人机构的表示53
32机器人机构的简单分类55
33串联机器人机构56
331手臂机构56
332手腕机构58
333机器人手爪60
34并/混联机器人机构63
35机器人机构的自由度69
351与自由度相关的几个基本概念69
352自由度计算公式71
36本章小结75
延读文献76
习题76
第4章位姿描述与变换81
40预备知识81
401坐标系与点的坐标表示81
402三维矢量及其运算82
41位姿描述84
411概述84
412平面刚体的位姿描述86
413空间刚体的位置描述87
414空间刚体的姿态描述88
415空间刚体的位姿描述90
42刚体变换91
421坐标映射91
422运动算子96
423逆变换100
424复合变换101
425变换方程103
426自由矢量的变换106
43三角度姿态描述107
431欧拉角108
432固定角112
44等效轴角与单位四元数114
441基于等效轴角的旋转变换114
442单位四元数118
4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124
4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133
51位移分析的主要任务及意义133
52位移分析的基本原理与基本方法134
521基本原理:闭环方程134
522求解逆运动学的通用方法:
数值法136
53DH参数与串联机器人的正运动学
求解139
531DH参数法的由来139
532DH参数定义141
533前置坐标系及前置DH矩阵142
5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150
54串联机器人的位移反解153
55综合实例159
*56串联机器人位移求解的指数积
公式162
57位姿描述与工作空间165
571位姿描述165
572工作空间166
5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172
61速度与静力分析的主要任务及意义172
62速度矢量和雅可比的定义173
621广义速度矢量的符号表达和
定义173
622任意两刚体之间的速度关系179
623雅可比的定义180
63速度雅可比的求解181
631直接微分法181
632递推法186
*633矢量积法191
634几何雅可比与解析雅可比之间的
变换194
64奇异位姿与运动学奇异195
641有关奇异的基本概念195
642奇异性分析196
6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201
661冗余度机器人的逆雅可比201
662奇异位姿下的逆雅可比204
67串联机器人静力学205
671静力雅可比205
672静力雅可比与速度雅可比之间的
对偶性207
673递推法计算关节力/力矩208
674刚体上两点间速度和力的关系211
68串联机器人性能分析与评价213
681灵巧性分析213
682力椭球216
6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223
71并联机器人的主要应用223
72并联机器人的位移求解227
721求解方法概述227
722实例分析228
73并联机器人的速度雅可比240
731位移方程直接求导法241
*732旋量法242
74并联机器人的奇异性分析243
741并联机器人奇异的分类243
742并联机器人奇异的求解方法
简介244
7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249
81机器人动力学建模的目的与意义249
82刚体的惯性250
83基于拉格朗日方程的串联机器人
动力学建模255
84基于牛顿欧拉方程的串联机器人
动力学建模264
841连杆的加速度计算公式264
842连杆速度、加速度的向外递推
公式266
843关节力/力矩的向内递推公式267
844牛顿欧拉动力学递推算法
总结268
85摩擦、传动比及驱动空间动力学273
851摩擦的影响273
852传动比的影响274
853驱动空间动力学方程277
86操作空间动力学方程277
87本章小结280
延读文献280
习题281
第9章机器人轨迹生成283
91轨迹生成的一般概念283
92关节空间轨迹生成与插补288
921二次组合曲线轨迹289
922三次多项式与速度S曲线轨迹296
923五次多项式轨迹299
924小结301
93笛卡儿空间轨迹生成和插补301
931直线路径的参数化表达及轨迹
生成302
932圆弧路径的参数化表达304
933姿态的表达和轨迹生成306
934笛卡儿空间路径规划注意事项308
94轨迹生成的实现310
941程序的模块化310
942轨迹生成与运动控制310
95本章小结312
延读文献312
习题312
第10章机器人控制基础314
101机器人控制问题概述314
102机器人运动控制系统硬件原理318
1021运动控制器的功能和原理
简述319
1022驱动器与电动机闭环控制
简述322
103驱动器与电动机模型326
1031电动机的速度模型326
1032电动机的力矩模型329
104分散控制331
1041速度模式下的独立关节PID
运动控制器332
1042力矩模式下的独立关节PID
运动控制器335
1043速度和加速度前馈补偿341
1044集中前馈补偿独立关节PID
控制器343
105PID控制器的离散化345
1051数字控制系统简介346
1052数字PID算法的实现347
106机器人力控制的基本概念350
10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355
A1旋量、线矢量与偶量355
A2旋量的基本运算356
A3运动旋量与力旋量357
A4旋量系358
A5运动旋量系与约束旋量系360
A6小结362
延读文献362
附录BMATLAB编程362
参考文献367