机器人工程导论

第1章 绪论 1

1.1中国的早期机器人1

1.2其他国家的早期机器人2

1.3现代机器人概念的起源2

1.4现代机器人的发展3

1.5现代机器人的定义4

1.6机器人的研究内容5

1.7机器人的应用 6

1.8机器人的社会问题9

习题一 10

第2章 机器人基础 11

2.1机器人概念与术语11

2.1.1机器人的分类 11

2.1.2机器人的特性 15

2.1.3机器人的组成15

2.1.4机器人的自由度17

2.1.5机器人关节18

2.1.6机器人的各种坐标系18

2.1.7机器人的性能指标19

2.1.8机器人的工作空间20

2.1.9机器人的工作环境20

2.1.10工业机器人的示教模式 21

2.1.11机器人语言21

2.1.12特种机器人的工作方式23

2.2机器人机械基础23

2.2.1常见机械结构及其表示23

2.2.2机器人的传动机构25

2.2.3机器人机座 31

2.2.4机器人手臂 31

2.2.5机器人手腕 34

2.2.6机器人末端执行器37

2.3数学基础 46

2.3.1矢量及其基本性质46

2.3.2矩阵代数和符号表示47

2.3.3角度计算的处理方法52

习题二53

第3章 机器人运动学 55

3.1位置与姿态的表示55

3.1.1位置描述 55

3.1.2姿态描述 55

3.1.3位姿描述 57

3.2坐标变换 57

3.2.1平移坐标变换 57

3.2.2旋转坐标变换 58

3.2.3复合坐标变换 58

3.2.4齐次坐标变换 60

3.3齐次变换的一些性质67

3.3.1变换过程的相对性67

3.3.2变换过程的可逆性 69

3.3.3 联体坐标系间变换过程的连续性 71

3.3.4多个连续变换过程的封闭性71

3.4通用旋转变换 72

3.4.1通用旋转变换公式72

3.4.2等效转角与等效转轴75

3.5介绍几种常见变换78

3.5.1欧拉( Euler)角变换 78

3.5.2横滚、俯仰和偏转变换 79

3.5.3柱面坐标变换 80

3.5.4球面坐标变换 80

3.6几种常见变换的逆解81

3.6.1欧拉变换的解 81

3.6.2横滚、俯仰和偏转变换的解 84

3.6.3球面变换的解 85

3.7机器人的连杆坐标系及其描述86

3.7.1广义连杆与广义关节 86

3.7.2机器人连杆参数87

3.7.3机器人连杆坐标系89

3.7.4机器人连杆变换矩阵 92

3.8机器人运动学正解93

3.8.1连杆变换矩阵及其乘积93

3.8.2斯坦福机器人运动学正解 94

3.8.3一种助老助残机械手运动学正解96

3.9机器人运动学逆解99

习题三 104

第4章 微分运动和速度 107

4.1微分运动的意义 107

4.2变换的微分 108

4.3坐标系的微分运动109

4.3.1微分平移 109

4.3.2绕坐标系轴线的微分旋转 110

4.3.3绕一般轴 f 的微分旋转 111

4.3.4坐标系的微分变换113

4.4微分变换的解释115

4.5微分变换在不同坐标系间的相互转换关系 117

4.6连续变换表达式中的微分变换关系式121

4.7笛卡儿空间微分与关节空间微分的关系 123

4.8雅可比矩阵 124

4.8.1机器人关节与机器人手部坐标系的微分运动 124

4.8.2雅可比矩阵的意义 125

4.8.3机器人雅可比矩阵的求法 127

4.8.4雅可比矩阵的应用129

4.9雅可比矩阵求逆134

习题四 141

第5章 运动轨迹规划144

5.1轨迹描述和生成145

5.2关节空间轨迹规划法 147

5.2.13次多项式插值148

5.2.2包括途经点的3次多项式插值 150

5.2.3高次多项式插值152

5.2.4其他轨迹规划方法158

5.3直角坐标空间法168

5.4轨迹的实时生成170

5.4.1关节空间轨迹的生成 170

5.4.2直角坐标空间轨迹的生成 171

习题五 172

第6章 机器人动力学分析173

6.1达朗伯原理与虚位移原理173

6.1.1达朗伯原理 173

6.1.2虚位移原理174

6.2拉格朗日力学方法180

6.2.1动力学普遍方程 180

6.2.2拉格朗日方程 181

6.3一个简单的例子 184

6.4机器人动力学方程188

6.4.1机械手臂上一点的速度188

6.4.2动 能 189

6.4.3势 能 190

6.4.4拉格朗日算子 190

6.4.5动力学方程 191

6.4.6动力学方程的简化 192

习题六 200

第7章 机器人控制203

7.1概 述 203

7.1.1机器人控制的特点 203

7.1.2机器人控制系统的组成 204

7.1.3机器人的常用控制方法 205

7.2机器人的示教再现207

7.2.1示教内容208

7.2.2示教过程210

7.2.3机器人的离线编程技术 212

7.3伺服系统的基本概念215

7.4机器人的位置控制 218

7.4.1单关节位置控制 218

7.4.2多关节机器人的位置伺服控制 226

7.4.3传感器反馈控制 230

7.5机器人的力控制234

7.5.1机器人的力与力控制种类 234

7.5.2阻尼力控制 237

7.5.3相互力控制 239

习题七 243

第8章 智能机器人245

8.1智能机器人基础知识 245

8.2智能机器人系统的基本特征 246

8.3智能机器人控制系统的基本结构 247

8.4智能机器人的多信息特点248

8.4.1多传感器系统与信息融合 248

8.4.2信息融合方法和融合模式249

8.5智能机器人控制系统的主要功能特点 251

8.6智能控制研究的数学工具 251

8.7智能控制理论的主要内容及其在智能机器人控制中的应用 252

8.8 智能机器人典型案例256

习题八261

第9章 机器人常用器件262

9.1驱动器及其系统特性 262

9.1.1技术规格参数 262

9.1.2刚度和柔性 263

9.1.3减速器的应用263

9.1.4驱动系统的比较 264

9.1.5液压驱动器 265

9.1.6气动驱动器267

9.1.7电 机268

9.1.8电机的微处理器控制274

9.1.9磁致伸缩驱动器276

9.1.10形状记忆金属277

9.1.11电活性聚合物277

9.2传感器 278

9.2.1传感器特性 278

9.2.2传感器选择279

9.2.3传感器的使用280

9.2.4位置传感器 280

9.2.5速度传感器283

9.2.6加速度传感器284

9.2.7力和压力传感器285

9.2.8力矩传感器 286

9.2.9可见光和红外传感器 286

9.2.10接触传感器和触觉传感器 287

9.2.11接近觉传感器287

9.2.12测距传感器 290

9.2.13嗅觉传感器 291

9.2.14味觉传感器 291

习题九 292

参考文献 293