機器人原理與技術

第1章 緒論
1.1 機器人概述
1.1.1 古代機器人
1.1.2 機器人三定律
1.1.3 現(xiàn)代機器人
1.1.4 機器人技術大發(fā)展
1.1.5 機器人在中國
1.2 機器人的相關定義及術語
1.2.1 機器人的定義
1.2.2 機器人學
1.2.3 操作機器人（工業(yè)機器人）
1.2.4 智能機器人和自主機器人
1.2.5 機器人系統(tǒng)
1.2.6 多機器人系統(tǒng)和多智能體系統(tǒng)
1.2.7 微納機器人和微納操作系統(tǒng)
1.2.8 模塊化及可重構機器人
1.2.9 機器人化機器
1.3 機器人分類
1.3.1 機器人的代
1.3.2 機器人的分類
1.3.3 機器人的應用領域分類
1.4 機器人學的技術及相關科學
1.4.1 機器人的主要技術
1.4.2 機器人的相關科學與學科知識構成
1.4.3 機器人學的研究內容
1.5 機器人技術展望
1.5.1 國際先進機器人計劃(IARP）
1.5.2 中國的“863計劃”
1.5.3 機器人的最偉大成就及未來的前景
1.5.4 機器人對人類的挑戰(zhàn)
1.5.5 機器人的研究拓展至哲學及社會學范疇
1.6 本章小結
第2章 機器人的組成原理及機構學基礎
2.1 機器人的組成原理
2.1.1 機器人系統(tǒng)組成
2.1.2 機器人本體
2.1.3 機器人感知系統(tǒng)
2.1.4 機器人控制系統(tǒng)
2.1.5 機器人決策系統(tǒng)
2.1.6 通信系統(tǒng)
2.1.7 人機交互系統(tǒng)
2.1.8 機器人的硬件系統(tǒng)結構
2.1.9 機器人軟件系統(tǒng)構成
2.2 機器人系統(tǒng)的設計方法
2.2.1 機器人系統(tǒng)設計的基本原則
2.2.2 機器人系統(tǒng)設計的四個階段
2.2.3 機器人系統(tǒng)設計過程中問題的解決方法
2.3 機器人機構學
2.3.1 坐標系統(tǒng)
2.3.2 操作機構類型
2.3.3 移動機構類型
2.4 運動副及自由度
2.4.1 運動副及其分類
2.4.2 運動副與關節(jié)機構
2.4.3 關節(jié)及其分類
2.4.4 與自由度的關系
2.4.5 機器人運動副（關節(jié)）符號
2.4.6 自由度
2.4.7 機動度
2.5 典型機構
2.5.1 聯(lián)軸器
2.5.2 減速器
2.5.3 旋轉驅動機構
2.5.4 直線驅動機構
2.5.5 其他常用機構
2.6 機器人的技術指標與性能評價
2.6.1 指標體系與評價內容（機器人技術指標與性能評價）
2.6.2 機器人對控制系統(tǒng)的基本要求
2.7 本章小結
第3章 機器人坐標系及坐標變換
3.1 位置與姿態(tài)
3.2 正交坐標系
3.2.1 正交坐標系及矢量基礎
3.2.2 位置的描述
3.2.3 姿態(tài)的描述
3.3 運動坐標表示
3.3.1 平動的坐標表示
3.3.2 轉動的坐標表示
3.3.3 復合運動的坐標表示
3.4 齊次坐標及其變換
3.4.1 齊次坐標的定義和性質
3.4.2 齊次變換和齊次矩陣
3.4.3 齊次變換的性質
3.5 機器人坐標系統(tǒng)
3.5.1 機器人坐標系統(tǒng)的構成
3.5.2 變換方程的建立
3.6 本章小結
習題
第4章 機器人位置運動學
4.1 機器人參數(shù)及其確定
4.1.1 以回轉副連接的兩桿件的D-H參數(shù)的確定
4.1.2 變換矩陣的確立
4.1.3 以移動副連接的兩桿件的D-H參數(shù)的確定
4.2 機器人運動方程
4.2.1 三種簡化情況的齊次變換矩陣
4.2.2 機器人運動方程的解
4.3 從手部位姿到關節(jié)變量——運動學逆問題
4.3.1 θ－r操作機的手臂解
4.3.2 手部姿態(tài)角的確定
4.3.3 6關節(jié)操作機的手臂解
4.3.4 在求手臂解時出現(xiàn)的兩個問題
4.4 本章小結
習題
第5章 機器人速度運動學
5.1 機器人的微分移動
5.2 微分轉動的兩個定理
5.3 微分算子
5.4 雅可比矩陣及其變換
5.4.1 雅可比矩陣
5.4.2 θ－r操作機的雅可比矩陣及其逆矩陣
5.4.3 雅可比矩陣的物理意義
5.5 本章小結
習題
第6章 機器人動力學
6.1 機器人動力學研究概述
6.2 拉格朗日動力學方法
6.2.1 用于保守系統(tǒng)的拉格朗日方程
6.2.2 用于非保守系統(tǒng)的拉格朗日方程
6.2.3 拉格朗日函數(shù)方法
6.2.4 拉格朗日方程的特點
6.3 θ－r操作機的動力學分析
6.3.1 操作機的動力學模型
6.3.2 建立拉格朗日函數(shù)
6.3.3 廣義力的計算
6.3.4 應用實例分析
6.4 倒立擺系統(tǒng)的動力學分析
6.4.1 倒立擺系統(tǒng)及其基本假設
6.4.2 用牛頓力學的方法來建立一級倒立擺系統(tǒng)的動力學模型
6.4.3 用拉格朗日函數(shù)法建立動力學模型（Ⅰ）
6.4.4 用拉格朗日函數(shù)法建立動力學模型（Ⅱ）
6.4.5 三種動力學建模方法之比較
6.5 本章小結
習題
第7章 機器人控制
7.1 概述
7.1.1 機器人控制系統(tǒng)構成
7.1.2 工業(yè)機器人的典型控制方式
7.1.3 機器人控制的特點
7.1.4 主要控制策略
7.2 伺服控制器
7.2.1 單關節(jié)驅動系統(tǒng)傳遞函數(shù)
7.2.2 單關節(jié)的建模與角度反饋比例控制
7.3 示教再現(xiàn)與軌跡控制
7.3.1 軌跡記錄與再現(xiàn)
7.3.2 笛卡兒運動與軌跡設計
7.3.3 軌跡控制多項式
7.3.4 笛卡兒控制
7.4 機器人的力控制
7.4.1 以位移控制為基礎
7.4.2 以廣義力控制為基礎
7.4.3 位置和力的混合控制
7.5 機器人的柔順控制
7.5.1 任務系和約束
7.5.2 組合控制策略
7.5.3 柔性（也稱柔順運動）機器人控制系統(tǒng)
7.6 倒立擺控制系統(tǒng)（單足機器人系統(tǒng)）分析與設計
7.6.1 問題概述
7.6.2 車擺系統(tǒng)建模
7.6.3 狀態(tài)方程的建立
7.6.4 系統(tǒng)分析
7.6.5 最優(yōu)控制器設計
7.6.6 最優(yōu)觀測器設計
7.7 擦地板機器人
7.8 本章小結
習題
第8章 機器人軌跡規(guī)劃及仿真
8.1 機器人位姿的描述
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 坐標變換
8.2.1 平移變換
8.2.2 旋轉變換
8.2.3 復合變換
8.3 連桿參數(shù)和連桿坐標系統(tǒng)
8.3.1 連桿描述
8.3.2 連桿連接的描述
8.3.3 連桿坐標系的規(guī)定
8.3.4 建立連桿坐標系的步驟
8.3.5 連桿參數(shù)的總結
8.4 連桿變換
8.5 機器人操作臂運動學方程
8.6 運動學方程反解的討論
8.6.1 解的存在性和工作空間
8.6.2 反解的唯一性和最優(yōu)解
8.7 幾種機器人空間的關系
8.8 機器人運動學中的速度分析
8.9 機器人的MATLAB仿真
8.9.1 MATLAB環(huán)境的機器人仿真工具
8.9.2 構建機器人對象
8.9.3 運動學仿真
8.10 本章小結
習題
第9章 機器人運動學仿真實例
9.1 關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃
9.1.1 三次多項式插值
9.1.2 五次多項式插值
9.1.3 三次多項式五次多項式軌跡規(guī)劃對比
9.2 直角坐標空間的軌跡規(guī)劃
9.2.1 直線插補算法
9.2.2 圓弧插補算法
9.3 B樣條曲線
9.3.1 四階三次均勻B樣條函數(shù)的推導方法
9.3.2 四階三次B樣條曲線的性質
9.3.3 控制點的求法
9.3.4 邊界條件
9.4 機器臂軌跡規(guī)劃仿真
9.4.1 機器臂在笛卡兒空間做直線運動仿真
9.4.2 機器臂在笛卡兒空間做圓弧運動仿真
9.4.3 機器臂在笛卡兒空間做三次B樣條運動仿真
9.5 本章小結
第10章 雙機器人協(xié)調仿真實例
10.1 雙機器人協(xié)調作業(yè)的分析
10.2 插值算法
10.2.1 笛卡兒路徑軌跡規(guī)劃
10.2.2 線性函數(shù)插值
10.2.3 空間圓弧插補算法
10.3 建立puma560機器人模型
10.4 puma560運動學仿真
10.5 雙機器人協(xié)調仿真
10.5.1 空間直線運動
10.5.2 平面圓弧運動
10.5.3 空間圓弧運動
10.5.4 正弦曲線
10.5.5 拋物線
10.6 雙機器人的工作空間
10.7 雙機器人的分層控制
10.7.1 關節(jié)控制級
10.7.2 本體控制級
10.7.3 對象控制級
10.7.4 任務控制級
10.8 雙機器人關節(jié)最優(yōu)軌跡規(guī)劃
10.8.1 問題建模及任務描述
10.8.2 最優(yōu)時間關節(jié)加速度
10.8.3 機器人協(xié)作最優(yōu)時間軌跡
10.8.4 雙臂機器人仿真實驗
10.9 本章小結
附錄A 有關機器人的主要技術期刊及著名國際會議
附錄B 操作機器人
B.1 操作機器人直線運動程序
B.2 操作機器人圓弧運動程序
B.3 操作機器人三次B樣條運動程序
參考文獻