本書系統(tǒng)地介紹了機器人學的基礎理論知識,重心放在機器人機構(gòu)、建模、規(guī)劃與控制等方面,為本科機器人工程及相關專業(yè)的入門教材。
全書共10章。第1章為緒論;第2章和第3章分別介紹了與機器人系統(tǒng)及機構(gòu)相關的基礎知識,為讀者提供了對機器人的總體認識;第4章作為機器人的數(shù)理基礎,詳細討論了如何構(gòu)建剛體運動模型;第5~7章主要講述了有關機器人運動學方面的基礎內(nèi)容,包括串聯(lián)機器人的位移分析(第5章)、串聯(lián)機器人的速度與靜力分析(第6章)和并聯(lián)機器人運動學基礎(第7章);第8~10章主要講述了有關機器人動力學、規(guī)劃與控制方面的基礎知識,包括串聯(lián)機器人的動力學建模(第8章)、機器人軌跡生成(第9章)與機器人控制基礎(第10章)等。此外,作為正文的補充,在附錄中介紹了旋量理論基礎、MATLAB編程等內(nèi)容。
本書可作為機器人工程等專業(yè)本科專業(yè)教材或研究生教材,也可作為相關科研人員與工程技術人員參考用書。
本書系統(tǒng)地介紹了機器人學的基礎理論知識,重心放在機器人機構(gòu)、建模、規(guī)劃與控制等方面,為本科機器人工程及相關專業(yè)的入門教材。
2015年,國內(nèi)首個機器人工程本科新工科專業(yè)獲批,構(gòu)建與機器人工程專業(yè)相關的課程資源變得越來越迫切。其中,“機器人學基礎”(或“機器人技術基礎”)作為支撐該專業(yè)理論與技術基礎的入門課,被很多高校列入核心課程系列中。然而,市面教材大多面向研究生編寫,適合本科生使用的教材相對匱乏,配套教材建設成了重中之重。
北京航空航天大學機器人研究所長期從事與機器人相關的教學和科研工作。作為研究所的教師,本書作者一直工作在機器人科研和課程教學一線,主講研究生課程“機器人學的現(xiàn)代數(shù)學基礎”“自主移動機器人導論”、機械工程專業(yè)本科生核心課程“機器人技術基礎”等。自2020年春季開始,作者又承擔了機器人工程本科專業(yè)“機器人學基礎”核心專業(yè)課的教學。
教學過程中,作者注意到市面上尚缺少面向機器人工程本科專業(yè)且符合下述特征的《機器人學基礎》教科書:①明確定位:只涉及高等數(shù)學、線性代數(shù)、理論力學、機械原理、自動控制原理等先修課程,適用于本科生學習;②強化基礎:圍繞典型機器人工作原理,全面、詳細、由淺入深地介紹與機器人機構(gòu)、運動學、動力學和規(guī)劃相關的最基礎理論。為彌補上述缺憾、有效支撐專業(yè)教學,本書作者按上述理念,從撰寫講義開始,通過近兩年的時間逐漸形成文稿,并經(jīng)過兩個學期的教學實踐,才最后定稿。
全書包含10章,涵蓋機器人系統(tǒng)組成、機器人機構(gòu)、運動學、動力學、規(guī)劃、控制等經(jīng)典內(nèi)容。若全部將本書所有章節(jié)的內(nèi)容講完,再加上編程或配套的實驗和實踐環(huán)節(jié),可能需要56~64個學時。而目前國內(nèi)大多數(shù)高校相關課程設置為32~48學時,因此需要選講或者選學本教材中所提供的相關內(nèi)容。其中,第2~6章和第8~9章內(nèi)容是機器人學的理論基礎,建議必學,而帶*號的內(nèi)容可作為學有余力的學生自學資料。
為了幫助讀者梳理所學到的知識,在每章開始均設有“內(nèi)容導讀與學習目標”模塊;每章的結(jié)尾包含有一個“本章小結(jié)”,對各章中出現(xiàn)的重要概念和公式進行了高度凝練、概括。同時,每章末尾還提供了一些可擴展、延讀的參考文獻。為夯實課程思政、豐富教學內(nèi)容,每章還設有“小知識”“背景知識”和“知識擴展”等模塊。
為使學有余力的讀者深入理解現(xiàn)代機器人學中的一些基本概念和方法,本書還提供了有關旋量等現(xiàn)代數(shù)學工具以及相關問題求解的內(nèi)容,分散在各章節(jié)的選學內(nèi)容(用*號標識)和附錄A中。
另外,各章后面都安排有較豐富的習題,分為問答題論證、分析題和MATLAB編程題三種類型。建議讀者盡可能完成每道題,尤其是MATLAB編程類的題目(學習指導見附錄B),以利于理解基礎理論、強化實踐能力。
全書編寫分工如下:主體內(nèi)容由于靖軍和王巍共同編寫,兩人對本書具有同等貢獻。李大寨、趙宏哲、蔡月日、田耀斌等老師參與了本書的編寫工作。鄧明廣助教完成了全部課后習題答案的整理,李建和王楚芊助教參與了部分課后習題答案的解答和校對工作。北京航空航天大學機器人工程專業(yè)2018級全體同學參與了教材的試用和校對,并為課后習題解答提供了素材。
本教材的編寫,參考了國內(nèi)外大量經(jīng)典教材與專著,這里對其作者表示最誠摯的敬意!特別提及的是,已產(chǎn)生廣泛影響力的克雷格教授所著《機器人學導論》、蔡倫文教授所著《機器人分析:串并聯(lián)機器人機構(gòu)學》、西西里亞諾等所著《機器人學:建模、規(guī)劃與控制》、熊有倫院士等所著《機器人學:建模、控制與視覺》、黃真教授等所著《并聯(lián)機器人機構(gòu)學理論及控制》等,為本書編寫提供了絕佳的創(chuàng)意和素材。
特別鳴謝遨博(北京)智能科技有限公司的劉剛工程師,他在機器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)架構(gòu)方面給出了很好的建議!
此外,本書還得到了北京航空航天大學校級規(guī)劃教材的立項,并給予出版經(jīng)費的強有力支持,對此表示感謝!
由于編者水平有限,書中難免有疏虞之處,敬請讀者和專家批評指正。
作者
高等院校教師
前言
符號表
第1章緒論1
11機器人的起源與發(fā)展1
111古代有關機器人的記載1
112近、現(xiàn)代機器人的發(fā)展3
12機器人的定義、分類與應用7
121機器人的定義7
122機器人的分類8
123機器人的典型應用10
13機器人學的知識體系與發(fā)展方向11
131知識體系11
132發(fā)展方向14
14本書內(nèi)容與學習目標15
141章節(jié)安排與內(nèi)容導讀15
142學習目標16
143如何使用本書17
習題17
第2章機器人系統(tǒng)組成19
21機器人系統(tǒng)的組成19
22兩類典型的機器人系統(tǒng)23
221操作臂24
222移動機器人26
23機器人驅(qū)動器27
231電動機27
232液壓驅(qū)動器28
233氣動驅(qū)動器28
234其他驅(qū)動器類型29
24機器人傳動系統(tǒng)30
241常見的機器人傳動機構(gòu)31
242機器人專用減速器32
25機器人傳感器35
251典型的內(nèi)傳感器35
252典型的外傳感器39
26機器人控制系統(tǒng)41
261軟件架構(gòu)41
262硬件架構(gòu)42
27機器人的主要性能指標44
28本章小結(jié)47
延讀文獻47
習題48
第3章機器人機構(gòu)49
31機器人機構(gòu)的基本組成49
311機構(gòu)的基本組成元素:構(gòu)件與
運動副49
312運動鏈、機構(gòu)與機器人52
313機器人機構(gòu)的表示53
32機器人機構(gòu)的簡單分類55
33串聯(lián)機器人機構(gòu)56
331手臂機構(gòu)56
332手腕機構(gòu)58
333機器人手爪60
34并/混聯(lián)機器人機構(gòu)63
35機器人機構(gòu)的自由度69
351與自由度相關的幾個基本概念69
352自由度計算公式71
36本章小結(jié)75
延讀文獻76
習題76
第4章位姿描述與變換81
40預備知識81
401坐標系與點的坐標表示81
402三維矢量及其運算82
41位姿描述84
411概述84
412平面剛體的位姿描述86
413空間剛體的位置描述87
414空間剛體的姿態(tài)描述88
415空間剛體的位姿描述90
42剛體變換91
421坐標映射91
422運動算子96
423逆變換100
424復合變換101
425變換方程103
426自由矢量的變換106
43三角度姿態(tài)描述107
431歐拉角108
432固定角112
44等效軸角與單位四元數(shù)114
441基于等效軸角的旋轉(zhuǎn)變換114
442單位四元數(shù)118
443不同姿態(tài)描述之間的對比及
映射關系總結(jié)123
*45對齊次變換的再認識124
46本章小結(jié)128
延讀文獻129
習題129
第5章串聯(lián)機器人的位移分析133
51位移分析的主要任務及意義133
52位移分析的基本原理與基本方法134
521基本原理:閉環(huán)方程134
522求解逆運動學的通用方法:
數(shù)值法136
53DH參數(shù)與串聯(lián)機器人的正運動學
求解139
531DH參數(shù)法的由來139
532DH參數(shù)定義141
533前置坐標系及前置DH矩陣142
534基于前置DH參數(shù)法的串聯(lián)
機器人位移求解147
*535后置DH參數(shù)法與串聯(lián)
機器人的正向運動學求解150
54串聯(lián)機器人的位移反解153
55綜合實例159
*56串聯(lián)機器人位移求解的指數(shù)積
公式162
57位姿描述與工作空間165
571位姿描述165
572工作空間166
58本章小結(jié)168
延讀文獻169
習題169
第6章串聯(lián)機器人的速度與靜力
分析172
61速度與靜力分析的主要任務及意義172
62速度矢量和雅可比的定義173
621廣義速度矢量的符號表達和
定義173
622任意兩剛體之間的速度關系179
623雅可比的定義180
63速度雅可比的求解181
631直接微分法181
632遞推法186
*633矢量積法191
634幾何雅可比與解析雅可比之間的
變換194
64奇異位姿與運動學奇異195
641有關奇異的基本概念195
642奇異性分析196
65機器人自由度類型與速度雅可比199
*66雅可比的廣義逆201
661冗余度機器人的逆雅可比201
662奇異位姿下的逆雅可比204
67串聯(lián)機器人靜力學205
671靜力雅可比205
672靜力雅可比與速度雅可比之間的
對偶性207
673遞推法計算關節(jié)力/力矩208
674剛體上兩點間速度和力的關系211
68串聯(lián)機器人性能分析與評價213
681靈巧性分析213
682力橢球216
69本章小結(jié)218
延讀文獻219
習題219
第7章并聯(lián)機器人運動學基礎223
71并聯(lián)機器人的主要應用223
72并聯(lián)機器人的位移求解227
721求解方法概述227
722實例分析228
73并聯(lián)機器人的速度雅可比240
731位移方程直接求導法241
*732旋量法242
74并聯(lián)機器人的奇異性分析243
741并聯(lián)機器人奇異的分類243
742并聯(lián)機器人奇異的求解方法
簡介244
75本章小結(jié)245
延讀文獻246
習題246
第8章串聯(lián)機器人的動力學建模249
81機器人動力學建模的目的與意義249
82剛體的慣性250
83基于拉格朗日方程的串聯(lián)機器人
動力學建模255
84基于牛頓歐拉方程的串聯(lián)機器人
動力學建模264
841連桿的加速度計算公式264
842連桿速度、加速度的向外遞推
公式266
843關節(jié)力/力矩的向內(nèi)遞推公式267
844牛頓歐拉動力學遞推算法
總結(jié)268
85摩擦、傳動比及驅(qū)動空間動力學273
851摩擦的影響273
852傳動比的影響274
853驅(qū)動空間動力學方程277
86操作空間動力學方程277
87本章小結(jié)280
延讀文獻280
習題281
第9章機器人軌跡生成283
91軌跡生成的一般概念283
92關節(jié)空間軌跡生成與插補288
921二次組合曲線軌跡289
922三次多項式與速度S曲線軌跡296
923五次多項式軌跡299
924小結(jié)301
93笛卡兒空間軌跡生成和插補301
931直線路徑的參數(shù)化表達及軌跡
生成302
932圓弧路徑的參數(shù)化表達304
933姿態(tài)的表達和軌跡生成306
934笛卡兒空間路徑規(guī)劃注意事項308
94軌跡生成的實現(xiàn)310
941程序的模塊化310
942軌跡生成與運動控制310
95本章小結(jié)312
延讀文獻312
習題312
第10章機器人控制基礎314
101機器人控制問題概述314
102機器人運動控制系統(tǒng)硬件原理318
1021運動控制器的功能和原理
簡述319
1022驅(qū)動器與電動機閉環(huán)控制
簡述322
103驅(qū)動器與電動機模型326
1031電動機的速度模型326
1032電動機的力矩模型329
104分散控制331
1041速度模式下的獨立關節(jié)PID
運動控制器332
1042力矩模式下的獨立關節(jié)PID
運動控制器335
1043速度和加速度前饋補償341
1044集中前饋補償獨立關節(jié)PID
控制器343
105PID控制器的離散化345
1051數(shù)字控制系統(tǒng)簡介346
1052數(shù)字PID算法的實現(xiàn)347
106機器人力控制的基本概念350
107本章小結(jié)351
延讀文獻352
習題352
附錄355
附錄A旋量理論基礎355
A1旋量、線矢量與偶量355
A2旋量的基本運算356
A3運動旋量與力旋量357
A4旋量系358
A5運動旋量系與約束旋量系360
A6小結(jié)362
延讀文獻362
附錄BMATLAB編程362
參考文獻367
書單推薦
