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
5.2.1 3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