機器人工程導論

第1章 緒 論 ……………………………………………………………………………………1
1.1 中國的早期機器人……………………………………………………………………1
1.2 其他國家的早期機器人 ……………………………………………………………2
1.3 現(xiàn)代機器人概念的起源………………………………………………………………2
1.4 現(xiàn)代機器人的發(fā)展……………………………………………………………………3
1.5 現(xiàn)代機器人的定義……………………………………………………………………4
1.6 機器人的研究內(nèi)容……………………………………………………………………5
1.7 機器人的應用 …………………………………………………………………………6
1.8 機器人的社會問題 ……………………………………………………………………9
習題一 ………………………………………………………………………………………10
第2章 機器人基礎(chǔ) ……………………………………………………………………………11
2.1 機器人概念與術(shù)語……………………………………………………………………11
2.1.1 機器人的分類 …………………………………………………………………11
2.1.2 機器人的特性 …………………………………………………………………15
2.1.3 機器人的組成…………………………………………………………………15
2.1.4 機器人的自由度………………………………………………………………17
2.1.5 機器人關(guān)節(jié)……………………………………………………………………18
2.1.6 機器人的各種坐標系…………………………………………………………18
2.1.7 機器人的性能指標……………………………………………………………19
2.1.8 機器人的工作空間……………………………………………………………20
2.1.9 機器人的工作環(huán)境……………………………………………………………20
2.1.10 工業(yè)機器人的示教模式…………………………………………………… 21
2.1.11 機器人語言…………………………………………………………………21
2.1.12 特種機器人的工作方式……………………………………………………23
2.2 機器人機械基礎(chǔ)………………………………………………………………………23
2.2.1 常見機械結(jié)構(gòu)及其表示 ………………………………………………………23
2.2.2 機器人的傳動機構(gòu) ……………………………………………………………25
2.2.3 機器人機座 ……………………………………………………………………31
2.2.4 機器人手臂 ……………………………………………………………………31
2.2.5 機器人手腕 ……………………………………………………………………34
2.2.6 機器人末端執(zhí)行器 ……………………………………………………………37
2.3 數(shù)學基礎(chǔ) ………………………………………………………………………………46
2.3.1 矢量及其基本性質(zhì) ……………………………………………………………46
2.3.2 矩陣代數(shù)和符號表示 …………………………………………………………47
2.3.3 角度計算的處理方法 …………………………………………………………52
習題二………………………………………………………………………………………53
第3章 機器人運動學………………………………………………………………………… 55
3.1 位置與姿態(tài)的表示 ……………………………………………………………………55
3.1.1 位置描述 ……………………………………………………………………… 55
3.1.2 姿態(tài)描述 ………………………………………………………………………55
3.1.3 位姿描述 ………………………………………………………………………57
3.2 坐標變換 ………………………………………………………………………………57
3.2.1 平移坐標變換 …………………………………………………………………57
3.2.2 旋轉(zhuǎn)坐標變換 …………………………………………………………………58
3.2.3 復合坐標變換………………………………………………………………… 58
3.2.4 齊次坐標變換 …………………………………………………………………60
3.3 齊次變換的一些性質(zhì) ………………………………………………………………… 67
3.3.1 變換過程的相對性 …………………………………………………………… 67
3.3.2 變換過程的可逆性…………………………………………………………… 69
3.3.3 聯(lián)體坐標系間變換過程的連續(xù)性 ………………………………………… 71
3.3.4 多個連續(xù)變換過程的封閉性 …………………………………………………71
3.4 通用旋轉(zhuǎn)變換 …………………………………………………………………………72
3.4.1 通用旋轉(zhuǎn)變換公式 …………………………………………………………… 72
3.4.2 等效轉(zhuǎn)角與等效轉(zhuǎn)軸…………………………………………………………75
3.5 介紹幾種常見變換……………………………………………………………………78
3.5.1 歐拉( Euler)角變換………………………………………………………… 78
3.5.2 橫滾、俯仰和偏轉(zhuǎn)變換……………………………………………………… 79
3.5.3 柱面坐標變換………………………………………………………………… 80
3.5.4 球面坐標變換………………………………………………………………… 80
3.6 幾種常見變換的逆解…………………………………………………………………81
3.6.1 歐拉變換的解………………………………………………………………… 81
3.6.2 橫滾、俯仰和偏轉(zhuǎn)變換的解………………………………………………… 84
3.6.3 球面變換的解………………………………………………………………… 85
3.7 機器人的連桿坐標系及其描述………………………………………………………86
3.7.1 廣義連桿與廣義關(guān)節(jié)………………………………………………………… 86
3.7.2 機器人連桿參數(shù)………………………………………………………………87
3.7.3 機器人連桿坐標系……………………………………………………………89
3.7.4 機器人連桿變換矩陣………………………………………………………… 92
3.8 機器人運動學正解 …………………………………………………………………… 93
3.8.1 連桿變換矩陣及其乘積 ……………………………………………………… 93
3.8.2 斯坦福機器人運動學正解…………………………………………………… 94
3.8.3 一種助老助殘機械手運動學正解 ……………………………………………96
3.9 機器人運動學逆解 ……………………………………………………………………99
習題三 ………………………………………………………………………………………104
第4章 微分運動和速度 ……………………………………………………………………… 107
4.1 微分運動的意義 ……………………………………………………………………107
4.2 變換的微分 …………………………………………………………………………108
4.3 坐標系的微分運動 …………………………………………………………………109
4.3.1 微分平移 …………………………………………………………………… 109
4.3.2 繞坐標系軸線的微分旋轉(zhuǎn)………………………………………………… 110
4.3.3 繞一般軸 f 的微分旋轉(zhuǎn) ……………………………………………………111
4.3.4 坐標系的微分變換 ………………………………………………………… 113
4.4 微分變換的解釋 …………………………………………………………………… 115
4.5 微分變換在不同坐標系間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系……………………………………… 117
4.6 連續(xù)變換表達式中的微分變換關(guān)系式……………………………………………121
4.7 笛卡兒空間微分與關(guān)節(jié)空間微分的關(guān)系 …………………………………………123
4.8 雅可比矩陣 ………………………………………………………………………… 124
4.8.1 機器人關(guān)節(jié)與機器人手部坐標系的微分運動 …………………………… 124
4.8.2 雅可比矩陣的意義………………………………………………………… 125
4.8.3 機器人雅可比矩陣的求法………………………………………………… 127
4.8.4 雅可比矩陣的應用 …………………………………………………………129
4.9 雅可比矩陣求逆 …………………………………………………………………… 134
習題四……………………………………………………………………………………… 141
第5章 運動軌跡規(guī)劃…………………………………………………………………………144
5.1 軌跡描述和生成 …………………………………………………………………… 145
5.2 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃法……………………………………………………………… 147
5.2.1 3次多項式插值……………………………………………………………148
5.2.2 包括途經(jīng)點的3次多項式插值…………………………………………… 150
5.2.3 高次多項式插值……………………………………………………………152
5.2.4 其他軌跡規(guī)劃方法 …………………………………………………………158
5.3 直角坐標空間法……………………………………………………………………168
5.4 軌跡的實時生成 …………………………………………………………………… 170
5.4.1 關(guān)節(jié)空間軌跡的生成……………………………………………………… 170
5.4.2 直角坐標空間軌跡的生成………………………………………………… 171
習題五 ………………………………………………………………………………………172
第6章 機器人動力學分析…………………………………………………………………… 173
6.1 達朗伯原理與虛位移原理 …………………………………………………………173
6.1.1 達朗伯原理 ………………………………………………………………… 173
6.1.2 虛位移原理…………………………………………………………………174
6.2 拉格朗日力學方法 ………………………………………………………………… 180
6.2.1 動力學普遍方程…………………………………………………………… 180
6.2.2 拉格朗日方程……………………………………………………………… 181
6.3 一個簡單的例子…………………………………………………………………… 184
6.4 機器人動力學方程 ………………………………………………………………… 188
6.4.1 機械手臂上一點的速度 …………………………………………………… 188
6.4.2 動 能……………………………………………………………………… 189
6.4.3 勢 能……………………………………………………………………… 190
6.4.4 拉格朗日算子 ……………………………………………………………… 190
6.4.5 動力學方程………………………………………………………………… 191
6.4.6 動力學方程的簡化………………………………………………………… 192
習題六……………………………………………………………………………………… 200
第7章 機器人控制……………………………………………………………………………203
7.1 概 述……………………………………………………………………………… 203
7.1.1 機器人控制的特點………………………………………………………… 203
7.1.2 機器人控制系統(tǒng)的組成…………………………………………………… 204
7.1.3 機器人的常用控制方法…………………………………………………… 205
7.2 機器人的示教再現(xiàn)…………………………………………………………………207
7.2.1 示教內(nèi)容……………………………………………………………………208
7.2.2 示教過程……………………………………………………………………210
7.2.3 機器人的離線編程技術(shù)…………………………………………………… 212
7.3 伺服系統(tǒng)的基本概念………………………………………………………………215
7.4 機器人的位置控制………………………………………………………………… 218
7.4.1 單關(guān)節(jié)位置控制…………………………………………………………… 218
7.4.2 多關(guān)節(jié)機器人的位置伺服控制…………………………………………… 226
7.4.3 傳感器反饋控制…………………………………………………………… 230
7.5 機器人的力控制……………………………………………………………………234
7.5.1 機器人的力與力控制種類………………………………………………… 234
7.5.2 阻尼力控制………………………………………………………………… 237
7.5.3 相互力控制………………………………………………………………… 239
習題七……………………………………………………………………………………… 243
第8章 智能機器人…………………………………………………………………………… 245
8.1 智能機器人基礎(chǔ)知識……………………………………………………………… 245
8.2 智能機器人系統(tǒng)的基本特征……………………………………………………… 246
8.3 智能機器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)………………………………………………… 247
8.4 智能機器人的多信息特點…………………………………………………………248
8.4.1 多傳感器系統(tǒng)與信息融合………………………………………………… 248
8.4.2 信息融合方法和融合模式…………………………………………………249
8.5 智能機器人控制系統(tǒng)的主要功能特點…………………………………………… 251
8.6 智能控制研究的數(shù)學工具………………………………………………………… 251
8.7 智能控制理論的主要內(nèi)容及其在智能機器人控制中的應用…………………… 252
8. 8 智能機器人典型案例………………………………………………………………256
習題八………………………………………………………………………………………261
第9章 機器人常用器件……………………………………………………………………… 262
9.1 驅(qū)動器及其系統(tǒng)特性……………………………………………………………… 262
9.1.1 技術(shù)規(guī)格參數(shù)……………………………………………………………… 262
9.1.2 剛度和柔性………………………………………………………………… 263
9.1.3 減速器的應用………………………………………………………………263
9.1.4 驅(qū)動系統(tǒng)的比較…………………………………………………………… 264
9.1.5 液壓驅(qū)動器………………………………………………………………… 265
9.1.6 氣動驅(qū)動器…………………………………………………………………267
9.1.7 電 機………………………………………………………………………268
9.1.8 電機的微處理器控制………………………………………………………274
9.1.9 磁致伸縮驅(qū)動器……………………………………………………………276
9.1.10 形狀記憶金屬………………………………………………………………277
9.1.11 電活性聚合物………………………………………………………………277
9.2 傳感器……………………………………………………………………………… 278
9.2.1 傳感器特性………………………………………………………………… 278
9.2.2 傳感器選擇…………………………………………………………………279
9.2.3 傳感器的使用………………………………………………………………280
9.2.4 位置傳感器………………………………………………………………… 280
9.2.5 速度傳感器…………………………………………………………………283
9.2.6 加速度傳感器………………………………………………………………284
9.2.7 力和壓力傳感器……………………………………………………………285
9.2.8 力矩傳感器………………………………………………………………… 286
9.2.9 可見光和紅外傳感器……………………………………………………… 286
9.2.10 接觸傳感器和觸覺傳感器………………………………………………… 287
9.2.11 接近覺傳感器………………………………………………………………287
9.2.12 測距傳感器………………………………………………………………… 290
9.2.13 嗅覺傳感器………………………………………………………………… 291
9.2.14 味覺傳感器………………………………………………………………… 291
習題九……………………………………………………………………………………… 292
參考文獻 293