機(jī)器人工程導(dǎo)論

第1章 緒 論 ……………………………………………………………………………………1
1.1 中國的早期機(jī)器人……………………………………………………………………1
1.2 其他國家的早期機(jī)器人 ……………………………………………………………2
1.3 現(xiàn)代機(jī)器人概念的起源………………………………………………………………2
1.4 現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展……………………………………………………………………3
1.5 現(xiàn)代機(jī)器人的定義……………………………………………………………………4
1.6 機(jī)器人的研究內(nèi)容……………………………………………………………………5
1.7 機(jī)器人的應(yīng)用 …………………………………………………………………………6
1.8 機(jī)器人的社會問題 ……………………………………………………………………9
習(xí)題一 ………………………………………………………………………………………10
第2章 機(jī)器人基礎(chǔ) ……………………………………………………………………………11
2.1 機(jī)器人概念與術(shù)語……………………………………………………………………11
2.1.1 機(jī)器人的分類 …………………………………………………………………11
2.1.2 機(jī)器人的特性 …………………………………………………………………15
2.1.3 機(jī)器人的組成…………………………………………………………………15
2.1.4 機(jī)器人的自由度………………………………………………………………17
2.1.5 機(jī)器人關(guān)節(jié)……………………………………………………………………18
2.1.6 機(jī)器人的各種坐標(biāo)系…………………………………………………………18
2.1.7 機(jī)器人的性能指標(biāo)……………………………………………………………19
2.1.8 機(jī)器人的工作空間……………………………………………………………20
2.1.9 機(jī)器人的工作環(huán)境……………………………………………………………20
2.1.10 工業(yè)機(jī)器人的示教模式…………………………………………………… 21
2.1.11 機(jī)器人語言…………………………………………………………………21
2.1.12 特種機(jī)器人的工作方式……………………………………………………23
2.2 機(jī)器人機(jī)械基礎(chǔ)………………………………………………………………………23
2.2.1 常見機(jī)械結(jié)構(gòu)及其表示 ………………………………………………………23
2.2.2 機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu) ……………………………………………………………25
2.2.3 機(jī)器人機(jī)座 ……………………………………………………………………31
2.2.4 機(jī)器人手臂 ……………………………………………………………………31
2.2.5 機(jī)器人手腕 ……………………………………………………………………34
2.2.6 機(jī)器人末端執(zhí)行器 ……………………………………………………………37
2.3 數(shù)學(xué)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(xí)題二………………………………………………………………………………………53
第3章 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)………………………………………………………………………… 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(biāo)變換 ………………………………………………………………………………57
3.2.1 平移坐標(biāo)變換 …………………………………………………………………57
3.2.2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 …………………………………………………………………58
3.2.3 復(fù)合坐標(biāo)變換………………………………………………………………… 58
3.2.4 齊次坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)變換………………………………………………………………… 80
3.5.4 球面坐標(biāo)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(jī)器人的連桿坐標(biāo)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(jī)器人連桿參數(shù)………………………………………………………………87
3.7.3 機(jī)器人連桿坐標(biāo)系……………………………………………………………89
3.7.4 機(jī)器人連桿變換矩陣………………………………………………………… 92
3.8 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解 …………………………………………………………………… 93
3.8.1 連桿變換矩陣及其乘積 ……………………………………………………… 93
3.8.2 斯坦福機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解…………………………………………………… 94
3.8.3 一種助老助殘機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正解 ……………………………………………96
3.9 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解 ……………………………………………………………………99
習(xí)題三 ………………………………………………………………………………………104
第4章 微分運(yùn)動和速度 ……………………………………………………………………… 107
4.1 微分運(yùn)動的意義 ……………………………………………………………………107
4.2 變換的微分 …………………………………………………………………………108
4.3 坐標(biāo)系的微分運(yùn)動 …………………………………………………………………109
4.3.1 微分平移 …………………………………………………………………… 109
4.3.2 繞坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系……………………………………… 117
4.6 連續(xù)變換表達(dá)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(jī)器人關(guān)節(jié)與機(jī)器人手部坐標(biāo)系的微分運(yùn)動 …………………………… 124
4.8.2 雅可比矩陣的意義………………………………………………………… 125
4.8.3 機(jī)器人雅可比矩陣的求法………………………………………………… 127
4.8.4 雅可比矩陣的應(yīng)用 …………………………………………………………129
4.9 雅可比矩陣求逆 …………………………………………………………………… 134
習(xí)題四……………………………………………………………………………………… 141
第5章 運(yùn)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(diǎn)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(biāo)空間法……………………………………………………………………168
5.4 軌跡的實(shí)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(biāo)空間軌跡的生成………………………………………………… 171
習(xí)題五 ………………………………………………………………………………………172
第6章 機(jī)器人動力學(xué)分析…………………………………………………………………… 173
6.1 達(dá)朗伯原理與虛位移原理 …………………………………………………………173
6.1.1 達(dá)朗伯原理 ………………………………………………………………… 173
6.1.2 虛位移原理…………………………………………………………………174
6.2 拉格朗日力學(xué)方法 ………………………………………………………………… 180
6.2.1 動力學(xué)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(jī)器人動力學(xué)方程 ………………………………………………………………… 188
6.4.1 機(jī)械手臂上一點(diǎn)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(xué)方程………………………………………………………………… 191
6.4.6 動力學(xué)方程的簡化………………………………………………………… 192
習(xí)題六……………………………………………………………………………………… 200
第7章 機(jī)器人控制……………………………………………………………………………203
7.1 概 述……………………………………………………………………………… 203
7.1.1 機(jī)器人控制的特點(diǎn)………………………………………………………… 203
7.1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成…………………………………………………… 204
7.1.3 機(jī)器人的常用控制方法…………………………………………………… 205
7.2 機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的位置伺服控制…………………………………………… 226
7.4.3 傳感器反饋控制…………………………………………………………… 230
7.5 機(jī)器人的力控制……………………………………………………………………234
7.5.1 機(jī)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(xí)題七……………………………………………………………………………………… 243
第8章 智能機(jī)器人…………………………………………………………………………… 245
8.1 智能機(jī)器人基礎(chǔ)知識……………………………………………………………… 245
8.2 智能機(jī)器人系統(tǒng)的基本特征……………………………………………………… 246
8.3 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)………………………………………………… 247
8.4 智能機(jī)器人的多信息特點(diǎn)…………………………………………………………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(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)…………………………………………… 251
8.6 智能控制研究的數(shù)學(xué)工具………………………………………………………… 251
8.7 智能控制理論的主要內(nèi)容及其在智能機(jī)器人控制中的應(yīng)用…………………… 252
8. 8 智能機(jī)器人典型案例………………………………………………………………256
習(xí)題八………………………………………………………………………………………261
第9章 機(jī)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(yīng)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(jī)………………………………………………………………………268
9.1.8 電機(jī)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(xí)題九……………………………………………………………………………………… 292
參考文獻(xiàn) 293