內容簡介
本書介紹機器人學的基本原理及其套用，全面反映出國內外機器人學研究和套用的最新進展，是一部系統和全面的機器人學著作和教材。本書共12章，內容涉及機器人學的概況、數理基礎、運動學、動力學、位置和力控制、高級控制、感測器、高層規劃、軌跡規劃、程式設計、套用和展望等內容。
該書對第一版進行較大的修訂與補充，特別是增加了“機器人感測器”一章，把兩章“機器人控制(一、二)”改為“機器人位置和力控制”與“機器人高級控制”各一章，把“機器人規劃”一章擴展為“機器人高層規劃”和“機器人軌跡規劃”兩章。此外，增加了“機器人路徑規劃”等內容，著重介紹了作者在機器人路徑規劃領域的研究新成果。
前言
前言
機器人學是一門高度交叉的前沿學科，引起許多具有不同專業背景人們的廣泛興趣，進行深入研究，並獲得快速發展。自第一台電子編程工業機器人問世以來近50年間，機器人學已取得令人矚目的成就。正如宋健教授1999年7月5日在國際自動控制聯合會第14次大會報告中所指出的：“機器人學的進步和套用是20世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化。”本書介紹機器人學的基本原理及其套用，是一部比較系統和全面的機器人學著作和教材。
本書共12章，涉及機器人學的概況、數理基礎、運動學、動力學、控制、規劃、編程、套用和展望等內容。第一章簡述機器人學的起源與發展，討論機器人學的意義，分析機器人的特點、結構與分類，探討機器人學的研究領域和人工智慧爭論對機器人學的影響。第二章討論機器人學的數學基礎，包括空間任意點的位置和姿態變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉變換等。第三章闡述機器人運動方程的表示與求解，包括機械手運動姿態、方向角、運動位置和坐標的運動方程以及連桿變換短陣的表示，歐拉變換、滾?仰?偏變換和球面變換等求解方法，機器人微分運動及其雅可比矩陣等。第四章涉及機器人動力學方程、動態特性和靜態特性； 著重分析機械手動力學方程的兩種求法，即拉格朗日功能平衡法和牛頓?歐拉動態平衡法，然後總結出建立拉格朗日方程的步驟，並以二連桿和三連桿機械手為例推導出機械手動力學方程。探討機器人的動態特性和靜態特性。第五章研究機器人的位置和力控制，包括機器人的控制原則和控制方法、傳動系統結構、位置伺服控制、位置和力混合控制、柔順控制和分解運動控制等。第六章探討機器人的高級控制，涉及機器人的變結構控制、自適應控制和智慧型控制等。第七章介紹機器人感測器的特點與分類、各種典型的機器人內感測器和外感測器的工作原理。第八章討論機器人高層規劃問題。在說明機器人規劃的作用和任務之後，從積木世界的機器人規劃入手，逐步深入開展對機器人規劃的討論，包括規則演繹法、邏輯演算和通用搜尋法及基於專家系統的規劃等。在機器人路徑規劃方面，在闡明機器人路徑規劃的主要方法和發展趨勢之後，著重介紹了作者的一些研究新成果，如基於近似Voronoi圖的機器人路徑規劃、基於模擬退火算法的機器人局部路徑規劃、基於免疫進化和示例學習的機器人路徑規劃和基於蟻群算法的機器人路徑規劃等。第九章討論機器人軌跡規劃問題，著重研究關節空間和笛卡兒空間中機器人運動的軌跡規劃和軌跡生成方法。第十章論述機器人的程式設計，研究對機器人編程的要求和分類、機器人語言系統的結構和基本功能，幾種重要的專用機器人語言，以及機器人的離線編程等。第十一章探討機器人的套用問題，論述套用機器人必須考慮的因素和採用機器人的步驟，分析機器人的套用領域。第十二章分析機器人學的現狀，展望機器人學的未來，包括國內外機器人技術和市場的發展現狀和預測、21世紀機器人技術的發展趨勢等，並提出克隆技術對智慧型機器人的挑戰問題。每章均附有習題，供教師選用和學生練習。書末附有英漢術語對照，有助於學生閱讀機器人學的英文文獻。
本書特別適合作為本科生和研究生教材。當作為研究生教材時，教師可補充一些反映最新研究進展的學術論文和專題研究資料。本書也適合從事機器人學研究、開發和套用的科技人員學習參考。
在本書編寫和出版過程中，得到眾多領導、專家、教授、朋友和學生的熱情鼓勵和幫助。鄒小兵，李枚毅，鄭敏捷，黃明登和趙慧等參加了第八章第五節的編寫，陳白帆，余伶俐，魏世勇，謝斌等參加了本書部分章節的討論和校對工作。國際自動控制聯合會第十四屆世界大會主席、全國政協副主席、中國工程首任院長宋健院士在大會開幕式上所做主題報告摘錄，作為本書代序，是對本書作者和廣大讀者的極大支持和厚愛。中國工程院院士張啟先教授在他重病時，不辭勞苦為本書第一版作序。這些都使作者深受鼓舞。在此特向有關領導、專家、合作者和廣大讀者致以衷心的感謝。
我要特別感謝部分國內外機器人學專著、教材和有關論文的作者們，他們是陳懇，J J Craig，封錫盛，K S Fu,霍偉，黃心漢，蔣新松，A J Kovio，羅公亮，N J Nilsson， G N Saridis，B. Niku Saeed，宋健，孫迪生，孫增圻，王田苗，王炎，席裕庚，熊有倫，張伯鵬，張鍾俊等。
本書是在《機器人學》第一版基礎上經過全面改編和補充而成。雖然已對第一版做了較大修改，但由於編寫時間倉促，因而書中一定有不足之處，希望得到各位專家和廣大讀者的批評指正。
蔡自興
2009年8月17日於長沙中南大學
目錄
目錄
第一章緒論
1.1機器人學的起源與發展
1.1.1機器人學的起源
1.1.2機器人學的發展
1.2機器人的定義和特點
1.2.1機器人的定義
1.2.2機器人的主要特點
1.3機器人的構成與分類
1.3.1機器人系統的構成
1.3.2機器人的自由度
1.3.3機器人的分類
1.4機器人學的研究領域
1.5本書概要
1.6小結
習題
第二章機器人的空間描述和坐標變換
2.1位姿和坐標系描述
2.2平移和旋轉坐標系映射
2.3平移和旋轉齊次坐標變換
2.4物體的變換和變換方程
2.5通用旋轉變換
2.6小結
習題
第三章機器人運動學
3.1機械手運動方程的表示
3.1.1機械手運動姿態和方向角的表示
3.1.2平移變換的不同坐標系表示
3.1.3A矩陣和T矩陣的表示
3.2機械手運動方程的求解
3.2.1歐拉變換解
3.2.2RPY變換解
3.2.3球面變換解
3.3機器人運動的分析與綜合舉例
3.3.1機器人運動分析舉例
3.3.2機器人運動綜合舉例
3.4機器人的雅可比公式
3.4.1機器人的微分運動
3.4.2雅可比矩陣的定義與求解
3.4.3機器人雅可比矩陣計算舉例
3.5小結
習題
第四章機器人動力學
4.1剛體的動力學方程
4.1.1剛體的動能與位能
4.1.2拉格朗日方程和牛頓?歐拉方程
4.2機械手動力學方程的計算與簡化
4.2.1質點速度的計算
4.2.2質點動能和位能的計算
4.2.3機械手動力學方程的推導
4.2.4機械手動力學方程的簡化
4.3機械手動力學方程舉例
4.3.1二連桿機械手動力學方程
4.3.2三連桿機械手的速度和加速度方程
4.4機器人的動態特性
4.4.1動態特性概述
4.4.2穩定性
4.4.3空間分辨度
4.4.4精度
4.4.5重複性
4.5機械手的靜態特性
4.5.1靜力和靜力矩的表示
4.5.2不同坐標系間靜力的變換
4.5.3關節力矩的確定
4.5.4負荷質量的確定
4.6小結
習題
第五章機器人位置和力控制
5.1機器人控制與傳動概述
5.1.1機器人控制的分類、變數與層次
5.1.2機器人傳動系統
5.2機器人的位置控制
5.2.1直流控制系統原理與數學模型
5.2.2機器人位置控制的一般結構
5.2.3單關節位置控制器的結構與模型
5.2.4多關節位置控制器的耦合與補償
5.3機器人的力和位置混合控制
5.3.1柔順運動與柔順控制
5.3.2主動阻力控制
5.3.3力和位置混合控制方案和規律
5.3.4柔順運動位移和力混合控制的計算
5.4機器人的分解運動控制
5.4.1分解運動控制原理
5.4.2分解運動速度控制
5.4.3分解運動加速度控制
5.4.4分解運動力控制
5.5小結
習題
第六章機器人高級控制
6.1機器人的變結構控制
6.1.1變結構控制的特點和原理
6.1.2機器人的滑模變結構控制
6.1.3機器人軌跡跟蹤滑模變結構控制
6.2機器人的自適應控制
6.2.1自適應控制器的狀態模型和結構
6.2.2機器人模型參考自適應控制器
6.2.3機器人自校正自適應控制器
6.2.4機器人線性攝動自適應控制器
6.3機器人的智慧型控制
6.3.1智慧型控制與智慧型控制系統概述
6.3.2主要智慧型控制系統簡介
6.3.3機器人自適應模糊控制
6.3.4多指靈巧手的神經控制
6.4小結
習題
第七章機器人感測器
7.1機器人感測器概述
7.1.1機器人感測器的特點與分類
7.1.2套用感測器時應考慮的問題
7.2內感測器
7.2.1位移（位置）感測器
7.2.2速度和加速度感測器
7.2.3力覺感測器
7.3外感測器
7.3.1觸覺感測器
7.3.2應力感測器
7.3.3接近度感測器
7.3.4其他外感測器
7.4機器人視覺裝置
7.4.1機器人眼
7.4.2視頻信號數字變換器
7.4.3固態視覺裝置
7.5小結
習題
第八章機器人高層規劃
8.1機器人規劃概述
8.1.1規劃的作用與問題分解途徑
8.1.2機器人規劃系統的任務與方法
8.2積木世界的機器人規劃
8.2.1積木世界的機器人問題
8.2.2積木世界機器人規劃的求解
8.3基於消解原理的機器人規劃系統
8.3.1STRIPS系統的組成
8.3.2STRIPS系統規划過程
8.3.3含有多重解答的規劃
8.4基於專家系統的機器人規劃
8.4.1規劃系統的結構和機理
8.4.2ROPES機器人規劃系統
8.5機器人路徑規劃
8.5.1機器人路徑規劃的主要方法和發展趨勢
8.5.2基於近似Voronoi圖的機器人路徑規劃
8.5.3基於模擬退火算法的機器人局部路徑規劃
8.5.4基於免疫進化和示例學習的機器人路徑規劃
8.5.5基於蟻群算法的機器人路徑規劃
8.6小結
習題
第九章機器人軌跡規劃
9.1軌跡規劃應考慮的問題
9.2關節軌跡的插值計算
9.3笛卡兒路徑軌跡規劃
9.4規劃軌跡的實時生成
9.5小結
習題
第十章機器人程式設計
10.1機器人編程要求與語言類型
10.1.1對機器人編程的要求
10.1.2機器人程式語言的類型
10.2機器人語言系統結構和基本功能
10.2.1機器人語言系統的結構
10.2.2機器人程式語言的基本功能
10.3常用的機器人程式語言
10.3.1VAL語言
10.3.2SIGLA語言
10.3.3IML語言
10.3.4AL語言
10.4機器人的離線編程
10.4.1機器人離線編程的特點和主要內容
10.4.2機器人離線編程系統的結構
10.4.3機器人離線編程仿真系統HOLPSS
10.5小結
習題
第十一章機器人套用
11.1套用工業機器人必須考慮的因素
11.1.1機器人的任務估計
11.1.2套用機器人三要素
11.1.3使用機器人的經驗準則
11.1.4採用機器人的步驟
11.2機器人的套用領域
11.2.1工業機器人
11.2.2探索機器人
11.2.3服務機器人
11.2.4軍事機器人
11.3工業機器人套用舉例
11.3.1材料搬運機器人
11.3.2焊接機器人
11.3.3噴漆機器人
11.4小結
習題
第十二章機器人學展望
12.1機器人技術和市場的現狀與預測
12.221世紀機器人技術的發展趨勢
12.3套用機器人引起的社會問題
12.4克隆技術對智慧型機器人的挑戰
12.5小結
習題
參考文獻
英漢對照術語表
CONTENTS
Chapter 1Introduction
1.1Origin and Development of Robotics
1.1.1Origin of the Robotics
1.1.2Advances in Robotics
1.2Definition and Characteristics of Robots
1.2.1Definition of Robots
1.2.2Main Characteristics of Robots
1.3Structure and Classification of Robots
1.3.1Structure of a Robot System
1.3.2Degrees of Freedom of Robots
1.3.3Classification of Robots
1.4Research Topics for Robots
1.5Outline of the Book
1.6Summary
Exercises
Chapter 2Space Description and Coordinate Transformation
2.1Representation of Position,Attitude and Coordinate Frames
2.2Mapping of Transfer and Rotation Coordinate Systems
2.3Homogeneous Transformation of Transfer and Rotation
2.4Transformation of Object and Its Equations
2.5General Rotation Transformation
2.6Summary
Exercises
Chapter 3Kinematics of Robots
3.1Representation of the Kinematical Equation of Manipulators
3.1.1Representation of Pose and Oriented Angle of Manipulator
3.1.2Coordinate Representations of Transfer Transformation
3.1.3Matrix T and Matrix A
3.2Solving Kinematical Equations of Robot Manipulators
3.2.1Solution of the Euler Transformation
3.2.2Solution of RPY Transformations
3.2.3Solution of Spherical Coordinate Transformation
3.3Examples of Analysis and Synthesis for Robot Motion
3.3.1Motion Analysis of Robot Manipulator
3.3.2Motion Synthesis of Robot Manipulator
3.4Jacobian of Robot Manipulator
3.4.1Differential Motion of Robot
3.4.2Definition and Solving of Jacobian Matrix
3.4.3Computational Example of Robot Jacobian
3.5Summary
Exercises
Chapter 4Dynamics of Robot Robots
4.1Dynamics of a Rigid Body
4.1.1Kinetic and Potential Energy of a Rigid Body
4.1.2Lagrange Equation and Newton?Euler Equation
4.2Computation and Simplification of Dynamic Equation of Robot Manipulator
4.2.1Computing the Particle Velocity
4.2.2Computing the Kinetic and Potential Energy of Particle
4.2.3Derivation of Dynamic Equation of Manipulator
4.2.4Simplifying the Dynamic Equation of Manipulator
4.3Examples of Dynamic Equation of Manipulators
4.3.1Dynamic Equation of Two?Link Manipulator
4.3.2Velocity and Acceleration Dynamic Equations of Three?Link
Manipulator
4.4Dynamic Properties of Robots
4.4.1Introduction to Dynamic Performance
4.4.2Stability
4.4.3Spatial Resolution
4.4.4Accuracy
4.4.5Repeatability
4.5Static Characteristics of Manipulators
4.5.1Representation of Static Forces and Moments
4.5.2Transformation of Forces Between Coordinate Frames
4.5.3Determination of Joint Torques
4.5.4Determination of Load Quantity
4.6Summary
Exercises
Chapter 5Position/Force Control of Robots
5.1Basic Principles of Robotic Control
5.1.1Classification, Variables and Levels of Robot Control
5.1.2Driving Systems of Robots
5.2Position Control of Robots
5.2.1Principle and Mathematical Model of D. C. Control System
5.2.2Basic Structure of Robot Position Control
5.2.3Structure and Model of Position Controller of a Single Joint
5.2.4Coupling and Compensation of Position Controller with Multiple
Joints
5.3Compliance Control of Robots Hybrid Control of Force/Position of Robot
5.3.1Compliance Motion and Compliance Control
5.3.2Active Impedance Control
5.3.3Control Scheme and Rule of Robot Hybrid Position/Force Control
5.3.4Computation of Hybrid Displacement/Force Control of Compliance
Motion
5.4Resolved Motion Control of Robots
5.4.1Principle of Resolved Motion Control
5.4.2Resolved Motion Velocity Control
5.4.3Resolved Motion Acceleration Control
5.4.4Resolved Motion Force Control
5.5Summary
Exercises
Chapter 6Advanced Control of Robots
6.1Variable Structure Control of Robots
6.1.1Features and Principles of Variable Structure Control
6.1.2Variable Structure Control of Robots in Sliding Mode
6.1.3Variable Structure Control of Robot Trajectory Tracking in Sliding
Mode
6.2Adaptive Control of Robots
6.2.1State Models and Structures of Adaptive Controller
6.2.2Model?Reference Adaptive Controller of Robots
6.2.3Self?Tuning Adaptive Controller of Robots
6.2.4Linear Perturbation Adaptive Controller of Robots
6.3Intelligent Control of Robots
6.3.1Introduction to Intelligent Control and Intelligent Control Systems
6.3.2Brief Introduction to Main Intelligent Control Systems
6.3.3Adaptive Fuzzy Control of Robot
6.3.4Neural Control of Multi?Fingered Robot Hand
6.4Summary
Exercises
Chapter 7Robot Sensors
7.1Features and Classification of Robot Sensors
7.1.1Introduction to Robot Sensors
7.1.2Consideration of Sensor Applications
7.2Inner Sensors
7.2.1Displacement/Position Sensors
7.2.2Velocity and Acceleration Sensors
7.2.3Force Sensors
7.3External Sensors
7.3.1Tactile Sensors
7.3.2Stress Sensors
7.3.3Proximity Sensors
7.3.4Other External Sensors
7.4Vision Devices of Robots
7.4.1Robot Eyes
7.4.2Video Digitizer
7.4.3Solid Vision Device
7.5Summary
Exercises
Chapter 8High?Level Robot Planning
8.1Introduction to Robot Planning
8.1.1Function of Planning and Ways of Problem Decomposition
8.1.2Tasks and Methods of Robot Planning System
8.2Robot Planning of the Block World
8.2.1Robot Problem in the Block World
8.2.2Solving for Robot Planning of the Block World
8.3Planning System Based on Resolution Principle
8.3.1Organization of STRIPS System
8.3.2Planning Process of STRIPS System
8.3.3Planning with Multiple Solutions
8.4Robot Planning Based on the Expert System
8.4.1System Structure and Planning Mechanism
8.4.2ROPES Robot Planning Systems
8.5Robot Path Planning
8.5.1Main Methods and Development Trends of Robot Path Planning
8.5.2Robot Path Planning Based on Approximate Voronoi Diagram
8.5.3Robot Local Path Planning Based on Algorithm of Simulated
Annealing
8.5.4Robot Path Planning Based on Immune/Evolutionary Algorithms
and Instance Learning
8.5.5Robot Path Planning Based on Ant Algorithm
8.6Summary
Exercises
Chapter 9Robot Trajectory Planning
9.1General Considerations on Trajectory Planning
9.2Interpolated Calculation of Joint Trajectories
9.3Planning of Cartesian Path Trajectories
9.4Real?Time Generation of Planning Trajectories
9.5Summary
Exercise
Chapter 10Robot Programming
10.1Requirements and Language Types to Robot Programming
10.1.1Requirements to Robot Programming
10.1.2Language Types of Robot Programming
10.2Structure and Basic Functions of Robot Language System
10.2.1Structure of Robot Language System
10.2.2Basic Functions of Robot Programming Languages
10.3Commonly?Used Languages for Robot Programming
10.3.1Language VAL
10.3.2Language SIGLA
10.3.3Language IML
10.3.4Language AL
10.4Off?Line Programming of Robots
10.4.1Features and Main Contents of Robot Off?Line Programming
10.4.2Structure of Robot Off?Line Programming System
10.4.3Robot Off?Line Programming System HOLPSS
10.5Summary
Exercises
Chapter 11Robot Applications
11.1Factors Considered in Applying Industrial Robots
11.1.1Evaluating Tasks for Robots
11.1.2Three Technical Considerations for Applying Robots
11.1.3Rules of Thumb for Applying Robots
11.1.4Steps for Applying Robots
11.2Application Areas of Robots
11.2.1Robots for Industry
11.2.2Robots for Exploration
11.2.3Robots for Service
11.2.4Robots for Military
11.3Application Examples of Industrial Robots
11.3.1Robots for Material Handling
11.3.2Welding Robots
11.3.3Painting Robots
11.4Summary
Exercises
Chapter 12Prospect to Robots
12.1Current Situation and Prediction of Robot Technology and Market
12.2Developing Trends of Robot Technology in the 21 Century
12.3Social Problems Caused by Applying Robots
12.4Clone Technique Challenges to Intelligent Robot
12.5Summary
Exercises
References
List of English?Chinese Terms
