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第1章 绪论1

1.1 机器人概述1

1.1.1 古代机器人1

1.1.2 机器人三定律3

1.1.3 现代机器人6

1.1.4 机器人技术大发展7

1.1.5 机器人在中国9

1.2 机器人的相关定义及术语20

1.2.1 机器人的定义20

1.2.2 机器人学21

1.2.3 操作机器人（工业机器人）21

1.2.4 智能机器人和自主机器人21

1.2.5 机器人系统23

1.2.6 多机器人系统和多智能体系统23

1.2.7 微纳机器人和微纳操作系统23

1.2.8 模块化及可重构机器人23

1.2.9 机器人化机器25

1.3 机器人分类25

1.3.1 机器人的代26

1.3.2 机器人的分类26

1.3.3 机器人的应用领域分类26

1.4 机器人学的技术及相关科学27

1.4.1 机器人的主要技术27

1.4.2 机器人的相关科学与学科知识构成27

1.4.3 机器人学的研究内容28

1.5 机器人技术展望28

1.5.1 国际先进机器人计划（IARP）28

1.5.2 中国的“863计划”28

1.5.3 机器人的最伟大成就及未来的前景29

1.5.4 机器人对人类的挑战30

1.5.5 机器人的研究拓展至哲学及社会学范畴30

1.6 本章小结32

第2章 机器人的组成原理及机构学基础33

2.1 机器人的组成原理33

2.1.1 机器人系统组成33

2.1.2 机器人本体33

2.1.3 机器人感知系统34

2.1.4 机器人控制系统35

2.1.5 机器人决策系统35

2.1.6 通信系统36

2.1.7 人机交互系统37

2.1.8 机器人的硬件系统结构37

2.1.9 机器人软件系统构成37

2.2 机器人系统的设计方法38

2.2.1 机器人系统设计的基本原则38

2.2.2 机器人系统设计的四个阶段38

2.2.3 机器人系统设计过程中问题的解决方法39

2.3 机器人机构学39

2.3.1 坐标系统39

2.3.2 操作机构类型40

2.3.3 移动机构类型41

2.4 运动副及自由度42

2.4.1 运动副及其分类42

2.4.2 运动副与关节机构43

2.4.3 关节及其分类43

2.4.4 与自由度的关系43

2.4.5 机器人运动副（关节）符号43

2.4.6 自由度45

2.4.7 机动度47

2.5 典型机构47

2.5.1 联轴器47

2.5.2 减速器49

2.5.3 旋转驱动机构50

2.5.4 直线驱动机构52

2.5.5 其他常用机构52

2.6 机器人的技术指标与性能评价57

2.6.1 指标体系与评价内容（机器人技术指标与性能评价）57

2.6.2 机器人对控制系统的基本要求59

2.7 本章小结59

第3章 机器人坐标系及坐标变换60

3.1 位置与姿态60

3.2 正交坐标系61

3.2.1 正交坐标系及矢量基础61

3.2.2 位置的描述63

3.2.3 姿态的描述63

3.3 运动坐标表示64

3.3.1 平动的坐标表示64

3.3.2 转动的坐标表示64

3.3.3 复合运动的坐标表示66

3.4 齐次坐标及其变换67

3.4.1 齐次坐标的定义和性质67

3.4.2 齐次变换和齐次矩阵68

3.4.3 齐次变换的性质70

3.5 机器人坐标系统72

3.5.1 机器人坐标系统的构成72

3.5.2 变换方程的建立73

3.6 本章小结73

习题74

第4章 机器人位置运动学76

4.1 机器人参数及其确定76

4.1.1 以回转副连接的两杆件的D-H参数的确定76

4.1.2 变换矩阵的确立78

4.1.3 以移动副连接的两杆件的D-H参数的确定78

4.2 机器人运动方程78

4.2.1 三种简化情况的齐次变换矩阵78

4.2.2 机器人运动方程的解80

4.3 从手部位姿到关节变量——运动学逆问题84

4.3.1 θ—r操作机的手臂解84

4.3.2 手部姿态角的确定85

4.3.3 6关节操作机的手臂解86

4.3.4 在求手臂解时出现的两个问题89

4.4 本章小结89

习题89

第5章 机器人速度运动学91

5.1 机器人的微分移动91

5.2 微分转动的两个定理91

5.3 微分算子93

5.4 雅可比矩阵及其变换94

5.4.1 雅可比矩阵94

5.4.2 θ—r操作机的雅可比矩阵及其逆矩阵95

5.4.3 雅可比矩阵的物理意义97

5.5 本章小结98

习题98

第6章 机器人动力学100

6.1 机器人动力学研究概述100

6.2 拉格朗日动力学方法101

6.2.1 用于保守系统的拉格朗日方程101

6.2.2 用于非保守系统的拉格朗日方程101

6.2.3 拉格朗日函数方法102

6.2.4 拉格朗日方程的特点102

6.3 θ—r操作机的动力学分析102

6.3.1 操作机的动力学模型102

6.3.2 建立拉格朗日函数103

6.3.3 广义力的计算104

6.3.4 应用实例分析105

6.4 倒立摆系统的动力学分析106

6.4.1 倒立摆系统及其基本假设106

6.4.2 用牛顿力学的方法来建立一级倒立摆系统的动力学模型107

6.4.3 用拉格朗日函数法建立动力学模型（Ⅰ）108

6.4.4 用拉格朗日函数法建立动力学模型（Ⅱ）110

6.4.5 三种动力学建模方法之比较111

6.5 本章小结112

习题112

第7章 机器人控制113

7.1 概述113

7.1.1 机器人控制系统构成113

7.1.2 工业机器人的典型控制方式115

7.1.3 机器人控制的特点115

7.1.4 主要控制策略116

7.2 伺服控制器119

7.2.1 单关节驱动系统传递函数120

7.2.2 单关节的建模与角度反馈比例控制122

7.3 示教再现与轨迹控制122

7.3.1 轨迹记录与再现122

7.3.2 笛卡儿运动与轨迹设计123

7.3.3 轨迹控制多项式125

7.3.4 笛卡儿控制128

7.4 机器人的力控制130

7.4.1 以位移控制为基础130

7.4.2 以广义力控制为基础130

7.4.3 位置和力的混合控制130

7.5 机器人的柔顺控制131

7.5.1 任务系和约束131

7.5.2 组合控制策略133

7.5.3 柔性（也称柔顺运动）机器人控制系统134

7.6 倒立摆控制系统（单足机器人系统）分析与设计136

7.6.1 问题概述136

7.6.2 车摆系统建模137

7.6.3 状态方程的建立138

7.6.4 系统分析138

7.6.5 最优控制器设计139

7.6.6 最优观测器设计140

7.7 擦地板机器人141

7.8 本章小结142

习题142

第8章 机器人轨迹规划及仿真143

8.1 机器人位姿的描述143

8.1.1 位置的描述143

8.1.2 方位的描述143

8.1.3 位姿的描述144

8.2 坐标变换144

8.2.1 平移变换144

8.2.2 旋转变换145

8.2.3 复合变换145

8.3 连杆参数和连杆坐标系统146

8.3.1 连杆描述146

8.3.2 连杆连接的描述147

8.3.3 连杆坐标系的规定147

8.3.4 建立连杆坐标系的步骤148

8.3.5 连杆参数的总结148

8.4 连杆变换148

8.5 机器人操作臂运动学方程149

8.6 运动学方程反解的讨论152

8.6.1 解的存在性和工作空间152

8.6.2 反解的唯一性和最优解153

8.7 几种机器人空间的关系153

8.8 机器人运动学中的速度分析153

8.9 机器人的MATLAB仿真154

8.9.1 MATLAB环境的机器人仿真工具154

8.9.2 构建机器人对象158

8.9.3 运动学仿真160

8.10 本章小结160

习题161

第9章 机器人运动学仿真实例162

9.1 关节空间的轨迹规划163

9.1.1 三次多项式插值163

9.1.2 五次多项式插值171

9.1.3 三次多项式五次多项式轨迹规划对比180

9.2 直角坐标空间的轨迹规划180

9.2.1 直线插补算法181

9.2.2 圆弧插补算法182

9.3 B样条曲线187

9.3.1 四阶三次均匀B样条函数的推导方法187

9.3.2 四阶三次B样条曲线的性质188

9.3.3 控制点的求法189

9.3.4 边界条件190

9.4 机器臂轨迹规划仿真192

9.4.1 机器臂在笛卡儿空间做直线运动仿真192

9.4.2 机器臂在笛卡儿空间做圆弧运动仿真192

9.4.3 机器臂在笛卡儿空间做三次B样条运动仿真193

9.5 本章小结194

第10章 双机器人协调仿真实例195

10.1 双机器人协调作业的分析195

10.2 插值算法195

10.2.1 笛卡儿路径轨迹规划196

10.2.2 线性函数插值196

10.2.3 空间圆弧插补算法198

10.3 建立puma560机器人模型202

10.4 puma560运动学仿真204

10.5 双机器人协调仿真204

10.5.1 空间直线运动204

10.5.2 平面圆弧运动205

10.5.3 空间圆弧运动207

10.5.4 正弦曲线207

10.5.5 抛物线207

10.6 双机器人的工作空间208

10.7 双机器人的分层控制209

10.7.1 关节控制级210

10.7.2 本体控制级210

10.7.3 对象控制级211

10.7.4 任务控制级211

10.8 双机器人关节最优轨迹规划212

10.8.1 问题建模及任务描述212

10.8.2 最优时间关节加速度212

10.8.3 机器人协作最优时间轨迹213

10.8.4 双臂机器人仿真实验214

10.9 本章小结216

附录A 有关机器人的主要技术期刊及著名国际会议217

附录B 操作机器人219

B.1 操作机器人直线运动程序219

B.2 操作机器人圆弧运动程序220

B.3 操作机器人三次B样条运动程序222

参考文献224