机器人学导论（原书第4版）

本书系统讲解了机器人学的理论知识，主要内容包括：空间位姿的描述和变换、操作臂的正运动学和逆运动学、操作臂的雅可比、操作臂动力学、轨迹规划、操作臂的机构设计、操作臂的线性和非线性控制、操作臂的力控制、机器人编程语言和离线编程。此外，各章末包括不同难度的习题、编程练习和MATLAB练习。本书可作为高等院校相关专业的教材和参考书，也可供相关技术人员参考。

第1章 概述 1 1.1 背景 1 1.2 操作臂的力学与控制 3 1.3 符号 10 参考文献 10 习题 11 编程练习 12 MATLAB练习 12 第2章 空间描述和变换 13 2.1 引言 13 2.2 描述：位置、姿态与位姿 13 2.3 映射：从一个坐标系到另一坐标系的变换 15 2.4 算子：平移、旋转和变换 20 2.5 总结和说明 23 2.6 变换的计算 23 2.7 变换方程 25 2.8 其他姿态描述 27 2.9 自由矢量的变换 35 2.10 计算问题 36 参考文献 37 习题 38 编程练习 42 MATLAB练习 43 第3章 操作臂运动学 44 3.1 引言 44 3.2 连杆的描述 44 3.3 连杆连接的描述 46 3.4 连杆坐标系的定义 47 3.5 操作臂运动学 52 3.6 驱动器空间、关节空间和笛卡儿空间 54 3.7 实例：两种工业机器人的运动学问题 54 3.8 坐标系的标准命名 61 3.9 工具的位置 63 3.10 计算问题 63 参考文献 64 习题 64 编程练习 69 MATLAB练习 70 第4章 操作臂逆运动学 71 4.1 引言 71 4.2 解的存在性 71 4.3 当n＜6时操作臂子空间的描述 74 4.4 代数解法和几何解法 75 4.5 简化成多项式的代数解法 78 4.6 三轴相交的Pieper解法 79 4.7 操作臂逆运动学实例 81 4.8 标准坐标系 87 4.9 操作臂求解 88 4.10 重复精度和精度 88 4.11 计算问题 89 参考文献 89 习题 90 编程练习 93 MATLAB练习 94 第5章 雅可比：速度和静力 95 5.1 引言 95 5.2 时变位置和姿态的符号表示 95 5.3 刚体的线速度和角速度 97 5.4 对角速度的进一步研究 98 5.5 机器人连杆的运动 101 5.6 连杆之间的速度“传递” 101 5.7 雅可比 105 5.8 奇异性 106 5.9 操作臂的静力 108 5.10 力域中的雅可比 110 5.11 速度和静力的笛卡儿变换 111 参考文献 112 习题 112 编程练习 115 MATLAB练习 115 第6章 操作臂动力学 117 6.1 引言 117 6.2 刚体的加速度 117 6.3 质量分布 118 6.4 牛顿方程和欧拉方程 121 6.5 牛顿-欧拉递推动力学方程 122 6.6 迭代形式与封闭形式 125 6.7 封闭形式的动力学方程应用举例 125 6.8 操作臂动力学方程的结构 128 6.9 操作臂动力学的拉格朗日方程 129 6.10 笛卡儿空间中的操作臂动力学 132 6.11 考虑非刚体影响 134 6.12 动力学仿真 134 6.13 计算问题 135 参考文献 137 习题 138 编程练习 141 MATLAB练习 142 第7章 轨迹生成 144 7.1 引言 144 7.2 关于路径描述和路径生成的综述 144 7.3 关节空间的规划方法 145 7.4 笛卡儿空间规划方法 155 7.5 笛卡儿路径的几何问题 157 7.6 路径的实时生成 158 7.7 使用机器人编程语言描述路径 160 7.8 使用动力学模型的路径规划 160 7.9 无碰撞路径规划 160 参考文献 161 习题 162 编程练习 163 MATLAB练习 164 第8章 操作臂的机构设计 165 8.1 引言 165 8.2 基于任务需求的设计 165 8.3 运动学构型 167 8.4 工作空间属性的定量方法 172 8.5 冗余结构与闭链结构 174 8.6 驱动方案 175 8.7 刚度与变形 177 8.8 位置检测 180 8.9 光学编码器 181 8.10 力传感 183 参考文献 185 习题 186 编程练习 190 MATLAB练习 190 第9章 操作臂的线性控制 192 9.1 引言 192 9.2 反馈与闭环控制 192 9.3 二阶线性系统 193 9.4 二阶系统的控制 198 9.5 控制规律的分解 199 9.6 轨迹跟踪控制 200 9.7 抑制干扰 201 9.8 连续控制与离散时间控制 202 9.9 单关节的建模和控制 203 9.10 工业机器人控制器的结构 207 参考文献 208 习题 208 编程练习 210 MATLAB练习 210 第10章 操作臂的非线性控制 212 10.1 引言 212 10.2 非线性系统和时变系统 212 10.3 多输入多输出控制系统 214 10.4 操作臂的控制问题 215 10.5 实际问题 216 10.6 当前工业机器人控制系统 219 10.7 李雅普诺夫稳定性分析 221 10.8 基于笛卡儿坐标的控制系统 223 10.9 自适应控制 227 参考文献 232 习题 234 编程练习 236 第11章 操作臂的力控制 237 11.1 引言 237 11.2 工业机器人在装配作业中的应用 237 11.3 部分约束任务中的控制坐标系 237 11.4 力/位混合控制问题 241 11.5 质量-弹簧系统的力控制 242 11.6 力/位混合控制方法 244 11.7 当前工业机器人控制方法 247 参考文献 249 习题 249 编程练习 251 第12章 机器人编程语言及编程系统 253 12.1 引言 253 12.2 可编程机器人的三个发展水平 253 12.3 应用实例 255 12.4 机器人编程语言的必要条件 256 12.5 机器人编程语言的特殊问题 259 参考文献 261 习题 261 编程练习 262 第13章 离线编程系统 263 13.1 引言 263 13.2 离线编程系统的要点 264 13.3 PILOT仿真器 268 13.4 离线编程系统的自动子 274 任务 274 参考文献 275 习题 276 编程练习 276 附录A 三角恒等式 277 附录B 24种转角排列设定法 278 附录C 逆运动学公式 280 部分习题答案 281 索引 287

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