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基础篇3

第1章　绪论3

1.1　机器人的基本概念与发展历程3

1.2　机器人学的研究领域5

1.3　机器人的特点与基本结构7

1.4　机器人控制的基本方法8

1.4.1　根据控制量分类9

1.4.2　根据控制算法分类11

1.5　本领域的重要学术期刊与会议简介16

参考文献17

习题19

第2章　机器人运动学20

2.1　位置与姿态的表示20

2.1.1　位置描述20

2.1.2　姿态描述23

2.1.3　位姿描述27

2.2　坐标变换28

2.2.1　坐标变换28

2.2.2　齐次坐标变换30

2.3　通用旋转变换34

2.3.1　通用旋转变换34

2.3.2　通用旋转变换的转轴与转角求取36

2.4　连杆变换矩阵39

2.4.1　关节与连杆39

2.4.2　连杆坐标系40

2.4.3　连杆变换矩阵43

2.5　机器人正向运动学46

2.5.1　PUMA　560　机器人的正向运动学46

2.5.2　MOTOMAN　K10　机器人的正向运动学51

2.5.3　移动机器人的运动学与推算定位法56

2.6　机器人逆向运动学61

2.6.1　解析法62

2.6.2　投影法与解析法相结合68

2.7　机器人的微分运动72

2.7.1　微分变换72

2.7.2　雅可比矩阵79

2.7.3　雅可比矩阵的求取实例81

本章小结83

参考文献84

习题85

第3章 机器人的运动规划90

3.1　工业机器人的运动90

3.1.1　点到点运动90

3.1.2　轨迹跟踪运动91

3.2　工业机器人的关节空间运动规划91

3.2.1　关节空间运动规划91

3.2.2　3次多项式插值92

3.2.3　过路径点的3次多项式插值93

3.2.4　高阶多项式插值96

3.2.5　用抛物线过渡的线性插值97

3.2.6　过路径点的抛物线过渡线性插值99

3.2.7　B样条插值102

3.3　工业机器人的笛卡儿空间运动规划107

3.3.1 位置规划108

3.3.2　姿态规划110

3.4　移动机器人路径规划111

3.4.1　基于栅格的方法112

3.4.2　基于行为的方法115

本章小结122

参考文献122

习题124

第4章　机器人动力学分析126

4.1　拉格朗日—欧拉法126

4.1.1　机器人的连杆速度130

4.1.2　机器人的动能132

4.1.3　机器人的势能134

4.1.4　机器人的动力学方程134

4.1.5　两自由度机器人的动力学方程实例136

4.2　牛顿—欧拉法139

4.2.1　转动坐标系和平移坐标系139

4.2.2　杆件的运动学141

4.2.3　机器人的递归动力学方程143

4.2.4　两自由度机器人的动力学方程实例146

本章小结150

参考文献150

习题151

控制结构篇155

第5章　机器人传感器155

5.1　位置传感器155

5.1.1　电阻式电位器155

5.1.2　编码器157

5.1.3　线性可变差接变压器160

5.1.4　基于磁效应的位移传感器161

5.1.5　微动开关161

5.2　速度与加速度传感器161

5.2.1　测速发电机162

5.2.2　基于编码器的速度测量162

5.2.3　基于多普勒效应的测速系统163

5.2.4　加速度传感器163

5.3　陀螺164

5.3.1　机械陀螺164

5.3.2　压电陀螺166

5.3.3 光学陀螺166

5.3.4　微机械电子陀螺169

5.4　力和力矩传感器170

5.4.1　通过电机电流检测力170

5.4.2　力敏电阻171

5.4.3　压电式力传感器171

5.4.4　应变片172

5.4.5　三维力和力矩传感器172

5.5　接近传感器173

5.6　地磁场传感器174

5.6.1　机械式方向磁罗盘174

5.6.2　磁通门式罗盘175

5.6.3　霍尔效应式罗盘175

5.6.4　磁阻式罗盘177

5.7　距离传感器178

5.7.1　渡越时间测量距离方法178

5.7.2　三角测量方法181

5.7.3　基于结构光的距离测量方法181

5.8　视觉传感器182

5.8.1　光导管摄像机182

5.8.2　数码摄像机183

5.9　接触和触觉传感器185

5.9.1　接触传感器185

5.9.2　压阻式触觉传感器186

5.9.3　电容式触觉传感器186

本章小结188

参考文献188

习题189

第6章 机器人的位置控制190

6.1　工业机器人的关节空间位置控制190

6.1.1　单关节位置控制190

6.1.2　多关节位置控制197

6.1.3　关节位置控制实例198

6.2　工业机器人的笛卡儿空间位置控制200

6.2.1　笛卡儿空间位置控制器200

6.2.2　控制系统软件201

6.2.3　笛卡儿位置控制实验结果203

6.3　基于网络的机器人实时位置控制204

6.3.1　多层次结构的实时控制系统框架204

6.3.2　单机实时控制系统硬件构成205

6.3.3　控制系统软件206

6.3.4　实验结果207

6.4　机器人的位置控制实例209

6.4.1　掩模传输系统简介209

6.4.2　掩模传输机器人的结构210

6.4.3　掩模传输机器人的控制系统211

6.4.4　传输与对准控制214

6.4.5　实验与结果219

6.5　移动机器人的位置控制223

6.5.1　基于行为的移动机器人位置控制223

6.5.2 基于行为的位置控制性能224

6.5.3　实验与结果227

本章小结229

参考文献230

习题231

第7章　机器人的力控制232

7.1　刚度与柔顺232

7.1.1　机器人的刚度232

7.1.2　机器人的柔顺233

7.2　工业机器人的笛卡儿空间静力与关节空间静力的转换235

7.2.1　不同坐标系间的静力变换235

7.2.2　笛卡儿空间与关节空间的静力变换236

7.2.3　主动刚性控制239

7.3　阻抗控制主动柔顺239

7.3.1　力反馈型阻抗控制240

7.3.2　位置型阻抗控制241

7.3.3　柔顺型阻抗控制243

7.4　力和位置混合控制245

7.4.1　R-C力和位置混合控制245

7.4.2　改进的R-C力和位置混合控制247

本章小结248

参考文献249

习题250

先进控制篇253

第8章　机器人传感器信息融合253

8.1　多传感器信息融合的主要方法253

8.2　移动机器人的多传感器信息融合255

8.3　基于多超声传感器的移动机器人信息融合259

8.3.1　D-S证据基本理论259

8.3.2　基于多超声传感器的环境描述260

8.4　基于CCD与多超声传感器的信息融合264

8.4.1 利用CCD摄像机获取物体边缘信息264

8.4.2　利用超声传感器阵列探测物体边缘268

8.4.3　CCD与超声阵列信息融合271

8.4.4　实验研究273

本章小结279

参考文献279

习题282

第9章 机器人的视觉测量与控制283

9.1　机器人视觉系统类型283

9.1.1　根据控制模型进行分类283

9.1.2　根据摄像机与机器人的相互位置分类284

9.1.3　根据摄像机数目分类285

9.1.4　根据是否自然测量进行分类285

9.2　结构光立体视觉测量286

9.2.1　结构光立体视觉测量原理286

9.2.2　结构光双目视觉定位287

9.2.3　实验与结果290

9.3　基于矩形目标约束的视觉测量293

9.4　基于位置的机器人视觉控制294

9.4.1　利用视觉进行位置给定的控制294

9.4.2　基于位置的机器人视觉伺服控制295

9.5　基于图像的视觉伺服控制296

9.5.1　利用图像特征生成给定的控制296

9.5.2　基于图像的机器人视觉伺服控制298

9.6　基于结构光的机器人弧焊混合视觉伺服控制301

9.6.1 图像空间到机器人末端笛卡儿空间的雅可比矩阵301

9.6.2　混合视觉伺服控制304

9.6.3　实验与结果305

9.7　无标定摄像机的立体视觉伺服控制306

9.7.1 基本原理306

9.7.2　立体视觉伺服控制307

9.7.3　实验与结果310

9.8　具有焊缝识别与跟踪功能的弧焊机器人系统312

9.8.1　开放式控制平台框架313

9.8.2　弧焊机器人系统构成314

9.8.3　系统工作原理316

9.8.4　实验与结果321

9.9　具有视觉和听觉功能的机器人头部系统321

9.9.1　系统体系结构321

9.9.2　视觉系统322

9.9.3　语音控制325

9.9.4　机器人的操作任务326

9.9.5　网络通信模块329

9.9.6　实验与结果330

本章小结333

参考文献333

习题336

第10章 多机器人协调与控制337

10.1 概述337

10.2　多机器人系统研究内容344

10.3　机器人环境信息及其群体行为的研究348

10.3.1　多机器人系统研究模型348

10.3.2　机器人子群链型排列的实现351

10.4　多机器人系统基于搜集的任务分配354

10.4.1　多机器人任务分配354

10.4.2　多机器人搜集任务分配算法357

10.5　多机器人系统围捕作业364

10.5.1　机器人策略设计365

10.5.2　evader策略设计367

10.5.3　仿真实验368

本章小结372

参考文献372

习题375

第11章　移动机器人定位与导航376

11.1　定位与导航方法376

11.2　移动机器人CASIA-I380

11.2.1　移动机器人CASIA-I的体系结构380

11.2.2　移动机器人CASIA-I的硬件系统383

11.2.3　移动机器人CASIA-I的软件系统386

11.3　移动机器人CASIA-I的运动学分析与控制387

11.3.1　移动机器人运动学分析387

11.3.2　移动机器人运动控制392

11.4　移动机器人的定位397

11.4.1　基于光电码盘的移动机器人定位397

11.4.2　基于光电码盘和CCD的移动机器人定位404

11.5　基于门牌路标的移动机器人导航408

11.5.1　移动机器人CASIA-I导航409

11.5.2　导航实验421

本章小结422

参考文献423

习题429

第12章　机器人先进控制方法430

12.1 滑模变结构控制在机器人中的应用430

12.1.1　滑模变结构控制原理430

12.1.2　机器人滑模变结构控制432

12.1.3　仿真结果433

12.2　机器人预测控制437

12.2.1　机器人动力学模型437

12.2.2　预测控制原理437

12.2.3　机器人预测控制440

12.2.4　仿真结果441

12.3　模型参考自适应控制在机器人中的应用444

12.3.1　模型参考自适应控制算法444

12.3.2　基于机器人模型的推导445

12.3.3　仿真研究446

12.4　模糊控制在机器人中的应用447

12.4.1　模糊逻辑447

12.4.2　两关节机械手模糊控制器设计448

12.4.3　仿真结果450

12.5　神经网络方法在机器人控制中的应用451

12.5.1　前向多层神经网络451

12.5.2　基于神经网络的机器人控制452

本章小结455

参考文献456

习题459