本書主要結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的諸多理論及應(yīng)用技術(shù)等，對(duì)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了較為全面的導(dǎo)引性描述，并輔以教學(xué)課件供教師教學(xué)參考和學(xué)生自學(xué)。
當(dāng)前,我國正在大力推進(jìn)中國制造2025，以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。智能 制造是中國制造2025的五大工程之一，被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。智能制造包括智能裝備、智能工廠、智能產(chǎn)品、智能物流和智能服務(wù)，進(jìn)而支撐智能決策。智能制造融合了信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、通信技術(shù)的最新發(fā)展，并開始融入人工智能技術(shù)，涉及工業(yè)軟件、物聯(lián)網(wǎng)、增材制造、工業(yè)機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)安全等諸多使能技術(shù)。這將是一種嶄新的生產(chǎn)方式。
機(jī)器人作為中國制造2025十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一以及核心的智能裝備，對(duì)于改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，重振中國制造業(yè)，復(fù)蘇國民經(jīng)濟(jì)等都具有十分重要的作用。
據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，到2025年，我國高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人領(lǐng)域人才缺口將有450多萬。而目前機(jī)器人的技術(shù)和人才短缺現(xiàn)狀，使得對(duì)機(jī)器人技術(shù)的迫切需要與國內(nèi)機(jī)器人人才隊(duì)伍短缺的態(tài)勢(shì)形成一種捉襟見肘的窘迫局面。為了更好地滿足國內(nèi)對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才隊(duì)伍培養(yǎng)的需要，故編制了本書。
編者對(duì)本科生、研究生講授機(jī)器人學(xué)課程已經(jīng)近20年，本書是在編者多年從事機(jī)器人教學(xué)中所使用的自編教材的基礎(chǔ)上，并結(jié)合、參考其他各種機(jī)器人教材，加上自己的一些理解與體會(huì)所完成的。其目的是讓讀者能夠準(zhǔn)確地把握機(jī)器人相關(guān)理論與技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)、研究及編程等打下扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。本書共分9章，其中:
第1章緒論，簡要敘述了機(jī)器人的發(fā)展過程、現(xiàn)狀與未來,對(duì)機(jī)器人的一些基本概念及所要研究的主要內(nèi)容等進(jìn)行了介紹。
第2章機(jī)器人基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析，介紹了一些必備的基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)等。通過對(duì)它們進(jìn)行引導(dǎo)性描述，為本書的后續(xù)介紹與分析提供了標(biāo)準(zhǔn)概念與相應(yīng)的分析工具。
第3章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，應(yīng)用Denavit -Hatenberg方法(簡稱D-H方法)論述了 機(jī)械手構(gòu)件坐標(biāo)系的建立方法，并對(duì)機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題進(jìn)行了分析。
第4章微分運(yùn)動(dòng)和速度，主要探討了一般構(gòu)件坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人關(guān)節(jié)的構(gòu)件坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)，雅可比矩陣以及機(jī)器人速度關(guān)系等問題的分析方法。
第5章運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，主要討論了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的生成方法，以求用某種比較簡單的多項(xiàng)式插補(bǔ)來逼近所期望的路徑，成一系列時(shí)基控制設(shè)定點(diǎn),以控制機(jī)器人按照要求的路徑與速度進(jìn)行工作。
第6章機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析,主要介紹了拉格朗日力學(xué)方法在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問題上的應(yīng)用，包括動(dòng)力學(xué)方程、簡化思路及其推導(dǎo)方法等，以助于幫助深入理解被控機(jī)器人系統(tǒng)。
第7章機(jī)器人控制，介紹了機(jī)器人控制的基本概念、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成、機(jī)器人的常用控制方法、典型的位置控制及力控制以及在機(jī)器人中的應(yīng)用等。
第8章智能機(jī)器人，將人工智能(Artificial Intelligence, AI)與機(jī)器人的結(jié)合應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，特別對(duì)智能機(jī)器人的相關(guān)概念、系統(tǒng)的組成、基本特征、其控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)、相關(guān)智能控制理論內(nèi)容以及典型案例等進(jìn)行了描述。
第9章機(jī)器人常用器件,對(duì)機(jī)器人常用的一些新型的驅(qū)動(dòng)器和傳感器作了簡單介紹。
本書的特點(diǎn)是: 對(duì)內(nèi)容編排本著循序漸進(jìn)的原則，深入淺出。全書既有機(jī)器人較為詳細(xì)的專業(yè)概念，又有學(xué)習(xí)本書所需的一些基礎(chǔ)知識(shí)，以利于具有不同學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)生快速上手：在理論分析上盡可能保留推導(dǎo)過程，并輔以例題,以便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解；在對(duì)參考資料進(jìn)行學(xué)習(xí)整理過程中，一方面忠實(shí)原書內(nèi)容， 另一方面也充實(shí)一些自己的理解與體會(huì)，在對(duì)理論進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，注意結(jié)合一些應(yīng)用實(shí)例；最后對(duì)機(jī)器人常用的新型的器件性能特點(diǎn)及其選用原則等，也突出重點(diǎn)地進(jìn)行了介紹。
本書既可以作為從事機(jī)器人、機(jī)械手研究或應(yīng)用的各類高等院校相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材，也可以作為現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員等的理論與技術(shù)指導(dǎo)參考書。
在作為教材使用時(shí)，所講授的內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生對(duì)象的不同有所側(cè)重或刪減。
在本書的編撰過程中，得到了我2013、2014、2015各級(jí)研究生的鼎力相助。本科生鄭天明、孫志鵬也給予了很大幫助,他們?yōu)楸緯牟牧鲜占�、文字錄入、圖 形與表格繪制等作了大量認(rèn)真、細(xì)致的工作，在此特對(duì)他們深表感謝！機(jī)器人研究涉及眾多的學(xué)科與知識(shí)，本書內(nèi)容掛一漏萬的情形難免發(fā)生。希望讀者在學(xué)習(xí)過程中注意參考其他一些機(jī)器人方面的資料，相互印證，相互補(bǔ)充，以利提高。
因?yàn)樽髡咚接邢�，無法全面、完整地介紹機(jī)器人各方面的知識(shí)，在編撰過程中也難免出現(xiàn)各種各樣的錯(cuò)誤，期望廣大讀者給予充分的理解和幫助，能夠?qū)⒏鞣N意見與建議發(fā)送到郵箱fanbh58@163.com,以便于以后對(duì)本書的修正與勘誤。 對(duì)此我們將深表感謝!
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(huì)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(dòng)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(hào)表示
47
2.3.3
角度計(jì)算的處理方法
52
習(xí)題二53
第3章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)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(dòng)學(xué)正解 94
3.8.3
一種助老助殘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解
96
3.9
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解
99
習(xí)題三 104
第4章 微分運(yùn)動(dòng)和速度 107
4.1
微分運(yùn)動(dòng)的意義 107
4.2
變換的微分 108
4.3
坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)
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(dòng) 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(dòng)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(xiàng)式插值148
5.2.2
包括途經(jīng)點(diǎn)的3次多項(xiàng)式插值 150
5.2.3
高次多項(xiàng)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(shí)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(dòng)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(dòng)力學(xué)普遍方程 180
6.2.2
拉格朗日方程 181
6.3
一個(gè)簡單的例子 184
6.4
機(jī)器人動(dòng)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(dòng) 能 189
6.4.3
勢(shì) 能 190
6.4.4
拉格朗日算子 190
6.4.5
動(dòng)力學(xué)方程 191
6.4.6
動(dòng)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(shí) 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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的比較 264
9.1.5
液壓驅(qū)動(dòng)器 265
9.1.6
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)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
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