《機器人建模與控制仿真(微課視頻版)》在介紹機器人發(fā)展、系統(tǒng)組成和分類、機器人坐標系、運動學建模方法及動力學建模方法的基礎上,著重介紹各種不同類型機器人的模型特性、建模方法、控制器設計及仿真平臺與環(huán)境。全書共9章,內容涉及機器人的研究現狀和發(fā)展趨勢、機器人運動學、機器人動力學建模方法、氣動肌肉機器人、AGV智能搬運機器人、四旋翼飛行機器人、足式移動機器人、工業(yè)機器人建模與仿真、工業(yè)機器人本體校準技術、機器人仿真平臺ADAMS簡介和Webots仿真環(huán)境介紹等。 《機器人建模與控制仿真(微課視頻版)》注重理論與應用的結合,通過多種類型機器人專題的介紹,力求使讀者盡快掌握機器人技術及先進控制器的設計和分析方法,了解機器人技術的主要研究方向。本書的突出特色是工業(yè)機器人、仿生機器人、飛行機器人等的運動學和動力學建模、運動軌跡控制及其相應的仿真一體化呈現,都是真實案例,可以直接導入個人計算機運行調試。同時本書配套微課視頻、教學課件(PPT)、程序代碼、習題答案、教學大綱、教學日歷等資源,便于讀者學習和教師教學。 《機器人建模與控制仿真(微課視頻版)》可作為自動化、電氣工程及其自動化、機械工程、電子信息工程等專業(yè)的本科生和研究生教材,也適合從事機器人研究、開發(fā)和應用的有關科技人員學習參考。
機器人既是目前的技術研究熱點,也是工科類高校教育教學的重點內容。機器人研究涉及交叉學科,且運動學和動力學建模理論性強、運動控制難度大,相關仿真平臺多且雜。在總結教學團隊豐富教學經驗的基礎上,從機器人的運動仿真角度出發(fā),闡述工業(yè)、服務、仿生等多種類型機器人的運動學和動力學建模基本概念、運動控制算法和控制器設計方法。通過典型的機器人建模、控制、仿真一體化案例分析和真實的案例加深學生的理解。
本書力爭從科學前沿的高度,培養(yǎng)邏輯思維和創(chuàng)新思維能力,提高分析、解決實際機器人工程問題的能力。
? 易教易學 運動學和動力學建模、運動軌跡控制及其相應的仿真一體化呈現,都是真實案例,可以直接導入個人計算機運行調試。
? 科教融合 通過將作者科研項目成果中的機器人建模與仿真內容,用通俗易懂的語言描述,實現了科研成果向教學成果的轉化,科研促進教學。
? 能力提升 通過對建模方法的講解和仿真實驗解析,加深讀者對相關理論的理解,并有效地提高讀者機器人建模與仿真能力。
? 技術前沿 介紹機器人研究中近些年的進展,激發(fā)學習興趣,啟迪創(chuàng)新思想。
? 觸類旁通 本書所提供的建模與仿真方法、經驗技巧,也可為讀者在其他控制系統(tǒng)建模與仿真領域提供借鑒。
隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展,機器人在功能和技術上都有了很大的提高。機器人應用已在工業(yè)檢測、航空航天、環(huán)境探測、軍事偵察、公安防暴等領域受到了廣泛的重視,并取得了眾多成就。當前,在控制科學與工程、人工智能、仿生學等新興學科的推動下,機器人正在向著更高、更深層次發(fā)展。
機器人建模與仿真是針對性和實踐性很強,同時需要堅實的理論基礎的學科。本書緊扣讀者需求,采用循序漸進的敘述方式,深入淺出地論述了機器人系統(tǒng)的分類、組成、運動學建模方法、動力學建模方法以及不同類型機器人系統(tǒng)的特性及建模方法,仿真應用實例、控制解決方案,詳細介紹了工業(yè)機器人本體校準技術、機器人仿真平臺ADAMS簡介和Webots仿真環(huán)境介紹等相關技術及其發(fā)展前沿; 此外,本書還分享了大量的程序代碼并附有詳細的注解,錄制了微課視頻,有助于讀者加深對機器人建模與仿真相關原理的理解和快速入門。
本書根據編者多年從事機器人建模方法教學、科研的經驗,詳細介紹了氣動肌肉機器人、AGV智能搬運機器人、四旋翼飛行機器人、足式移動機器人、工業(yè)機器人等建模方法和仿真實驗。
本書特色
運動學和動力學建模、運動軌跡控制及其相應的仿真一體化呈現,基于真實案例,可以直接導入個人計算機運行調試,使讀者體會到學以致用和從實踐中學習的樂趣。
通過對建模方法的講解和仿真實驗解析,不但可以加深讀者對相關理論的理解,而且可以有效地提高讀者的機器人建模與仿真能力。
本書所提供的建模與仿真方法、經驗技巧可為讀者在其他控制系統(tǒng)建模與仿真領域提供借鑒。
配套資源
教學課件(PPT)、程序代碼、習題答案、教學大綱、教學日歷等,可以掃描下方二維碼下載,也可以到清華大學出版社網站本書頁面下載。
配套資源
微課視頻(20集,共84分鐘),可掃描本書各章節(jié)中對應位置的二維碼觀看。
致謝
感謝崔小紅對本書撰寫工作做出的極大貢獻,她在資料整理與文字編排上注入了極大精力,并且編寫和校對了本書中所有的程序示例代碼。如果沒有她的全心投入,本書將很難順利完成。感謝王凌對機器人校準部分做出的貢獻,這部分是本書內容中與中國計量大學學科特色緊密結合的部分。感謝金英連、王麗娜、秦菲菲、周坤、馬小龍等對本書中的插圖和文字進行的精心編輯和修改,使得本書的內容更加清晰形象、概念的解釋更加具體明確。感謝研究團隊中的碩士研究生任杰、王濤、王帥、葉可、薛晶勇、錢豐、王悠草等在本書編寫過程中提供的支持和幫助。
感謝浙江省高等教育學會課題(KT2022123)、浙江省普通本科高校十四五教學改革項目(jg20220265)和研究生課程建設項目(2020YJSKC18)的立項資助。
限于編著者的水平和經驗,加之時間比較倉促,疏漏或者錯誤之處在所難免,敬請讀者批評指正,聯(lián)系郵箱見配套資源。
王斌銳
2023年1月
第1章緒論
1.1機器人發(fā)展史
1.1.1機器人的由來與定義
1.1.2機器人的發(fā)展
1.1.3現代機器人大事件的簡介
1.2機器人系統(tǒng)的組成和分類
1.2.1機器人的組成部件
1.2.2機器人的分類
1.3機器人的系統(tǒng)建模與仿真
習題
第2章系統(tǒng)建模方法
2.1機器人坐標系
2.1.1剛體的位姿描述
2.1.2坐標變換
2.1.3齊次坐標變換
2.1.4齊次變換矩陣的逆
2.1.5運動算子
2.2運動學建模方法
2.2.1連桿描述和關節(jié)變量
2.2.2DH坐標系建模
2.2.3機械臂正運動學
2.2.4機械臂逆運動學
2.3動力學建模方法
2.3.1牛頓歐拉法建立機器人動力學方程
2.3.2拉格朗日法建立機器人動力學方程
2.3.3機器人動力學建模舉例
習題
第3章氣動肌肉機器人
3.1氣動肌肉模型特性
3.2氣動肌肉機械腿
3.2.1氣動肌肉機械腿平臺
3.2.2氣動肌肉機械腿建模
3.2.3自適應反步算法仿真
3.3氣動肌肉仿人手臂
3.3.1仿人肘關節(jié)建模
3.3.2基于干擾觀測器的滑?刂品抡
3.3.3不同控制算法的正弦跟蹤響應
習題
第4章AGV智能搬運機器人
4.1差速AGV系統(tǒng)
4.1.1AGV分類
4.1.2AGV導引方式
4.1.3AGV系統(tǒng)構成
4.2AGV運動學建模
4.3模糊控制器設計
4.4AGV系統(tǒng)仿真
4.4.1模糊控制器仿真
4.4.2Simulink模型搭建
4.4.3仿真結果及分析
習題
第5章四旋翼飛行機器人
5.1四旋翼飛行器動力學建模
5.1.1坐標系設定
5.1.2剛體動力學模型
5.2抗干擾反步滑模控制器設計
5.2.1滑模變結構控制
5.2.2指數型時變趨近律設計
5.2.3指數型時變增益趨近反步滑?刂
5.3抗干擾反步滑?刂品抡娣治
習題
第6章足式移動機器人
6.1足式移動機器人機構建模
6.1.1正運動學建模
6.1.2逆運動學建模
6.2步態(tài)穩(wěn)定性分析
6.2.1三支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.2四支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.3五支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.4不同步態(tài)下穩(wěn)定裕度的比較
6.3行走控制仿真
習題
第7章工業(yè)機器人建模與仿真
7.1工業(yè)機器人建模和分析
7.1.1機器人運動學分析與建模
7.1.2動力學分析及建模
7.1.3機器人虛擬樣機建模
7.1.4ADAMS和Simulink聯(lián)合仿真方案設計
7.2控制系統(tǒng)建模
7.2.1主動柔順控制算法
7.2.2控制策略分析
7.3主動柔順控制仿真
習題
第8章工業(yè)機器人本體校準技術
8.16自由度工業(yè)機器人本體校準概述
8.2工業(yè)機器人本體校準數學建模和編程
8.3工業(yè)機器人本體校準測量設備簡介
8.4工業(yè)機器人本體校準仿真分析
習題
第9章機器人仿真平臺
9.1ADAMS簡介
9.1.1ADAMS界面簡介
9.1.2設計基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真
9.2Webots仿真環(huán)境介紹
9.2.1Webots平臺簡介
9.2.2Webots界面介紹
9.2.3建立簡單模型
9.2.4建立并聯(lián)機器人樣機
習題
參考文獻