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机器人工程导论 
定 价：48 元 丛书名：普通高校“十三五”规划教材
9 7 4 8 2 7 6 5 6 1 9 2 6  机器人工程导论 本书主要结合工业机器人的诸多分析理论及应用技术等，对机器人的相关基础知识、机械结构设计特点、运动学、运动轨迹规划、动力学、控制及其常用元器件等各个方面进行了较为全面的导引性描述。在本书的编撰过程中，尽量兼顾了来自不同专业或层面、具有不同基础知识结构的学生的需要。 本书既可以作为从事机器人、机械手研究或应用的各类高等院校相关专业本科生、研究生的教材，也可以作为现场工程技术人员等的理论与技术指导参考书。 机器人工程导论 本书主要结合工业机器人的诸多理论及应用技术等，对机器人的相关知识点进行了较为全面的导引性描述，并辅以教学课件供教师教学参考和学生自学。 当前,我国正在大力推进“中国制造2025”，以实现制造业的转型升级。智能 制造是“中国制造2025”的五大工程之一，被列入战略性新兴产业。智能制造包括智能装备、智能工厂、智能产品、智能物流和智能服务，进而支撑智能决策。智能制造融合了信息技术、自动化技术、先进制造技术、通信技术的最新发展，并开始融入人工智能技术，涉及工业软件、物联网、增材制造、工业机器人、虚拟现实、增强现实、数据采集、工业安全等诸多使能技术。这将是一种崭新的生产方式。 机器人作为“中国制造2025”十大重点发展领域之一以及核心的智能装备，对于改变人类的生产和生活方式，重振中国制造业，复苏国民经济等都具有十分重要的作用。 据有关部门预测，到2025年，我国高档数控机床和机器人领域人才缺口将有450多万。而目前机器人的技术和人才短缺现状，使得对机器人技术的迫切需要与国内机器人人才队伍短缺的态势形成一种捉襟见肘的窘迫局面。为了更好地满足国内对机器人技术人才队伍培养的需要，故编制了本书。 编者对本科生、研究生讲授机器人学课程已经近20年，本书是在编者多年从事机器人教学中所使用的自编教材的基础上，并结合、参考其他各种机器人教材，加上自己的一些理解与体会所完成的。其目的是让读者能够准确地把握机器人相关理论与技术的基础知识，为机器人的设计、研究及编程等打下扎实的专业基础。本书共分9章，其中: 第1章绪论，简要叙述了机器人的发展过程、现状与未来,对机器人的一些基本概念及所要研究的主要内容等进行了介绍。 第2章机器人基础，针对机器人的设计与分析，介绍了一些必备的基础知识，包括机械基础知识与数学基础知识等。通过对它们进行引导性描述，为本书的后续介绍与分析提供了标准概念与相应的分析工具。 第3章机器人运动学，应用Denavit -Hatenberg方法(简称D-H方法)论述了 机械手构件坐标系的建立方法，并对机器人的正向运动学与逆向运动学问题进行了分析。 第4章微分运动和速度，主要探讨了一般构件坐标系相对于参考坐标系的微分运动，机器人关节的构件坐标系相对于参考坐标系的微分运动，雅可比矩阵以及机器人速度关系等问题的分析方法。 第5章运动轨迹规划，主要讨论了机器人运动轨迹的生成方法，以求用某种比较简单的多项式插补来逼近所期望的路径，成一系列时基“控制设定点”,以控制机器人按照要求的路径与速度进行工作。 第6章机器人动力学分析,主要介绍了拉格朗日力学方法在机器人动力学问题上的应用，包括动力学方程、简化思路及其推导方法等，以助于帮助深入理解被控机器人系统。 第7章机器人控制，介绍了机器人控制的基本概念、机器人控制系统的组成、机器人的常用控制方法、典型的位置控制及力控制以及在机器人中的应用等。 第8章智能机器人，将人工智能(Artificial Intelligence, AI)与机器人的结合应用情况进行了介绍，特别对智能机器人的相关概念、系统的组成、基本特征、其控制系统的主要功能特点、相关智能控制理论内容以及典型案例等进行了描述。 第9章机器人常用器件,对机器人常用的一些新型的驱动器和传感器作了简单介绍。 本书的特点是: 对内容编排本着循序渐进的原则，深入浅出。全书既有机器人较为详细的专业概念，又有学习本书所需的一些基础知识，以利于具有不同学科专业基础的学生快速上手：在理论分析上尽可能保留推导过程，并辅以例题,以便于学生学习和理解；在对参考资料进行学习整理过程中，一方面忠实原书内容， 另一方面也充实一些自己的理解与体会，在对理论进行阐述的基础上，注意结合一些应用实例；最后对机器人常用的新型的器件性能特点及其选用原则等，也突出重点地进行了介绍。 本书既可以作为从事机器人、机械手研究或应用的各类高等院校相关专业本科生、研究生的教材，也可以作为现场工程技术人员等的理论与技术指导参考书。 在作为教材使用时，所讲授的内容可以根据学生对象的不同有所侧重或删减。 在本书的编撰过程中，得到了我2013、2014、2015各级研究生的鼎力相助。本科生郑天明、孙志鹏也给予了很大帮助,他们为本书的材料收集、文字录入、图 形与表格绘制等作了大量认真、细致的工作，在此特对他们深表感谢！机器人研究涉及众多的学科与知识，本书内容挂一漏万的情形难免发生。希望读者在学习过程中注意参考其他一些机器人方面的资料，相互印证，相互补充，以利提高。 因为作者水平有限，无法全面、完整地介绍机器人各方面的知识，在编撰过程中也难免出现各种各样的错误，期望广大读者给予充分的理解和帮助，能够将各种意见与建议发送到邮箱fanbh58@163.com,以便于以后对本书的修正与勘误。 对此我们将深表感谢! 樊炳辉，享受国务院特殊津贴，山东省有突出贡献的中青年专家，先后承担机器人方向的国家863课题4项，国家自然基金项目4项，山东省及教育部等省部级项目10余项，授权发明专利30余项。 第1章 绪 论 ……………………………………………………………………………………1 1.1 中国的早期机器人……………………………………………………………………1 1.2 其他国家的早期机器人 ……………………………………………………………2 1.3 现代机器人概念的起源………………………………………………………………2 1.4 现代机器人的发展……………………………………………………………………3 1.5 现代机器人的定义……………………………………………………………………4 1.6 机器人的研究内容……………………………………………………………………5 1.7 机器人的应用 …………………………………………………………………………6 1.8 机器人的社会问题 ……………………………………………………………………9 习题一 ………………………………………………………………………………………10 第2章 机器人基础 ……………………………………………………………………………11 2.1 机器人概念与术语……………………………………………………………………11 2.1.1 机器人的分类 …………………………………………………………………11 2.1.2 机器人的特性 …………………………………………………………………15 2.1.3 机器人的组成…………………………………………………………………15 2.1.4 机器人的自由度………………………………………………………………17 2.1.5 机器人关节……………………………………………………………………18 2.1.6 机器人的各种坐标系…………………………………………………………18 2.1.7 机器人的性能指标……………………………………………………………19 2.1.8 机器人的工作空间……………………………………………………………20 2.1.9 机器人的工作环境……………………………………………………………20 2.1.10 工业机器人的示教模式…………………………………………………… 21 2.1.11 机器人语言…………………………………………………………………21 2.1.12 特种机器人的工作方式……………………………………………………23 2.2 机器人机械基础………………………………………………………………………23 2.2.1 常见机械结构及其表示 ………………………………………………………23 2.2.2 机器人的传动机构 ……………………………………………………………25 2.2.3 机器人机座 ……………………………………………………………………31 2.2.4 机器人手臂 ……………………………………………………………………31 2.2.5 机器人手腕 ……………………………………………………………………34 2.2.6 机器人末端执行器 ……………………………………………………………37 2.3 数学基础 ………………………………………………………………………………46 2.3.1 矢量及其基本性质 ……………………………………………………………46 2.3.2 矩阵代数和符号表示 …………………………………………………………47 2.3.3 角度计算的处理方法 …………………………………………………………52 习题二………………………………………………………………………………………53 第3章 机器人运动学………………………………………………………………………… 55 3.1 位置与姿态的表示 ……………………………………………………………………55 3.1.1 位置描述 ……………………………………………………………………… 55 3.1.2 姿态描述 ………………………………………………………………………55 3.1.3 位姿描述 ………………………………………………………………………57 3.2 坐标变换 ………………………………………………………………………………57 3.2.1 平移坐标变换 …………………………………………………………………57 3.2.2 旋转坐标变换 …………………………………………………………………58 3.2.3 复合坐标变换………………………………………………………………… 58 3.2.4 齐次坐标变换 …………………………………………………………………60 3.3 齐次变换的一些性质 ………………………………………………………………… 67 3.3.1 变换过程的相对性 …………………………………………………………… 67 3.3.2 变换过程的可逆性…………………………………………………………… 69 3.3.3 联体坐标系间变换过程的连续性 ………………………………………… 71 3.3.4 多个连续变换过程的封闭性 …………………………………………………71 3.4 通用旋转变换 …………………………………………………………………………72 3.4.1 通用旋转变换公式 …………………………………………………………… 72 3.4.2 等效转角与等效转轴…………………………………………………………75 3.5 介绍几种常见变换……………………………………………………………………78 3.5.1 欧拉( Euler)角变换………………………………………………………… 78 3.5.2 横滚、俯仰和偏转变换……………………………………………………… 79 3.5.3 柱面坐标变换………………………………………………………………… 80 3.5.4 球面坐标变换………………………………………………………………… 80 3.6 几种常见变换的逆解…………………………………………………………………81 3.6.1 欧拉变换的解………………………………………………………………… 81 3.6.2 横滚、俯仰和偏转变换的解………………………………………………… 84 3.6.3 球面变换的解………………………………………………………………… 85 3.7 机器人的连杆坐标系及其描述………………………………………………………86 3.7.1 广义连杆与广义关节………………………………………………………… 86 3.7.2 机器人连杆参数………………………………………………………………87 3.7.3 机器人连杆坐标系……………………………………………………………89 3.7.4 机器人连杆变换矩阵………………………………………………………… 92 3.8 机器人运动学正解 …………………………………………………………………… 93 3.8.1 连杆变换矩阵及其乘积 ……………………………………………………… 93 3.8.2 斯坦福机器人运动学正解…………………………………………………… 94 3.8.3 一种助老助残机械手运动学正解 ……………………………………………96 3.9 机器人运动学逆解 ……………………………………………………………………99 习题三 ………………………………………………………………………………………104 第4章 微分运动和速度 ……………………………………………………………………… 107 4.1 微分运动的意义 ……………………………………………………………………107 4.2 变换的微分 …………………………………………………………………………108 4.3 坐标系的微分运动 …………………………………………………………………109 4.3.1 微分平移 …………………………………………………………………… 109 4.3.2 绕坐标系轴线的微分旋转………………………………………………… 110 4.3.3 绕一般轴 f 的微分旋转 ……………………………………………………111 4.3.4 坐标系的微分变换 ………………………………………………………… 113 4.4 微分变换的解释 …………………………………………………………………… 115 4.5 微分变换在不同坐标系间的相互转换关系……………………………………… 117 4.6 连续变换表达式中的微分变换关系式……………………………………………121 4.7 笛卡儿空间微分与关节空间微分的关系 …………………………………………123 4.8 雅可比矩阵 ………………………………………………………………………… 124 4.8.1 机器人关节与机器人手部坐标系的微分运动 …………………………… 124 4.8.2 雅可比矩阵的意义………………………………………………………… 125 4.8.3 机器人雅可比矩阵的求法………………………………………………… 127 4.8.4 雅可比矩阵的应用 …………………………………………………………129 4.9 雅可比矩阵求逆 …………………………………………………………………… 134 习题四……………………………………………………………………………………… 141 第5章 运动轨迹规划…………………………………………………………………………144 5.1 轨迹描述和生成 …………………………………………………………………… 145 5.2 关节空间轨迹规划法……………………………………………………………… 147 5.2.1 3次多项式插值……………………………………………………………148 5.2.2 包括途经点的3次多项式插值…………………………………………… 150 5.2.3 高次多项式插值……………………………………………………………152 5.2.4 其他轨迹规划方法 …………………………………………………………158 5.3 直角坐标空间法……………………………………………………………………168 5.4 轨迹的实时生成 …………………………………………………………………… 170 5.4.1 关节空间轨迹的生成……………………………………………………… 170 5.4.2 直角坐标空间轨迹的生成………………………………………………… 171 习题五 ………………………………………………………………………………………172 第6章 机器人动力学分析…………………………………………………………………… 173 6.1 达朗伯原理与虚位移原理 …………………………………………………………173 6.1.1 达朗伯原理 ………………………………………………………………… 173 6.1.2 虚位移原理…………………………………………………………………174 6.2 拉格朗日力学方法 ………………………………………………………………… 180 6.2.1 动力学普遍方程…………………………………………………………… 180 6.2.2 拉格朗日方程……………………………………………………………… 181 6.3 一个简单的例子…………………………………………………………………… 184 6.4 机器人动力学方程 ………………………………………………………………… 188 6.4.1 机械手臂上一点的速度 …………………………………………………… 188 6.4.2 动 能……………………………………………………………………… 189 6.4.3 势 能……………………………………………………………………… 190 6.4.4 拉格朗日算子 ……………………………………………………………… 190 6.4.5 动力学方程………………………………………………………………… 191 6.4.6 动力学方程的简化………………………………………………………… 192 习题六……………………………………………………………………………………… 200 第7章 机器人控制……………………………………………………………………………203 7.1 概 述……………………………………………………………………………… 203 7.1.1 机器人控制的特点………………………………………………………… 203 7.1.2 机器人控制系统的组成…………………………………………………… 204 7.1.3 机器人的常用控制方法…………………………………………………… 205 7.2 机器人的示教再现…………………………………………………………………207 7.2.1 示教内容……………………………………………………………………208 7.2.2 示教过程……………………………………………………………………210 7.2.3 机器人的离线编程技术…………………………………………………… 212 7.3 伺服系统的基本概念………………………………………………………………215 7.4 机器人的位置控制………………………………………………………………… 218 7.4.1 单关节位置控制…………………………………………………………… 218 7.4.2 多关节机器人的位置伺服控制…………………………………………… 226 7.4.3 传感器反馈控制…………………………………………………………… 230 7.5 机器人的力控制……………………………………………………………………234 7.5.1 机器人的力与力控制种类………………………………………………… 234 7.5.2 阻尼力控制………………………………………………………………… 237 7.5.3 相互力控制………………………………………………………………… 239 习题七……………………………………………………………………………………… 243 第8章 智能机器人…………………………………………………………………………… 245 8.1 智能机器人基础知识……………………………………………………………… 245 8.2 智能机器人系统的基本特征……………………………………………………… 246 8.3 智能机器人控制系统的基本结构………………………………………………… 247 8.4 智能机器人的多信息特点…………………………………………………………248 8.4.1 多传感器系统与信息融合………………………………………………… 248 8.4.2 信息融合方法和融合模式…………………………………………………249 8.5 智能机器人控制系统的主要功能特点…………………………………………… 251 8.6 智能控制研究的数学工具………………………………………………………… 251 8.7 智能控制理论的主要内容及其在智能机器人控制中的应用…………………… 252 8. 8 智能机器人典型案例………………………………………………………………256 习题八………………………………………………………………………………………261 第9章 机器人常用器件……………………………………………………………………… 262 9.1 驱动器及其系统特性……………………………………………………………… 262 9.1.1 技术规格参数……………………………………………………………… 262 9.1.2 刚度和柔性………………………………………………………………… 263 9.1.3 减速器的应用………………………………………………………………263 9.1.4 驱动系统的比较…………………………………………………………… 264 9.1.5 液压驱动器………………………………………………………………… 265 9.1.6 气动驱动器…………………………………………………………………267 9.1.7 电 机………………………………………………………………………268 9.1.8 电机的微处理器控制………………………………………………………274 9.1.9 磁致伸缩驱动器……………………………………………………………276 9.1.10 形状记忆金属………………………………………………………………277 9.1.11 电活性聚合物………………………………………………………………277 9.2 传感器……………………………………………………………………………… 278 9.2.1 传感器特性………………………………………………………………… 278 9.2.2 传感器选择…………………………………………………………………279 9.2.3 传感器的使用………………………………………………………………280 9.2.4 位置传感器………………………………………………………………… 280 9.2.5 速度传感器…………………………………………………………………283 9.2.6 加速度传感器………………………………………………………………284 9.2.7 力和压力传感器……………………………………………………………285 9.2.8 力矩传感器………………………………………………………………… 286 9.2.9 可见光和红外传感器……………………………………………………… 286 9.2.10 接触传感器和触觉传感器………………………………………………… 287 9.2.11 接近觉传感器………………………………………………………………287 9.2.12 测距传感器………………………………………………………………… 290 9.2.13 嗅觉传感器………………………………………………………………… 291 9.2.14 味觉传感器………………………………………………………………… 291 习题九……………………………………………………………………………………… 292 参考文献 293
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