机器人学导论宋立博机器人学_宋立博_9787111803515

本书是工业机器人学与控制基础系列教材的第一本。与其他机器人学相关教材侧重理论分析不同，本书按照理论与工程并重的思路，始于机器人的伺服电动机、传动装置、位置反馈装置和力/力矩传感器等硬件装置，按照数学基础、运动学、速度与力分析、动力学、动力学参数辨识、轨迹规划和设计基础的顺序安排内容。
数学基础部分密切联系运动学问题相关内容；运动学部分重点讲述连杆化、D-H参数和D-H变换矩阵等核心知识；速度和力分析部分则给出详细的分析步骤和方法；动力学部分重点讲解牛顿-欧拉和拉格朗日法的应用过程和具体示例；动力学参数辨识部分则结合作者科研项目，以SCARA机器人和协作机器人为例，详细给出动力学参数辨识过程；轨迹规划部分详细讨论路径规划常用方法及关节空间和笛卡儿空间的路径规划实现过程；设计基础部分按照机器人构成并结合作者从事的实际科研项目，详细介绍自由度设计、构型选择及结构优化、传动与结构稳定性设计、驱动电动机选择、通信方式选择等工程性问题；最后分析了国内外工业机器人现状及发展趋势。

前言PREFACE
机器人不仅是一个典型的机电产品，更是一个国家工业化水平的标志和象征。我国拥有众多加工制造企业和工科高校，大部分工科高校和部分高职类院校开设有机电类相关专业，或直接设立机器人学院或机器人专业，为行业培养了大量的机器人研发人才和技术工程师。
机器人涉及众多工科领域，尤其是驱动电动机、传感器、通信系统和传动系统等方面的专业知识，对从业人员的工程素质要求较高；实现高精度焊接和喷涂等工程作业，还需要专业的运动学分析、动力学方程及位置控制和速度控制等方面的理论和专业内容，对学术和理论水平，尤其是数学知识要求极高，这又属于理论范畴。专业极强的理论知识和实践性要求高的工程知识很多时候难以统一和结合在一起，理论与工程实践如何结合，结合到何等程度，一直是业界探索的问题，也是编者数十年从事机器人学研究和教学、工程项目科研一直在思考和实践的问题。过深的理论知识未必有益于工程实践，而如何将其应用于工程实践和机器人实际控制才是值得深入研究的课题。始于工程，终于实践，采用知识体系相对完整并与工程实践密切结合的内容贯穿前后是本书内容组织的一大尝试。
本书在数学基础部分密切联系运动学问题相关内容，重点讲解坐标系、坐标变换和齐次变换等相关知识；在运动学一章，重点讲述连杆化、D-H参数和D-H变换矩阵等核心知识以及具体的运动学分析示例和运动学逆解问题的三种处理方法；作为过渡，第5章重点分析机械臂的速度传递和力传递问题，给出详细的分析步骤和方法；在动力学内容部分，在加速度和惯量张量参数计算基础上，重点讲解牛顿-欧拉法和拉格朗日法的应用过程和具体示例，详细讨论和分析关节摩擦力矩的三种模型，以提高动力学模型的精度；作为动力学建模和分析的另一重要应用，在简要介绍动力学参数辨识方法的基础上，结合编者科研项目，以SCARA机器人和协作机器人为例，详细给出动力学参数辨识的过程；作为运动学分析和动力学建模方法的综合应用，在简要介绍自由空间及障碍物空间等概念的基础上，详细讨论路径规划常用方法及关节空间和笛卡儿空间路径规划实现过程技巧的优缺点；在设计基础部分，按照机器人构成并结合编者从事的实际科研项目，详细介绍自由度设计、构型选择及结构优化、传动与结构稳定性设计、驱动电动机选择、通信方式选择等工程性问题；最后分析了国内外工业机器人发展现状与发展趋势。
本书内容前后呼应，各章内容既相对独立，又相互联系，有理论有实践，理论与实践相互结合，便于课堂授课。本书适合高校自动化类专业机器人方向学生使用，也适合高职高专学生和工程技术人员参考学习。
本书由上海交通大学宋立博主编，上海工程技术大学蒋文萍教授、北京华航唯实机器人科技股份公司宋智广和张大维参与编写。宋立博编写第2~8章，宋智广编写第1章，张大维编写第9章，蒋文萍编写第10章。本书的出版得到机械工业出版社的大力支持，在此表示诚挚的谢意。
由于应用经验有限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正。
编者
于上海交通大学

机器人学导论
前言
目录CONTENTS
前言
第1章绪论
1.1机器人与机器人学
1.1.1机器人定义
1.1.2机器人简要发展历程
1.1.3机器人学
1.2世界主要机器人公司
1.2.1KUKA公司
1.2.2安川电机公司
1.2.3ABB公司
1.2.4FANUC公司
1.2.5其他公司
1.3机器人常见构型与分类
1.3.1机器人常见构型
1.3.2机器人分类
1.4机器人主要应用
1.5机器人学涉及的学科知识
1.6本书章节安排
第2章常用硬件装置
2.1伺服电动机
2.1.1直流伺服电动机
2.1.2交流伺服电动机
2.1.3直流无刷电动机
2.2传动装置
2.2.1谐波减速器
2.2.2RV减速器
2.2.3同步带传动
2.3位置反馈装置
2.3.1相对编码器
2.3.2绝对编码器
2.3.3差分编码器
2.4力/力矩传感器
2.5本章小结
机器人学导论
目录
第3章机器人学的数学描述及数学基础
3.1轴与工作空间
3.1.1自由度与轴
3.1.2工作空间
3.2机器人坐标系及位姿描述
3.2.1常用坐标系
3.2.2位姿描述
3.3坐标变换
3.3.1平移变换
3.3.2旋转变换
3.3.3复合变换
3.4齐次坐标与齐次变换
3.4.1齐次坐标
3.4.2齐次变换
3.5旋量及旋量运动
3.5.1旋量
3.5.2旋量运动
3.6本章小结
习题
第4章机器人运动学
4.1运动学问题基本内容
4.2机器人连杆化及D-H变换矩阵
4.2.1机器人连杆化
4.2.2D-H参数
4.2.3D-H变换矩阵
4.3运动学正解问题
4.3.1PUMA 560机器人
4.3.2IRB 1200机器人
4.4运动学逆解问题
4.4.1几何分析法
4.4.2代数分析法
4.4.3特殊处理之Pieper解法
4.5运动学问题实例
4.6本章小结
习题
第5章机械臂的速度与力分析
5.1时变位姿与表示
5.1.1矢量的微分形式
5.1.2角速度矢量
5.2刚体线速度与角速度
5.2.1刚体线速度
5.2.2刚体角速度
5.3机械臂速度与速度传递
5.3.1机械臂速度
5.3.2速度传递
5.4速度Jacob矩阵及微分运动
5.4.1速度Jacob矩阵
5.4.2微分运动
5.5力分析与力Jacob矩阵
5.5.1力分析
5.5.2力Jacob矩阵
5.6本章小结
习题
第6章机器人动力学
6.1参数计算
6.1.1线加速度计算
6.1.2角加速度计算
6.1.3惯量张量计算
6.2机器人动力学及逆问题
6.3牛顿-欧拉法建立动力学方程
6.3.1速度/加速度计算
6.3.2力/力矩计算
6.3.3迭代形式的牛顿-欧拉动力学方程
6.3.4封闭形式的牛顿-欧拉动力学方程
6.4拉格朗日法建立动力学方程
6.4.1拉格朗日方程
6.4.2两自由度机械臂示例
6.4.3SCARA机器人示例
6.5考虑摩擦力时的动力学建模
6.5.1黏性摩擦模型
6.5.2库仑摩擦模型
6.5.3复合摩擦模型
6.6本章小结
习题
第7章机器人动力学参数辨识方法
7.1动力学参数辨识基础
7.1.1动力学参数辨识的原因
7.1.2动力学参数辨识的定义
7.1.3动力学参数辨识的原理
7.2动力学参数辨识常用方法
7.2.1拆解测量法
7.2.2CAD法
7.2.3模态分析法
7.2.4整体辨识法
7.3SCARA机器人动力学参数辨识示例
7.3.1SCARA机器人动力学建模
7.3.2动力学方程线性化
7.3.3激励轨迹优化设计
7.3.4动力学参数辨识
7.3.5测试与验证
7.4协作机器人动力学参数辨识示例
7.4.1协作机器人动力学建模
7.4.2关节摩擦力矩建模与辨识
7.4.3惯性参数辨识
7.4.4测试与验证
7.5本章小结
习题
第8章机器人轨迹规划
8.1轨迹规划基础
8.1.1工作台坐标系
8.1.2自由空间及障碍物空间
8.1.3路径上的点
8.2轨迹规划问题的数学描述
8.3轨迹规划的分类
8.3.1轨迹规划和路径规划
8.3.2静态规划和动态规划
8.3.3离线规划和在线规划
8.3.4全局规划和局部规划
8.3.5有运动约束规划和无运动约束规划
8.3.6多机器人任务规划
8.4路径规划常用方法
8.4.1传统路径规划方法
8.4.2智能优化算法
8.5关节空间路径规划
8.6笛卡儿空间路径规划
8.6.1带抛物线拟合的直线样条函数
8.6.2轴角坐标系与变换
8.6.3相关几何问题
8.7多机器人协作的任务规划
8.8本章小结
习题
第9章机器人设计基础
9.1自由度设计
9.2构型选择及结构优化
9.2.1构型选择
9.2.2结构优化
9.3传动与结构稳定性设计
9.4驱动电动机选择
9.5通信方式选择
9.5.1RS232通信
9.5.2CAN总线通信
9.5.3PROFINET通信
9.5.4EtherCAT通信
9.6相关软件
9.7本章小结
习题
第10章发展现状与发展趋势
10.1我国工业机器人发展现状
10.1.1离线编程与仿真软件
10.1.2协作机器人
10.2国外工业机器人发展现状
10.2.1离线编程与仿真软件
10.2.2协作机器人和类协作机器人
10.2.3小型多功能机器人
10.2.4多接口高性能控制器
10.3工业机器人发展趋势
参考文献

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