機器人動力學與系統控制 Dynamics and Control of Robotic Systems

譯者序
前言
第1章　緒論1
1.1　寫作目的1
1.2　機器人系統的起源3
1.3　機器人系統的總體結構4
1.4　機械手5
1.4.1　機械手的典型結構6
1.4.2　機械手的分類7
1.4.3　機械手示例9
1.4.4　球形手腕12
1.4.5　關節型機器人13
1.5　移動機器人13
1.5.1　仿人機器人13
1.5.2　自主地面車輛14
1.5.3　無人機15
1.5.4　自主海上航行器15
1.6　機器人動力學與控制問題概述16
1.6.1　正向運動學17
1.6.2　逆向運動學18
1.6.3　正向動力學18
1.6.4　逆向動力學和反饋控制19
1.6.5　機器人車輛的動力學與控制20
1.7　本書主要內容20
1.8　習題21
第2章　運動學基礎23
2.1　基和坐標系23
2.1.1　N-元組和M×N陣列24
2.1.2　向量、基和坐標系25
2.2　旋轉矩陣31
2.3　旋轉矩陣的參數化33
2.3.1　單軸旋轉34
2.3.2　旋轉矩陣的級聯36
2.3.3　歐拉角37
2.3.4　軸角度參數化42
2.4　位置、速度和加速度44
2.5　角速度和角加速度49
2.5.1　角速度49
2.5.2　角加速度53
2.6　運動學理論53
2.6.1　角速度的加法53
2.6.2　相對速度55
2.6.3　相對加速度56
2.6.4　常見坐標系58
2.7　習題60
2.7.1　關於N-元組和M×N數組的習題60
2.7.2　關於向量、基和坐標系的習題61
2.7.3　關於旋轉矩陣的習題62
2.7.4　關於位置、速度和加速度的習題65
2.7.5　關於角速度的習題65
2.7.6　關於運動學理論的習題66
2.7.7　關於相對速度和加速度的習題66
2.7.8　關於常見坐標系的習題68
第3章　機器人系統運動學69
3.1　齊次變換與剛體運動69
3.2　理想關節73
3.2.1　移動關節74
3.2.2　轉動關節74
3.2.3　其他理想關節75
3.3　Denavit-Hartenberg約定77
3.3.1　DH約定中的運動鏈與編號77
3.3.2　DH約定中坐標系的定義78
3.3.3　DH約定中的齊次變換78
3.3.4　DH步驟80
3.3.5　DH約定中的角速度與速度84
3.4　正向運動學的遞歸O(N)公式87
3.4.1　速度和角速度的遞歸計算89
3.4.2　效率和計算成本91
3.4.3　加速度和角加速度的遞歸計算94
3.5　逆向運動學104
3.5.1　可解性104
3.5.2　解析法106
3.5.3　優化方法115
3.5.4　逆速度運動學119
3.6　習題120
3.6.1　關於齊次變換的習題120
3.6.2　關於理想關節及約束的習題121
3.6.3　關於DH約定的習題122
3.6.4　關於運動鏈角速度和速度的習題122
3.6.5　關於逆向運動學的習題125
第4章　牛頓歐拉方程126
4.1　剛體的線性動量126
4.2　剛體的角動量129
4.2.1　基本原理129
4.2.2　角動量和慣性133
4.2.3　慣性矩陣的計算136
4.3　牛頓歐拉方程146
4.4　剛體的歐拉方程149
4.5　機械系統的運動方程150
4.5.1　總體方法150
4.5.2　受力圖151
4.6　控制方程的結構：牛頓歐拉方程164
4.6.1　微分代數方程164
4.6.2　常微分方程166
4.7　遞歸牛頓歐拉方程167
4.8　運動方程的遞歸推導173
4.9　習題175
4.9.1　關於線性動量的習題175
4.9.2　關於質心的習題177
4.9.3　關於慣性矩陣的習題179
4.9.4　關於角動量的習題180
4.9.5　關於牛頓歐拉方程的習題181
第5章　分析力學182
5.1　哈密頓原理182
5.1.1　廣義坐標182
5.1.2　泛函與變分法183
5.1.3　保守系統的哈密頓原理186
5.1.4　剛體的動能191
5.2　保守系統的拉格朗日方程194
5.3　哈密頓擴展原理196
5.4　用於機器人系統的拉格朗日方程207
5.4.1　自然系統207
5.4.2　拉格朗日方程和D-H約定210
5.5　約束系統212
5.6　習題215
5.6.1　關於哈密頓原理的習題215
5.6.2　關於拉格朗日方程的習題217
5.6.3　關於哈密頓擴展原理的習題217
5.6.4　關於約束系統的習題221
第6章　機器人系統的控制222
6.1　控制問題的結構222
6.1.1　定點和跟踪反饋控制問題223
6.1.2　開環和閉環控制223
6.1.3　線性與非線性控制223
6.2　穩定性理論的基礎224
6.3　先進穩定性理論技術229
6.4　李雅普諾夫直接方法230
6.5　不變性原則232
6.6　動態逆或計算力矩方法236
6.7　近似動態逆和模糊性243
6.8　基於無源性的控制器253
6.9　執行器模型256
6.9.1　電動機256
6.9.2　線性執行器260
6.10　積分反步控制和執行器的動力學263
6.11　習題265
6.11.1　關於重力補償和PD定點控制的習題265
6.11.2　關於計算力矩法跟踪控制的習題268
6.11.3　關於基於無源性跟踪控制的習題269
第7章　基於圖像的機器人系統控制271
7.1　相機測量幾何271
7.1.1　透視投影和針孔相機模型271
7.1.2　像素坐標和CCD相機273
7.1.3　相互作用矩陣274
7.2　基於圖像的視覺伺服控制277
7.2.1　控制綜合和閉環方程277
7.2.2　初始條件計算279
7.3　任務空間控制289
7.4　任務空間與視覺控制293
7.5　習題301
附錄A305
參考文獻318