機器人學基礎

前言
符號表
第1章  緒論
  1.1  機器人的起源與發展
    1.1.1  古代有關機器人的記載
    1.1.2  近、現代機器人的發展
  1.2  機器人的定義、分類與應用
    1.2.1  機器人的定義
    1.2.2  機器人的分類
    1.2.3  機器人的典型應用
  1.3  機器人學的知識體系與發展方向
    1.3.1  知識體系
    1.3.2  發展方向
  1.4  本書內容與學習目標
    1.4.1  章節安排與內容導讀
    1.4.2  學習目標
    1.4.3  如何使用本書
  習題
第2章  機器人系統組成
  2.1  機器人系統的組成
  2.2  兩類典型的機器人系統
    2.2.1  操作臂
    2.2.2  移動機器人
  2.3  機器人驅動器
    2.3.1  電動機
    2.3.2  液壓驅動器
    2.3.3  氣動驅動器
    2.3.4  其他驅動器類型
  2.4  機器人傳動系統
    2.4.1  常見的機器人傳動機構
    2.4.2  機器人專用減速器
  2.5  機器人感測器
    2.5.1  典型的內感測器
    2.5.2  典型的外感測器
  2.6  機器人控制系統
    2.6.1  軟體架構
    2.6.2  硬體架構
  2.7  機器人的主要性能指標
  2.8  本章小結
  延讀文獻
  習題
第3章  機器人機構
  3.1  機器人機構的基本組成
    3.1.1  機構的基本組成元素：構件與運動副
    3.1.2  運動鏈、機構與機器人
    3.1.3  機器人機構的表示
  3.2  機器人機構的簡單分類
  3.3  串聯機器人機構
    3.3.1  手臂機構
    3.3.2  手腕機構

    3.3.3  機器人手爪
  3.4  並/混聯機器人機構
  3.5  機器人機構的自由度
    3.5.1  與自由度相關的幾個基本概念
    3.5.2  自由度計算公式
  3.6  本章小結
  延讀文獻
  習題
第4章  位姿描述與變換
  4.0  預備知識
    4.0.1  坐標系與點的坐標表示
    4.0.2  三維矢量及其運算
  4.1  位姿描述
    4.1.1  概述
    4.1.2  平面剛體的位姿描述
    4.1.3  空間剛體的位置描述
    4.1.4  空間剛體的姿態描述
    4.1.5  空間剛體的位姿描述
  4.2  剛體變換
    4.2.1  坐標映射
    4.2.2  運動運算元
    4.2.3  逆變換
    4.2.4  複合變換
    4.2.5  變換方程
    4.2.6  自由矢量的變換
  4.3  三角度姿態描述
    4.3.1  歐拉角
    4.3.2  固定角
  4.4  等效軸-角與單位四元數
    4.4.1  基於等效軸-角的旋轉變換
    4.4.2  單位四元數
    4.4.3  不同姿態描述之間的對比及映射關係總結
  *4.5  對齊次變換的再認識
  4.6  本章小結
  延讀文獻
  習題
第5章  串聯機器人的位移分析
  5.1  位移分析的主要任務及意義
  5.2  位移分析的基本原理與基本方法
    5.2.1  基本原理：閉環方程
    5.2.2  求解逆運動學的通用方法數值法
  5.3  D-H參數與串聯機器人的正運動學求解
    5.3.1  D-H參數法的由來
    5.3.2  D-H參數定義
    5.3.3  前置坐標系及前置D-H矩陣
    5.3.4  基於前置D-H參數法的串聯機器人位移求解
    *5.3.5  後置D-H參數法與串聯機器人的正向運動學求解
  5.4  串聯機器人的位移反解
  5.5  綜合實例
  *5.6  串聯機器人位移求解的指數積公式

  5.7  位姿描述與工作空間
    5.7.1  位姿描述
    5.7.2  工作空間
  5.8  本章小結
  延讀文獻
  習題
第6章  串聯機器人的速度與靜力分析
  6.1  速度與靜力分析的主要任務及意義
  6.2  速度矢量和雅可比的定義
    6.2.1  廣義速度矢量的符號表達和定義
    6.2.2  任意兩剛體之間的速度關係
    6.2.3  雅可比的定義
  6.3  速度雅可比的求解
    6.3.1  直接微分法
    6.3.2  遞推法
    *6.3.3  矢量積法
    6.3.4  幾何雅可比與解析雅可比之間的變換
  6.4  奇異位姿與運動學奇異
    6.4.1  有關奇異的基本概念
    6.4.2  奇異性分析
  6.5  機器人自由度類型與速度雅可比
  *6.6  雅可比的廣義逆
    6.6.1  冗余度機器人的逆雅可比
    6.6.2  奇異位姿下的逆雅可比
  6.7  串聯機器人靜力學
    6.7.1  靜力雅可比
    6.7.2  靜力雅可比與速度雅可比之間的對偶性
    6.7.3  遞推法計算關節力/力矩
    6.7.4  剛體上兩點間速度和力的關係
  6.8  串聯機器人性能分析與評價
    6.8.1  靈巧性分析
    6.8.2  力橢球
  6.9  本章小結
  延讀文獻
  習題
第7章  並聯機器人運動學基礎
  7.1  並聯機器人的主要應用
  7.2  並聯機器人的位移求解
    7.2.1  求解方法概述
    7.2.2  實例分析
  7.3  並聯機器人的速度雅可比
    7.3.1  位移方程直接求導法
    *7.3.2  旋量法
  7.4  並聯機器人的奇異性分析
    7.4.1  並聯機器人奇異的分類
    7.4.2  並聯機器人奇異的求解方法簡介
  7.5  本章小結
  延讀文獻
  習題
第8章  串聯機器人的動力學建模

  8.1  機器人動力學建模的目的與意義
  8.2  剛體的慣性
  8.3  基於拉格朗日方程的串聯機器人動力學建模
  8.4  基於牛頓-歐拉方程的串聯機器人動力學建模
    8.4.1  連桿的加速度計算公式
    8.4.2  連桿速度、加速度的向外遞推公式
    8.4.3  關節力/力矩的向內遞推公式
    8.4.4  牛頓-歐拉動力學遞推演算法總結
  8.5  摩擦、傳動比及驅動空間動力學
    8.5.1  摩擦的影響
    8.5.2  傳動比的影響
    8.5.3  驅動空間動力學方程
  8.6  操作空間動力學方程
  8.7  本章小結
  延讀文獻
  習題
第9章  機器人軌跡生成
  9.1  軌跡生成的一般概念
  9.2  關節空間軌跡生成與插補
    9.2.1  二次組合曲線軌跡
    9.2.2  三次多項式與速度S曲線軌跡
    9.2.3  五次多項式軌跡
    9.2.4  小結
  9.3  笛卡兒空間軌跡生成和插補
    9.3.1  直線路徑的參數化表達及軌跡生成
    9.3.2  圓弧路徑的參數化表達
    9.3.3  姿態的表達和軌跡生成
    9.3.4  笛卡兒空間路徑規劃注意事項
  9.4  軌跡生成的實現
    9.4.1  程序的模塊化
    9.4.2  軌跡生成與運動控制
  9.5  本章小結
  延讀文獻
  習題
第10章  機器人控制基礎
  10.1  機器人控制問題概述
  10.2  機器人運動控制系統硬體原理
    10.2.1  運動控制器的功能和原理簡述
    10.2.2  驅動器與電動機閉環控制簡述
  10.3  驅動器與電動機模型
    10.3.1  電動機的速度模型
    10.3.2  電動機的力矩模型
  10.4  分散控制
    10.4.1  速度模式下的獨立關節PID運動控制器
    10.4.2  力矩模式下的獨立關節PID運動控制器
    10.4.3  速度和加速度前饋補償
    10.4.4  集中前饋補償獨立關節PID控制器
  10.5  PID控制器的離散化
    10.5.1  數字控制系統簡介
    10.5.2  數字PID演算法的實現

  10.6  機器人力控制的基本概念
  10.7  本章小結
  延讀文獻
  習題
附錄
  附錄A  旋量理論基礎
    A.1  旋量、線矢量與偶量
    A.2  旋量的基本運算
    A.3  運動旋量與力旋量
    A.4  旋量系
    A.5  運動旋量系與約束旋量系
    A.6  小結
    延讀文獻
  附錄B  MATLAB編程
參考文獻