機器人控制系統建模與模擬（基於MWORKS）

第1章 認識MWORKS 1
1.1 走進MWORKS世界 2
1.1.1 MWORKS軟件概述 2
1.1.2 MWORKS產品體系結構 3
1.1.3 Sysplorer介紹 6
1.2 熟悉Sysplorer建模 8
1.2.1 Modelica語言基礎 8
1.2.2 Modelica數組 14
1.2.2.1 創建數組 14
1.2.2.2 合並數組 16
1.2.2.3 查詢數組信息 20
1.3 Sysplorer模擬 22
1.3.1 初識Sysplorer模擬 22
1.3.2 模擬模型的建立 27
1.3.3 文本建模與子系統 32
本章小結 37
習題 37
第2章 機器人的基礎知識 38
2.1 走進機器人世界 39
2.1.1 機器人發展簡史 39
2.1.2 機器人分類 40
2.1.3 人工智能與智能機器人 43
2.2 熟悉機器人的結構與組成 44
2.2.1 機械結構與設計 44
2.2.2 電氣控制系統的設計與實現 48
2.2.3 環境感知 50
本章小結 62
習題 62
第3章 關節機器人的系統建模與模擬 63
3.1 機器人的結構 64
3.2 基於Sysplorer的機器人機械模擬模型 65
3.2.1 機械組件 65
3.2.2 模型構建 66
3.3 關節機器人運動軌跡的設計 67
3.3.1 三次多項式插值 68
3.3.2 基於Modelica的插值模塊 69
3.4 基於Sysplorer的二連桿移動模型的構建 75
3.4.1 二連桿末端執行器的幾何解法 75
3.4.2 二連桿路徑規劃 78
3.5 關節機器人的運動學基礎 80
3.5.1 D-H表示法與連桿坐標系的建立 80
3.5.2 利用拉格朗日法導出關節機器人的機械結構模型 84
3.6 關節機器人電氣結構的數學建模與模擬 87
3.6.1 直流電機和減速器的數學模型 87
3.6.2 機器人驅動系統的模型模擬 88
3.7 機器人的控制 90
3.7.1 如何控制機器人 90
3.7.2 機器人的軌跡控制 94
3.7.3 PID控制 96
3.8 基於Sysplorer的機器人模擬實例 99
3.8.1 控制總線模塊 99
3.8.2 機器人的軸模型 100
3.8.3 運動規劃器模型 100
3.8.4 基於Sysplorer的二連桿機器人的模擬實例 103
本章小結 104
習題 105
第4章 仿人機器人的系統建模與模擬 106
4.1 仿人機器人的步行和跑步運動規劃研究 107
4.2 仿人機器人的運動學與動力學模型 108
4.2.1 步行和跑步的運動學模型 108
4.2.2 步行和跑步的動力學模型 109
4.3 基於Sysplorer的仿人機器人的機械模型模擬 113
4.4 基於Cart-table模型的步行和跑步步態規劃方法 118
4.5 仿人機器人的穩定性分析 121
4.5.1 雙足與地面的約束 121
4.5.2 基於ZMP的穩定性分析 121
4.5.3 仿人機器人上身姿態的控制 123
4.5.4 基於線性倒立擺的雙足步態生成 124
4.5.5 線性倒立擺模型的構建 129
4.5.6 仿人機器人系統模型的構建 134
本章小結 135
習題 135
第5章 輪式移動機器人的運動學模型 136
5.1 引言 137
5.2 輪式移動機器人 137
5.2.1 車輪類型 137
5.2.2 轉向方式 138
5.3 輪式移動機器人的運動學模型 140
5.3.1 兩輪差速模型 140
5.3.2 四輪差速模型 144
5.3.3 四輪阿克曼模型 146
5.3.4 四輪驅動（SSMR）機器人運動學模型 151
5.3.5 全向移動機器人運動學模型 154
5.4 基於Sysplorer的機器人模擬實例 161
5.4.1 基於 TADynamics模型庫的四輪阿克曼模型的構建 161
5.4.2 基於Modelica模型庫的三輪全向機器人模型的構建 162
本章小結 167
習題 168
第6章 輪式移動機器人的SLAM導航 169
6.1 ROS入門必備知識 170
6.1.1 ROS簡介 170
6.1.2 ROS系統架構 171
6.1.3 ROS調試工具 174
6.1.4 ROS節點通信 177
6.2 SLAM經典算法簡述 185
6.3 視覺SLAM算法 187
6.3.1 ORB-SLAM3算法 188
6.3.2 SVO2算法 190
6.3.3 DynaSLAM算法 191
6.4 激光SLAM算法 192
6.4.1 Gmapping算法 192
6.3.2 Cartographer算法 195
本章小結 197
習題 197
第7章 機器人SLAM導航綜合實戰平臺 198
7.1 引言 199
7.2 運行機器人平臺上的傳感器 199
7.2.1 啟動機器人底盤的ROS驅動 199
7.2.2 運行2D激光雷達的ROS驅動 200
7.2.3 運行3D16線激光雷達的ROS驅動 201
7.2.4 運行IMU的ROS驅動 204
7.2.5 運行RGB-D相機的ROS驅動 204
7.3 運行SLAM系統的建圖功能 206
7.3.1 運行激光SLAM系統的建圖功能 207
7.3.2 運行視覺SLAM系統的建圖功能 210
本章小結 215
習題 215
附錄A MWORKS.Sysplorer 2023b教育版安裝與配置 216
A.1 概述 217
A.1.1 安裝激活須知 217
A.1.2 運行環境 218
A.1.3 安裝包文件 218
A.2 軟件安裝 218
A.2.1 首次安裝 218
A.2.2 升/降級安裝 222
A.3 授權申請 223
A.3.1 未授權狀態 223
A.3.2 賬戶註冊 223
A.3.3 許可激活 225
A.3.4 授權模塊清單 227
A.4 首次使用MWORKS.Sysplorer 228
A.4.1 C/C++編譯器設置 228
A.4.2 設置界面選項 229
A.4.3 幫助文檔 230
A.5 卸載MWORKS.Sysplorer 231
A.5.1 快捷程序卸載 231
A.5.2 通過控制面板卸載 231
A.6 常見問題與解決方案 231
A.6.1 軟件啟動失敗 231
A.6.2 軟件模擬失敗 232
A.6.3 無法檢測到本地VC編譯器 232
參考文獻 234