本書系統(tǒng)地介紹了機器人學(xué)的基礎(chǔ)理論知識,重心放在機器人機構(gòu)、建模、規(guī)劃與控制等方面,為本科機器人工程及相關(guān)專業(yè)的入門教材。
全書共10章。第1章為緒論;第2章和第3章分別介紹了與機器人系統(tǒng)及機構(gòu)相關(guān)的基礎(chǔ)知識,為讀者提供了對機器人的總體認識;第4章作為機器人的數(shù)理基礎(chǔ),詳細討論了如何構(gòu)建剛體運動模型;第5~7章主要講述了有關(guān)機器人運動學(xué)方面的基礎(chǔ)內(nèi)容,包括串聯(lián)機器人的位移分析(第5章)、串聯(lián)機器人的速度與靜力分析(第6章)和并聯(lián)機器人運動學(xué)基礎(chǔ)(第7章);第8~10章主要講述了有關(guān)機器人動力學(xué)、規(guī)劃與控制方面的基礎(chǔ)知識,包括串聯(lián)機器人的動力學(xué)建模(第8章)、機器人軌跡生成(第9章)與機器人控制基礎(chǔ)(第10章)等。此外,作為正文的補充,在附錄中介紹了旋量理論基礎(chǔ)、MATLAB編程等內(nèi)容。
本書可作為機器人工程等專業(yè)本科專業(yè)教材或研究生教材,也可作為相關(guān)科研人員與工程技術(shù)人員參考用書。
本書系統(tǒng)地介紹了機器人學(xué)的基礎(chǔ)理論知識,重心放在機器人機構(gòu)、建模、規(guī)劃與控制等方面,為本科機器人工程及相關(guān)專業(yè)的入門教材。
2015年,國內(nèi)首個機器人工程本科新工科專業(yè)獲批,構(gòu)建與機器人工程專業(yè)相關(guān)的課程資源變得越來越迫切。其中,“機器人學(xué)基礎(chǔ)”(或“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”)作為支撐該專業(yè)理論與技術(shù)基礎(chǔ)的入門課,被很多高校列入核心課程系列中。然而,市面教材大多面向研究生編寫,適合本科生使用的教材相對匱乏,配套教材建設(shè)成了重中之重。
北京航空航天大學(xué)機器人研究所長期從事與機器人相關(guān)的教學(xué)和科研工作。作為研究所的教師,本書作者一直工作在機器人科研和課程教學(xué)一線,主講研究生課程“機器人學(xué)的現(xiàn)代數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”“自主移動機器人導(dǎo)論”、機械工程專業(yè)本科生核心課程“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”等。自2020年春季開始,作者又承擔了機器人工程本科專業(yè)“機器人學(xué)基礎(chǔ)”核心專業(yè)課的教學(xué)。
教學(xué)過程中,作者注意到市面上尚缺少面向機器人工程本科專業(yè)且符合下述特征的《機器人學(xué)基礎(chǔ)》教科書:①明確定位:只涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、機械原理、自動控制原理等先修課程,適用于本科生學(xué)習(xí);②強化基礎(chǔ):圍繞典型機器人工作原理,全面、詳細、由淺入深地介紹與機器人機構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)和規(guī)劃相關(guān)的最基礎(chǔ)理論。為彌補上述缺憾、有效支撐專業(yè)教學(xué),本書作者按上述理念,從撰寫講義開始,通過近兩年的時間逐漸形成文稿,并經(jīng)過兩個學(xué)期的教學(xué)實踐,才最后定稿。
全書包含10章,涵蓋機器人系統(tǒng)組成、機器人機構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、規(guī)劃、控制等經(jīng)典內(nèi)容。若全部將本書所有章節(jié)的內(nèi)容講完,再加上編程或配套的實驗和實踐環(huán)節(jié),可能需要56~64個學(xué)時。而目前國內(nèi)大多數(shù)高校相關(guān)課程設(shè)置為32~48學(xué)時,因此需要選講或者選學(xué)本教材中所提供的相關(guān)內(nèi)容。其中,第2~6章和第8~9章內(nèi)容是機器人學(xué)的理論基礎(chǔ),建議必學(xué),而帶*號的內(nèi)容可作為學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)資料。
為了幫助讀者梳理所學(xué)到的知識,在每章開始均設(shè)有“內(nèi)容導(dǎo)讀與學(xué)習(xí)目標”模塊;每章的結(jié)尾包含有一個“本章小結(jié)”,對各章中出現(xiàn)的重要概念和公式進行了高度凝練、概括。同時,每章末尾還提供了一些可擴展、延讀的參考文獻。為夯實課程思政、豐富教學(xué)內(nèi)容,每章還設(shè)有“小知識”“背景知識”和“知識擴展”等模塊。
為使學(xué)有余力的讀者深入理解現(xiàn)代機器人學(xué)中的一些基本概念和方法,本書還提供了有關(guān)旋量等現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具以及相關(guān)問題求解的內(nèi)容,分散在各章節(jié)的選學(xué)內(nèi)容(用*號標識)和附錄A中。
另外,各章后面都安排有較豐富的習(xí)題,分為問答題論證、分析題和MATLAB編程題三種類型。建議讀者盡可能完成每道題,尤其是MATLAB編程類的題目(學(xué)習(xí)指導(dǎo)見附錄B),以利于理解基礎(chǔ)理論、強化實踐能力。
全書編寫分工如下:主體內(nèi)容由于靖軍和王巍共同編寫,兩人對本書具有同等貢獻。李大寨、趙宏哲、蔡月日、田耀斌等老師參與了本書的編寫工作。鄧明廣助教完成了全部課后習(xí)題答案的整理,李建和王楚芊助教參與了部分課后習(xí)題答案的解答和校對工作。北京航空航天大學(xué)機器人工程專業(yè)2018級全體同學(xué)參與了教材的試用和校對,并為課后習(xí)題解答提供了素材。
本教材的編寫,參考了國內(nèi)外大量經(jīng)典教材與專著,這里對其作者表示最誠摯的敬意!特別提及的是,已產(chǎn)生廣泛影響力的克雷格教授所著《機器人學(xué)導(dǎo)論》、蔡倫文教授所著《機器人分析:串并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)》、西西里亞諾等所著《機器人學(xué):建模、規(guī)劃與控制》、熊有倫院士等所著《機器人學(xué):建模、控制與視覺》、黃真教授等所著《并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制》等,為本書編寫提供了絕佳的創(chuàng)意和素材。
特別鳴謝遨博(北京)智能科技有限公司的劉剛工程師,他在機器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)架構(gòu)方面給出了很好的建議!
此外,本書還得到了北京航空航天大學(xué)校級規(guī)劃教材的立項,并給予出版經(jīng)費的強有力支持,對此表示感謝!
由于編者水平有限,書中難免有疏虞之處,敬請讀者和專家批評指正。
作者
高等院校教師
前言
符號表
第1章緒論1
11機器人的起源與發(fā)展1
111古代有關(guān)機器人的記載1
112近、現(xiàn)代機器人的發(fā)展3
12機器人的定義、分類與應(yīng)用7
121機器人的定義7
122機器人的分類8
123機器人的典型應(yīng)用10
13機器人學(xué)的知識體系與發(fā)展方向11
131知識體系11
132發(fā)展方向14
14本書內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標15
141章節(jié)安排與內(nèi)容導(dǎo)讀15
142學(xué)習(xí)目標16
143如何使用本書17
習(xí)題17
第2章機器人系統(tǒng)組成19
21機器人系統(tǒng)的組成19
22兩類典型的機器人系統(tǒng)23
221操作臂24
222移動機器人26
23機器人驅(qū)動器27
231電動機27
232液壓驅(qū)動器28
233氣動驅(qū)動器28
234其他驅(qū)動器類型29
24機器人傳動系統(tǒng)30
241常見的機器人傳動機構(gòu)31
242機器人專用減速器32
25機器人傳感器35
251典型的內(nèi)傳感器35
252典型的外傳感器39
26機器人控制系統(tǒng)41
261軟件架構(gòu)41
262硬件架構(gòu)42
27機器人的主要性能指標44
28本章小結(jié)47
延讀文獻47
習(xí)題48
第3章機器人機構(gòu)49
31機器人機構(gòu)的基本組成49
311機構(gòu)的基本組成元素:構(gòu)件與
運動副49
312運動鏈、機構(gòu)與機器人52
313機器人機構(gòu)的表示53
32機器人機構(gòu)的簡單分類55
33串聯(lián)機器人機構(gòu)56
331手臂機構(gòu)56
332手腕機構(gòu)58
333機器人手爪60
34并/混聯(lián)機器人機構(gòu)63
35機器人機構(gòu)的自由度69
351與自由度相關(guān)的幾個基本概念69
352自由度計算公式71
36本章小結(jié)75
延讀文獻76
習(xí)題76
第4章位姿描述與變換81
40預(yù)備知識81
401坐標系與點的坐標表示81
402三維矢量及其運算82
41位姿描述84
411概述84
412平面剛體的位姿描述86
413空間剛體的位置描述87
414空間剛體的姿態(tài)描述88
415空間剛體的位姿描述90
42剛體變換91
421坐標映射91
422運動算子96
423逆變換100
424復(fù)合變換101
425變換方程103
426自由矢量的變換106
43三角度姿態(tài)描述107
431歐拉角108
432固定角112
44等效軸角與單位四元數(shù)114
441基于等效軸角的旋轉(zhuǎn)變換114
442單位四元數(shù)118
443不同姿態(tài)描述之間的對比及
映射關(guān)系總結(jié)123
*45對齊次變換的再認識124
46本章小結(jié)128
延讀文獻129
習(xí)題129
第5章串聯(lián)機器人的位移分析133
51位移分析的主要任務(wù)及意義133
52位移分析的基本原理與基本方法134
521基本原理:閉環(huán)方程134
522求解逆運動學(xué)的通用方法:
數(shù)值法136
53DH參數(shù)與串聯(lián)機器人的正運動學(xué)
求解139
531DH參數(shù)法的由來139
532DH參數(shù)定義141
533前置坐標系及前置DH矩陣142
534基于前置DH參數(shù)法的串聯(lián)
機器人位移求解147
*535后置DH參數(shù)法與串聯(lián)
機器人的正向運動學(xué)求解150
54串聯(lián)機器人的位移反解153
55綜合實例159
*56串聯(lián)機器人位移求解的指數(shù)積
公式162
57位姿描述與工作空間165
571位姿描述165
572工作空間166
58本章小結(jié)168
延讀文獻169
習(xí)題169
第6章串聯(lián)機器人的速度與靜力
分析172
61速度與靜力分析的主要任務(wù)及意義172
62速度矢量和雅可比的定義173
621廣義速度矢量的符號表達和
定義173
622任意兩剛體之間的速度關(guān)系179
623雅可比的定義180
63速度雅可比的求解181
631直接微分法181
632遞推法186
*633矢量積法191
634幾何雅可比與解析雅可比之間的
變換194
64奇異位姿與運動學(xué)奇異195
641有關(guān)奇異的基本概念195
642奇異性分析196
65機器人自由度類型與速度雅可比199
*66雅可比的廣義逆201
661冗余度機器人的逆雅可比201
662奇異位姿下的逆雅可比204
67串聯(lián)機器人靜力學(xué)205
671靜力雅可比205
672靜力雅可比與速度雅可比之間的
對偶性207
673遞推法計算關(guān)節(jié)力/力矩208
674剛體上兩點間速度和力的關(guān)系211
68串聯(lián)機器人性能分析與評價213
681靈巧性分析213
682力橢球216
69本章小結(jié)218
延讀文獻219
習(xí)題219
第7章并聯(lián)機器人運動學(xué)基礎(chǔ)223
71并聯(lián)機器人的主要應(yīng)用223
72并聯(lián)機器人的位移求解227
721求解方法概述227
722實例分析228
73并聯(lián)機器人的速度雅可比240
731位移方程直接求導(dǎo)法241
*732旋量法242
74并聯(lián)機器人的奇異性分析243
741并聯(lián)機器人奇異的分類243
742并聯(lián)機器人奇異的求解方法
簡介244
75本章小結(jié)245
延讀文獻246
習(xí)題246
第8章串聯(lián)機器人的動力學(xué)建模249
81機器人動力學(xué)建模的目的與意義249
82剛體的慣性250
83基于拉格朗日方程的串聯(lián)機器人
動力學(xué)建模255
84基于牛頓歐拉方程的串聯(lián)機器人
動力學(xué)建模264
841連桿的加速度計算公式264
842連桿速度、加速度的向外遞推
公式266
843關(guān)節(jié)力/力矩的向內(nèi)遞推公式267
844牛頓歐拉動力學(xué)遞推算法
總結(jié)268
85摩擦、傳動比及驅(qū)動空間動力學(xué)273
851摩擦的影響273
852傳動比的影響274
853驅(qū)動空間動力學(xué)方程277
86操作空間動力學(xué)方程277
87本章小結(jié)280
延讀文獻280
習(xí)題281
第9章機器人軌跡生成283
91軌跡生成的一般概念283
92關(guān)節(jié)空間軌跡生成與插補288
921二次組合曲線軌跡289
922三次多項式與速度S曲線軌跡296
923五次多項式軌跡299
924小結(jié)301
93笛卡兒空間軌跡生成和插補301
931直線路徑的參數(shù)化表達及軌跡
生成302
932圓弧路徑的參數(shù)化表達304
933姿態(tài)的表達和軌跡生成306
934笛卡兒空間路徑規(guī)劃注意事項308
94軌跡生成的實現(xiàn)310
941程序的模塊化310
942軌跡生成與運動控制310
95本章小結(jié)312
延讀文獻312
習(xí)題312
第10章機器人控制基礎(chǔ)314
101機器人控制問題概述314
102機器人運動控制系統(tǒng)硬件原理318
1021運動控制器的功能和原理
簡述319
1022驅(qū)動器與電動機閉環(huán)控制
簡述322
103驅(qū)動器與電動機模型326
1031電動機的速度模型326
1032電動機的力矩模型329
104分散控制331
1041速度模式下的獨立關(guān)節(jié)PID
運動控制器332
1042力矩模式下的獨立關(guān)節(jié)PID
運動控制器335
1043速度和加速度前饋補償341
1044集中前饋補償獨立關(guān)節(jié)PID
控制器343
105PID控制器的離散化345
1051數(shù)字控制系統(tǒng)簡介346
1052數(shù)字PID算法的實現(xiàn)347
106機器人力控制的基本概念350
107本章小結(jié)351
延讀文獻352
習(xí)題352
附錄355
附錄A旋量理論基礎(chǔ)355
A1旋量、線矢量與偶量355
A2旋量的基本運算356
A3運動旋量與力旋量357
A4旋量系358
A5運動旋量系與約束旋量系360
A6小結(jié)362
延讀文獻362
附錄BMATLAB編程362
參考文獻367