内容简介

本书主要内容包括绪论、机器人仿真工具基础、机器人学的数学基础、机器人正向运动学分析、机器人逆向运动学分析、机器人速度分析、机器人静力学分析、机器人动力学分析、机器人轨迹规划、机器人控制、机器人力的控制、机器人先进控制、基于视觉的机器人控制、机器人高级应用、空间机器人。本书在机器人学理论的内容中，加入了先进的仿真内容，由浅入深，使读者从繁重的公式计算中脱离出来，便于读者学懂弄通；本书还给出了典型多自由度机器人的公式推导结果，如 SCARA 机器人、斯坦福机械手、PUMA560 、ABB 机器人等，便于读者在实际应用时参考；本书后半部分对机器人视觉、双臂机器人、人形机器人、机器人增材制造、空间机器人进行了分析和讲解，便于读者在相关前沿领域开发应用时参考。

目录

前言
第1章绪论1
1．1机器人与机器人学1
1．2机器人的分类2
1．3工业机器人的组成6
1．4机器人基本参数和性能指标10
1．5机器人的发展趋势12
1．6小结14
第2章机器人仿真工具基础15
2．1数学建模仿真工具基础15
2．1．1MATLAB软件介绍15
2．1．2Simulink仿真工具箱简介16
2．2多体系统建模仿真工具基础23
2．2．1ADAMS软件介绍23
2．2．2单连杆机器人建模仿真案例25
2．3二连杆机器人建模33
2．3．1问题描述33
2．3．2创建载荷34
2．3．3创建系统状态变量35
2．3．4创建输出/输入对象36
2．3．5创建转矩37
2．3．6导出控制对象37
2．4拟人臂机器人建模39
2．4．1问题描述39
2．4．2最终模型40
2．4．3创建系统状态变量和输入/输出
对象40
2．4．4导出控制对象40
2．5球坐标机器人（RRP）建模41
2．5．1问题描述41
2．5．2最终模型41
2．5．3创建系统状态变量和输入/输出
对象41
2．5．4创建关节驱动42
2．5．5导出控制对象43
2．6二连杆机器人刚柔耦合建模44
2．6．1问题描述44
2．6．2刚柔杆的替换方法44
第3章机器人学的数学基础45
3．1空间基本概念描述45
3．1．1点的空间描述45
3．1．2矢量的空间描述46
3．1．3刚体运动及刚体变换47
3．2刚体位姿的空间描述47
3．2．1刚体位置的空间描述47
3．2．2刚体姿态的空间描述——旋转
矩阵48
3．3齐次坐标变换——刚体运动变换
矩阵50
3．4刚体姿态的其他描述方法52
3．4．1RPY角52
3．4．2欧拉角54
3．4．3四元数57
3．5相对于参考系的坐标变换58
3．5．1相对于参考系的平移变换58
3．5．2相对于参考系的旋转变换59
3．5．3相对于参考系的复合变换61
3．6相对于本地坐标系的变换63
3．7旋转矩阵的指数坐标形式65
3．8刚体变换矩阵的指数坐标形式67
第4章机器人正向运动学分析71
4．1标准D-H法71
4．2修正的D-H法88
4．3机器人正向运动学的指数积公式96
第5章机器人逆向运动学分析108
5．1几何法108
5．2直接代数法110
5．3串联机器人逆向运动学通用解法115
第6章机器人速度分析134
6．1微分运动与雅可比矩阵134
6．2斜对称矩阵137
6．3角速度及角速度叠加原理141
6．4线速度叠加原理142
6．5完整雅可比矩阵计算143
6．6刚体的空间速度与物体速度148
6．7基于指数积公式的雅可比矩阵推导151
6．8雅可比矩阵的逆与奇异性157
6．9雅可比矩阵的伪逆159
6．10雅可比矩阵与灵巧度162
第7章机器人静力学分析165
7．1连杆的受力和平衡分析165
7．2力雅可比矩阵166
7．3二连杆机器人静力学建模171
7．3．1初始位姿调整171
7．3．2施加负载和转矩172
7．3．3仿真设置及结果173
第8章机器人动力学分析174
8．1拉格朗日法174
8．2单连杆机械人动力学分析177
8．3二连杆机器人动力学分析177
8．4单连杆机器人动力学仿真180
8．4．1问题描述181
8．4．2创建系统变量和输入对象181
8．4．3修正关节转矩变量表达式182
8．5基于递归牛顿-欧拉法的动力学
方程184
8．5．1刚体的线加速度和角加速度185
8．5．2惯性张量185
8．5．3速度和加速度的外推186
8．5．4关节力矩的内推187
8．5．5基于牛顿-欧拉法的二连杆机械
臂动力学仿真分析188
第9章机器人轨迹规划193
9．1轨迹规划基本原理193
9．2关节空间轨迹规划194
9．2．1三次多项式插值194
9．2．2五次多项式插值197
9．2．3带抛物线过渡线性插值200
9．3直角坐标空间轨迹规划203
9．4考虑姿态的直角坐标空间轨迹规划212
第10章机器人控制217
10．1关节独立PD控制217
10．2单连杆PD控制仿真218
10．3带重力补偿的单连杆PD控制219
10．4二连杆PD控制仿真221
10．5拟人臂机械手PD控制仿真222
10．6基于逆向动力学模型的控制224
10．6．1非线性模型的反馈线性化224
10．6．2模型线性化+闭环反馈控制225
10．7基于逆向动力学模型的机器人控制
仿真226
第11章机器人力的控制230
11．1机器人被动柔顺控制230
11．2机器人主动柔顺控制230
11．3机器人阻抗控制231
11．3．1机器人关节空间阻抗控制231
11．3．2机器人直角坐标空间阻抗
控制233
11．4机器人主动刚度控制234
11．5力位置混合控制235
11．6二连杆机器人关节空间阻抗控制
仿真236
11．7二连杆机器人直角坐标空间阻抗
控制仿真240
11．8二连杆机

前言/序言

当前新一轮科技革命和产业变革加速演进，新一代人工智能技术、生物技术、新能源、新材料等与机器人技术深度融合，机器人技术和产业迎来升级换代、跨越发展的窗口期。机器人学是一门涉及机械、电子、电气、计算机、控制等的交叉学科。在学习过程中，机器人学的核心概念，如位姿描述、齐次坐标变换、D-H 法、运动学、雅可比、静力学、动力学、轨迹规划、先进控制等涉及大量的数学运算，随着机器人自由度数的增加，经理论推导得到的公式越来越庞大，对于一般读者来说较为抽象。而机器人仿真技术可以使读者从繁杂的机器人理论中脱离出来，对机器人知识有更感性的认识，不至于使机器人理论学习过于枯燥，能增强学习效果。

    本书可供从事机器人研究、开发和应用的技术人员阅读使用，也可作为普通高等院校机械、自动化、人工智能等相关专业的教材。全书共有15章，主要内容包括：绪论、机器人仿真工具基础、机器人学的数学基础、机器人正向运动学分析、机器人逆向运动学分析、机器人速度分析、机器人静力学分析、机器人动力学分析、机器人轨迹规划、机器人控制、机器人力的控制、机器人先进控制、基于视觉的机器人控制、机器人高级应用、空间机器人。针对本科生和低年级研究生，本书的一大特色就是在机器人学理论的内容中，加入了先进的仿真内容，主要是基于 MATLAB/Simulink 和 ADAMS 软件，从而使读者从繁重的公式计算中脱离出来，以一个具体的二连杆机器人作为对象进行计算，将数学推导和仿真建模过程一一展开，结果以图形、动画的形式展示，便于读者学懂弄通。针对研究生、企业开发人员和应用人员，为接近实际的应用，本书还给出了典型多自由度机器人的公式推导结果，如 SCARA 机器人、斯坦福机械手、PUMA560 、ABB 机器人等，以便于读者在其他场合应用参考。本书的另一大特色就是在后半部分，对机器人高端应用领域的机器人视觉、双臂机器人、人形机器人、机器人增材制造、空间机器人进行了分析和讲解，以便于读者在相关前沿领域开发应用时参考。

    本书由王磊和刘海涛编著。其中，王磊负责搭建全书框架，并参加了第1、2、14和15章的编写工作；其余章由刘海涛负责编写。书中涉及大量的方程推导和程序代码编写，由刘海涛负责在计算机上做了运行验证，读者在学习机器人过程可以直接联系作者（刘海涛微信号：heitaoliu19811001）进行答疑和交流。

    在本书编写过程中，得到了中国工程院卢秉恒院士等诸多专家的指导和支持，听取了西安交通大学、西安工业大学、西北工业大学、清华大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、华中科技大学、浙江大学、上海交通大学、西安科技大学、大连理工大学、燕山大学、西安电子科技大学、中国空间技术研究院、中国航天科技创新研究院、国家增材制造创新中心、中国机器人产业联盟等众多高校、科研院所和企业领域专家的宝贵意见和建议，得到了军科委“173计划”项目、科技部国家重点研发计划项目和中国工程院战略研究与咨询项目的资助。在此，作者一并表示衷心的感谢！

    由于本书内容涉及的知识较广，限于作者时间和水平，书中难免有一些疏漏和不足之处，恳请广大读者和专家批评指正。

                                                                                                 作者