机器人学导论 分析、控制及应用 第2版PDF电子书下载

第1章 基础知识 1

1.1引言 1

1.2什么是机器人 2

1.3机器人的分类 3

1.4什么是机器人学 3

1.5机器人的发展历史 3

1.6机器人的优缺点 5

1.7机器人的组成部件 5

1.8机器人的自由度 7

1.9机器人关节 9

1.10机器人的坐标 9

1.11机器人的参考坐标系 10

1.12机器人的编程模式 11

1.13机器人的性能指标 11

1.14机器人的工作空间 12

1.15机器人语言 13

1.16机器人的应用 15

1.17其他机器人及其应用 19

1.18机器人的社会问题 21

小结 22

参考文献 22

习题 24

第2章 机器人位置运动学 25

2.1引言 25

2.2机器人机构 25

2.3符号规范 26

2.4机器人运动学的矩阵表示 27

2.4.1空间点的表示 27

2.4.2空间向量的表示 27

2.4.3坐标系在固定参考坐标系原点的表示 29

2.4.4坐标系在固定参考坐标系中的表示 29

2.4.5刚体的表示 30

2.5齐次变换矩阵 33

2.6变换的表示 33

2.6.1纯平移变换的表示 33

2.6.2绕轴纯旋转变换的表示 35

2.6.3复合变换的表示 37

2.6.4相对于旋转坐标系的变换 39

2.7变换矩阵的逆 41

2.8机器人的正逆运动学 44

2.9位置的正逆运动学方程 45

2.9.1直角（台架）坐标 45

2.9.2圆柱坐标 46

2.9.3球坐标 47

2.9.4链式坐标 49

2.10姿态的正逆运动学方程 49

2.10.1滚动角、俯仰角和偏航角 49

2.10.2欧拉角 52

2.10.3链式关节 53

2.11位姿的正逆运动学方程 54

2.12机器人正运动学方程的D-H表示 54

2.13机器人的逆运动学解 66

2.13.1链式机器人臂的一般解 67

2.14机器人的逆运动学编程 70

2.15机器人的退化和灵巧特性 72

2.15.1退化 72

2.15.2灵巧 72

2.16 D-H表示法的基本问题 73

2.17设计项目 74

2.17.1 3自由度机器人 75

2.17.2 3自由度移动机器人 76

小结 76

参考文献 77

习题 77

第3章 微分运动和速度 86

3.1引言 86

3.2微分关系 86

3.3雅可比矩阵 87

3.4微分运动与大范围运动 89

3.5坐标系的微分运动与机器人的微分运动 90

3.6坐标系的微分运动 91

3.6.1微分平移 91

3.6.2绕参考轴的微分旋转 91

3.6.3绕一般轴q的微分旋转 92

3.6.4坐标系的微分变换 93

3.7微分变化的解释 94

3.8坐标系之间的微分变化 95

3.9机器人和机器人手坐标系的微分运动 96

3.10雅可比矩阵的计算 97

3.11如何建立雅可比矩阵和微分算子之间的关联 100

3.12雅可比矩阵求逆 102

3.13设计项目 108

3.13.1 3自由度机器人 108

3.13.2 3自由度移动机器人 108

小结 108

参考文献 109

习题 109

第4章 动力学分析和力 112

4.1引言 112

4.2拉格朗日力学的简短回顾 113

4.3有效转动惯量 119

4.4多自由度机器人的动力学方程 120

4.4.1动能 120

4.4.2势能 124

4.4.3拉格朗日函数 124

4.4.4机器人运动方程 124

4.5机器人的静力分析 130

4.6坐标系间力和力矩的变换 131

4.7设计项目 133

小结 133

参考文献 134

习题 134

第5章 轨迹规划 136

5.1引言 136

5.2路径与轨迹 136

5.3关节空间描述与直角坐标空间描述 136

5.4轨迹规划的基本原理 137

5.5关节空间的轨迹规划 140

5.5.1三次多项式轨迹规划 140

5.5.2五次多项式轨迹规划 143

5.5.3抛物线过渡的线性段 143

5.5.4具有中间点及用抛物线过渡的线性段 145

5.5.5高次多项式运动轨迹 146

5.5.6其他轨迹 149

5.6直角坐标空间的轨迹规划 149

5.7连续轨迹记录 152

5.8设计项目 153

小结 153

参考文献 153

习题 154

第6章 运动控制系统 155

6.1引言 155

6.2基本组成和术语 155

6.3结构图 156

6.4系统动力学 156

6.5拉普拉斯变换 158

6.6拉普拉斯反变换 160

6.6.1 F（s）的极点无重根时的部分分式展开 161

6.6.2 F（s）的极点含重根时的部分分式展开 162

6.6.3 F（s）的极点含共轭复根时的部分分式展开 163

6.7传递函数 164

6.8结构图代数 166

6.9一阶传递函数的特性 168

6.10二阶传递函数的特性 170

6.11特征方程：零极点分布 172

6.12稳态误差 173

6.13根轨迹法 175

6.14比例控制器 179

6.15比例积分控制器 182

6.16比例加微分控制器 184

6.17比例积分微分（PID）控制器 186

6.18超前和滞后补偿器 188

6.19伯德图和频域分析 188

6.20开环和闭环表示的应用对比 189

6.21多输入多输出系统 190

6.22状态空间控制方法 191

6.23数字控制 193

6.24非线性控制系统 195

6.25机电系统动力学：机器人驱动和控制 196

6.26设计项目 200

小结 200

参考文献 200

习题 200

第7章 驱动器和驱动系统 203

7.1引言 203

7.2驱动系统的特性 203

7.2.1标称特性 203

7.2.2刚度和柔性 204

7.2.3使用减速齿轮 204

7.3驱动系统的比较 207

7.4液压驱动器 207

7.5气动装置 213

7.6电机 213

7.6.1交流型和直流型电机的基本区别 214

7.6.2直流电机 216

7.6.3交流电机 218

7.6.4无刷直流电机 218

7.6.5直接驱动电机 219

7.6.6伺服电机 219

7.6.7步进电机 221

7.7电机的微处理器控制 232

7.7.1脉冲宽度调制 233

7.7.2采用H桥的直流电机转向控制 234

7.8磁致伸缩驱动器 235

7.9形状记忆金属 235

7.10电活性聚合物（EAP） 236

7.11减速器 236

7.12其他系统 238

7.13设计项目 239

7.13.1设计项目1 239

7.13.2设计项目2 239

7.13.3设计项目3 240

7.13.4设计项目4 241

小结 241

参考文献 241

习题 242

第8章 传感器 244

8.1引言 244

8.2传感器的特性 244

8.3传感器的使用 246

8.4位置传感器 247

8.4.1电位器 247

8.4.2编码器 247

8.4.3线位移差动变压器 250

8.4.4旋转变压器 251

8.4.5传输时间测量（磁反射）型位移传感器 251

8.4.6霍尔传感器 252

8.4.7其他装置 252

8.5速度传感器 252

8.5.1编码器 252

8.5.2测速计 253

8.5.3位置信号微分 253

8.6加速度传感器 253

8.7力和压力传感器 254

8.7.1压电晶体 254

8.7.2力敏电阻 254

8.7.3应变片 254

8.7.4防静电泡沫 255

8.8力矩传感器 255

8.9微动开关 256

8.10可见光和红外传感器 256

8.11接触和触觉传感器 256

8.12接近觉传感器 257

8.12.1磁感应接近觉传感器 257

8.12.2光学接近觉传感器 258

8.12.3超声波接近觉传感器 258

8.12.4感应式接近觉传感器 259

8.12.5电容式接近觉传感器 259

8.12.6涡流接近觉传感器 259

8.13测距仪 260

8.13.1超声波测距仪 260

8.13.2光测距仪 261

8.13.3全球定位系统（GPS） 262

8.14嗅觉传感器 262

8.15味觉传感器 262

8.16视觉系统 263

8.17语音识别装置 263

8.18语音合成器 263

8.19远程中心柔顺装置 264

8.20设计项目 266

小结 266

参考文献 267

第9章 视觉系统图像处理和分析 268

9.1引言 268

9.2基本概念 268

9.2.1图像处理与图像分析 268

9.2.2二维和三维图像 268

9.2.3图像的本质 269

9.2.4图像的获取 269

9.2.5数字图像 270

9.2.6频域和空域 271

9.3信号的傅里叶变换及频谱 271

9.4图像的频谱：噪声和边缘 273

9.5分辨率和量化 274

9.6采样理论 276

9.7图像处理技术 278

9.8图像直方图 279

9.9阈值处理 280

9.10空域操作：卷积掩模 282

9.11连通性 285

9.12降噪 287

9.12.1采用卷积掩模的邻域平均 287

9.12.2图像平均 289

9.12.3频域 289

9.12.4中值滤波器 289

9.13边缘检测 290

9.14锐化图像 295

9.15霍夫变换 295

9.16分割 298

9.17基于区域增长和区域分解的分割 298

9.18二值形态操作 300

9.18.1加厚操作 301

9.18.2扩张操作 302

9.18.3腐蚀操作 302

9.18.4骨架化 303

9.18.5放缩操作 304

9.18.6缩放操作 304

9.18.7填充操作 304

9.19灰度形态操作 304

9.19.1腐蚀操作 305

9.19.2扩张操作 305

9.20图像分析 305

9.21基于特征的物体识别 305

9.21.1用于物体辨识的基本特征 305

9.21.2矩 306

9.21.3模板匹配 311

9.21.4离散傅里叶描述算子 311

9.21.5计算机断层造影 312

9.22视觉系统中的深度测量 312

9.22.1场景分析与映射 312

9.22.2距离检测和深度分析 313

9.22.3立体成像 313

9.22.4利用阴影和大小进行场景分析 314

9.23特殊光照 314

9.24图像数据压缩 315

9.24.1帧内空域技术 315

9.24.2帧间编码技术 316

9.24.3压缩技术 316

9.25彩色图像 317

9.26启发式方法 317

9.27视觉系统的应用 317

9.28设计项目 318

小结 319

参考文献 319

习题 320

第10章 模糊逻辑控制 325

10.1引言 325

10.2模糊控制需要什么 326

10.3清晰值与模糊值 327

10.4模糊集合：隶属度与真值度 327

10.5模糊化 328

10.6模糊推理规则库 329

10.7清晰化 331

10.7.1重心法 331

10.7.2 Mamdani推理法 331

10.8模糊逻辑控制器的仿真 334

10.9模糊逻辑在机器人中的应用 336

10.10设计项目 339

小结 339

参考文献 339

习题 340

附录A 矩阵代数和三角学复习 341

附录B 图像采集系统 347

附录C 采用MATLAB的根轨迹和伯德图 350

附录D 利用商用软件的机器人仿真 353