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第一章 绪论 1

1.1机器人的发展 1

1.2机器人的基本结构 4

1.2.1机器人的机械结构 4

1.2.2关节驱动 6

1.2.3计算机控制 7

1.2.4感觉系统与通讯接口 7

1.3工业机器人的指标 8

1.3.1自由度 8

1.3.2工作空间 8

1.3.3工作速度 10

1.3.4精度、重复精度与分辨率 10

1.4机器人的分类 11

1.4.1操作型机器人的基本结构分类 12

1.4.2直接驱动与间接驱动 13

1.4.3机器人按动力源分类 14

1.4.4机器人按工作方式分类 15

1.4.5机器人按示教方式分类 15

1.5机器人与现代科学技术 16

1.5.1机械方面 16

1.5.2控制方面 17

1.6机器人与现代生产 19

1.6.1市场的需要 19

1.6.2生产领域扩大的需要 20

1.6.3提高生产率的需要 20

1.6.4改善工作劳动条件的需要 20

1.6.5机器人在生产中的应用 21

1.6.6机器人与计算机综合制造系统CIMS 21

1.7教材内容简介 23

1.8本书所用符号简介 24

第二章 空间描述与变换 26

2.1引言 26

2.2坐标变换的概念 26

2.3物体位置，方位与标架的描述 32

2.3.1位置 32

2.3.2方位 33

2.3.3位姿及标架的描述 34

2.4物体描述在不同标架间的变换——映象变换 37

2.4.1映象的概念 37

2.4.2映象的性质 40

2.5在同一坐标中改变物体的位姿——变换算子 41

2.5.1变换算子的概念 41

2.5.2相对变换与绝对变换 44

2.5.3变换算子的性质 47

2.6齐次变换矩阵的三种作用 49

2.7变换的演算 50

2.7.1逆变换 50

2.7.2变换方程式 54

2.8位置的其他表示法 59

2.9.1圆柱坐标 59

2.8.2球坐标 62

2.9方位的其他表示法 63

2.9.1绕固定参考坐标轴旋转——绝对变换RPY 63

2.9.2绕本身标架轴旋转——相对变换欧拉角 65

2.9.3绕任意轴旋转 67

2.10研究动向 74

第三章 运动学 75

3.1引言 75

3.2杆件、关节、标架及杆件变换的描述 77

3.2.1机器人臂上的杆件、关节、标架及其序号 77

3.2.2杆件的参数 79

3.2.3杆件联接与关节参数 79

3.2.4Denavit-Hartenberg描述 80

3.3建立运动学方程 87

3.3.1Puma手计算实例 88

3.3.2Stanford手计算实例 90

3.3.3简化计算的考虑 91

3.4运动学方程的可解性与重解 93

3.4.1工作空间与解的存在性 93

3.4.2少于6自由度的操作子空间 95

3.4.3重解 96

3.4.4可解性 98

3.5解运动学方程的代数方法与几何方法 99

3.5.1代数方法解运动学方程 99

3.5.2几何方法解运动学方程 105

3.5.3退化 105

3.5.4三轴相交时的Pieper解法 106

3.6研究动向 113

第四章 微分运动与雅可比矩阵 114

4.1引言 114

4.2瞬时运动的运动学模型 114

4.2.1微分运动 114

4.2.2微分转动的向量表示 116

4.2.3微分运动在标架间的转换 119

4.2.4速度的描述 125

4.3雅可比矩阵 128

4.3.1速度分析法求雅可比矩阵 129

4.3.2微分分析法求雅可比矩阵 136

4.4逆雅可比——瞬时运动学的逆问题 142

4.4.1雅可比求逆——分解运动速率 142

4.4.2冗余度 145

4.4.3最优解 146

4.4.4雅可比求逆的方法 148

4.5研究动向 153

第五章 机器人静力学和动力学 155

5.1引言 155

5.2力学基础知识 155

5.2.1速度、加速度合成定理 155

5.2.2质心运动定理和欧拉方程 161

5.2.3虚位移原理 164

5.2.4拉格朗日方程 167

5.3机器人静力学 172

5.3.1力和力矩分析及传播 172

5.3.2关节力矩 174

5.3.3关节力矩与末点力 178

5.3.4对偶性 180

5.4拉格朗日方程 182

5.4.1拉格朗日方程的推导 183

5.4.2广义坐标的变换 189

5.4.3实例 191

5.4.4动力学方程的物理解释 164

5.5牛顿-欧拉法 199

5.5.1基本运动方程 199

5.5.2封闭形式的动力学方程 200

5.5.3迭代形式的牛顿-欧拉方程 204

5.5.4关于自身标架的迭代方程 212

5.5.5实例 215

5.6研究动向 222

第六章 轨迹生成 224

6.1引言 224

6.2在线示教与离线编程 229

6.2.1任务描述 229

6.2.2建立变换方程 230

6.2.3设定参考坐标 232

6.2.4位姿矩阵的计算 233

6.2.5用摄象机取数 237

6.2.6离线编程 237

6.2.7跟踪输送机 240

6.3轨迹生成的一般考虑 240

6.3.1插补的必要性 240

6.3.2关节插补与空间插补 241

6.3.3点位PTP控制与连续轨迹CP控制 244

6.3.4插补器的基本结构 252

6.4位置间运动的过渡 257

6.5关节运动轨迹插补 262

6.5.1不确切通过中间点的轨迹 262

6.5.2确切通过中间点的轨迹 263

6.6直角坐标空间运动轨迹插补 267

6.6.1位置间工具及坐标系的转换 267

6.6.2位置间运动 270

6.6.3轨迹段间的过渡 274

6.7研究动向 282

第七章 轨迹控制 284

7.1引言 284

7.2PID位置控制 288

7.2.1单杆机械手控制 288

7.2.2稳定与不超调 290

7.2.3刚度与伺服误差 292

7.2.4PID控制 300

7.2.5多杆机械手的控制 302

7.3计算力矩控制 303

7.3.1控制法则分解 303

7.3.2多输入／输出控制系统 310

7.2.3机械手的关节控制 311

7.3.4机械手的直角坐标轨迹控制 313

7.3.5控制方案实施中的一些具体问题 315

7.4变结构控制 317

7.4.1滑模控制的性质 318

7.4.2用开关控制进行理想的跟踪 325

7.4.3用连续控制规律逼近开关控制 332

7.4.4机器人轨迹中的鲁棒控制 339

7.4.5模型与性能的折衷 345

7.5研究动向 347

习题 349

参考文献 368