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第1章 引言 1

1.1 机器人学 1

1.2 机器人机械结构 3

1.2.1 机器人机械手 3

1.2.2 移动机器人 7

1.3 工业机器人学 10

1.4 先进机器人学 18

1.4.1 野外机器人 18

1.4.2 服务机器人 19

1.5 机器人建模、规划与控制 22

1.5.1 建模 22

1.5.2 规划 22

1.5.3 控制 23

参考资料 24

第2章 运动学 28

2.1 刚体的姿态 28

2.2 旋转矩阵 29

2.2.1 基本旋转 29

2.2.2 向量的表示 30

2.2.3 向量的旋转 32

2.3 旋转矩阵的合成 32

2.4 欧拉角 34

2.4.1 ZYZ角 35

2.4.2 RPY角 36

2.5 角和轴 37

2.6 单位四元数 39

2.7 齐次变换 40

2.8 正运动学 41

2.8.1 开链 43

2.8.2 Denavit-Hartenberg法 44

2.8.3 闭链 46

2.9 典型机械手结构运动学 49

2.9.1 三连杆平面臂 49

2.9.2 平行四边形臂 51

2.9.3 球形臂 53

2.9.4 拟人臂 54

2.9.5 球形腕 55

2.9.6 斯坦福机械手 56

2.9.7 带球形腕的拟人臂 57

2.9.8 DLR机械手 59

2.9.9 类人机械手 61

2.10 关节空间与操作空间 62

2.10.1 工作空间 64

2.10.2 运动学冗余 65

2.11 运动学标定 66

2.12 逆运动学问题 67

2.12.1 三连杆平面臂的求解 68

2.12.2 带球形腕机械手的求解 70

2.12.3 球形臂的求解 71

2.12.4 拟人臂的求解 71

2.12.5 球形腕的求解 74

参考资料 74

习题 74

第3章 微分运动学和静力学 77

3.1 几何雅可比矩阵 77

3.1.1 旋转矩阵求导 78

3.1.2 连杆速度 79

3.1.3 雅可比矩阵计算 81

3.2 典型机械手结构的雅可比矩阵 83

3.2.1 三连杆平面臂 83

3.2.2 拟人臂 84

3.2.3 斯坦福机械手 85

3.3 运动学奇点 85

3.3.1 奇点解耦 87

3.3.2 腕奇点 87

3.3.3 臂奇点 88

3.4 冗余分析 89

3.5 逆微分运动学 91

3.5.1 冗余机械手 91

3.5.2 运动学奇点 93

3.6 分析雅可比矩阵 94

3.7 逆运动学算法 97

3.7.1 （广义-）逆雅可比矩阵 98

3.7.2 雅可比矩阵转置 99

3.7.3 方向误差 101

3.7.4 二阶算法 104

3.7.5 逆运动学算法之间的对比 105

3.8 静力学 108

3.8.1 运动静力学二元性 109

3.8.2 速度和力变换 110

3.8.3 闭链 111

3.9 可操纵性椭球体 112

参考资料 116

习题 116

第4章 轨迹规划 118

4.1 路径和轨迹 118

4.2 关节空间轨迹 119

4.2.1 点对点运动 119

4.2.2 通过系列点的运动 123

4.3 操作空间轨迹 131

4.3.1 路径基元 132

4.3.2 位置 134

4.3.3 指向 136

参考资料 137

习题 138

第5章 执行器与传感器 139

5.1 关节执行系统 139

5.1.1 传动装置 140

5.1.2 伺服发动机 140

5.1.3 功率放大器。 143

5.1.4 能源 143

5.2 驱动 144

5.2.1 电气驱动 144

5.2.2 液压驱动 147

5.2.3 传动装置影响 148

5.2.4 位置控制 150

5.3 本体传感器 152

5.3.1 位置传感器 152

5.3.2 速度传感器 155

5.4 外部传感器 155

5.4.1 力传感器 155

5.4.2 距离传感器 158

5.4.3 视觉传感器 162

参考资料 166

习题 166

第6章 控制体系 167

6.1 功能体系 167

6.2 编程环境 170

6.2.1 示教 171

6.2.2 面向机器人编程 172

6.3 硬件体系 173

参考资料 175

习题 175

第7章 动力学 177

7.1 拉格朗日公式 177

7.1.1 动能计算 178

7.1.2 势能计算 182

7.1.3 运动方程 183

7.2 动力学模型的典型性质 184

7.2.1 矩阵阵？-2C的反对称性 184

7.2.2 动力学参数的线性性 186

7.3 简单机械手结构的动力学模型 189

7.3.1 两连杆笛卡儿臂 189

7.3.2 两连杆平面臂 190

7.3.3 平行四边形臂 198

7.4 动力学参数辨识 202

7.5 牛顿-欧拉公式 204

7.5.1 连杆加速度 206

7.5.2 递归算法 207

7.5.3 示例 209

7.6 动力学正解与逆解问题 211

7.7 轨迹的动态标度 213

7.8 操作空间动力学模型 214

7.9 动力学可操作椭球 216

参考资料 217

习题 218

第8章 运动控制 220

8.1 控制问题 220

8.2 关节空间控制 221

8.3 分散控制 224

8.3.1 独立关节控制 225

8.3.2 分散前馈补偿 232

8.4 计算转矩前馈控制 235

8.5 集中控制 237

8.5.1 重力补偿PD控制 238

8.5.2 逆动力学控制 239

8.5.3 鲁棒控制 241

8.5.4 自适应控制 246

8.6 操作空间控制 249

8.6.1 总体方案 249

8.6.2 重力补偿PD控制 250

8.6.3 逆动力学控制 252

8.7 不同控制方案的比较 253

参考资料 263

习题 263

第9章 力控制 265

9.1 机械手与外部环境的交互 265

9.2 柔量控制 266

9.2.1 被动柔量 266

9.2.2 主动柔量 267

9.3 阻抗控制 271

9.4 力控制 275

9.4.1 包含内位置回路的力控制 276

9.4.2 包含内速度回路的力控制 277

9.4.3 并联力／位置控制 277

9.5 约束运动 280

9.5.1 刚性环境 280

9.5.2 柔性环境 283

9.6 自然约束与人工约束 284

9.6.1 任务分析 285

9.7 混合力／力矩控制 288

9.7.1 柔性环境 289

9.7.2 刚性环境 292

参考资料 294

习题 294

第10章 视觉伺服系统 296

10.1 用于控制的视觉 296

10.1.1 视觉系统配置 297

10.2 图像处理 298

10.2.1 图像分割 298

10.2.2 图像解释 301

10.3 位姿估计 303

10.3.1 解析解 303

10.3.2 相互作用矩阵 307

10.3.3 算法解 310

10.4 立体视觉 314

10.4.1 核面几何 314

10.4.2 三角测量 315

10.4.3 绝对定向 316

10.4.4 根据平面单应性实现的3D重建 317

10.5 相机标定 318

10.6 视觉伺服问题 320

10.7 基于位置的视觉伺服 322

10.7.1 重力补偿PD控制 323

10.7.2 速度分解控制 323

10.8 基于图像的视觉伺服 325

10.8.1 重力补偿PD控制 325

10.8.2 速度分解控制 326

10.9 不同控制方案之间的比较 328

10.10 复合视觉伺服 333

参考资料 337

习题 337

第11章 移动机器人 339

11.1 非完整约束 339

11.1.1 可积性条件 341

11.2 运动学模型 344

11.2.1 独轮车 345

11.2.2 两轮车 346

11.3 链式系统 348

11.4 动力学模型 351

11.5 规划 353

11.5.1 规划和时间律 354

11.5.2 平滑输出 355

11.5.3 路径规划 356

11.5.4 轨迹规划 360

11.5.5 最优轨迹 361

11.6 运动控制 363

11.6.1 轨迹跟踪 364

11.6.2 校正 369

11.7 里程定位 372

参考资料 374

习题 375

第12章 运动规划 377

12.1 问题的规范描述 377

12.2 位形空间 378

12.2.1 距离 379

12.2.2 障碍 380

12.2.3 障碍举例 380

12.3 基于回缩的路径规划 383

12.4 基于单元分解的路径规划 386

12.4.1 精确分解 386

12.4.2 近似分解 388

12.5 概率规划 390

12.5.1 PRM方法 390

12.5.2 双向RRT方法 391

12.6 基于人工势场的规划方法 393

12.6.1 引力势场 393

12.6.2 斥力势场 394

12.6.3 总势场 396

12.6.4 规划方法 396

12.6.5 局部极小值问题 397

12.7 机器人机械手情形 399

参考资料 401

习题 401

附录A 线性代数 403

A.1 定义 403

A.2 矩阵运算 404

A.3 向量运算 407

A.4 线性变换 409

A.5 特征值与特征向量 410

A.6 双线性型与二次型 411

A.7 广义逆 412

A.8 奇异值分解 413

参考资料 414

附录B 刚体力学 415

B.1 运动学 415

B.2 动力学 416

B.3 功与能 419

B.4 约束系统 419

参考资料 421

附录C 反馈控制 422

C.1 线性系统单输入／单输出控制 422

C.2 非线性机械系统的控制 426

C.3 李亚普诺夫直接法 427

参考资料 429

附录D 微分几何 430

D.1 向量场与李氏括号 430

D.2 非线性可控性 432

参考资料 434

附录E 图搜索算法 435

E.1 复杂度 435

E.2 广度优先搜索和深度优先搜索 436

E.3 A算法 436

参考资料 437

参考文献 438

索引 453