第1章 导论 1
1.1 机器人的数学模型 2
1.1.1 机器人的符号表示 2
1.1.2 位形空间 3
1.1.3 状态空间 3
1.1.4 工作空间 3
1.2 机器人作为一种机械装置 4
1.2.1 机器人机械臂的分类 4
1.2.2 机器人系统 5
1.2.3 精度和重复精度 5
1.2.4 手腕和末端执行器 6
1.3 常见的运动学配置 7
1.3.1 关节型机械臂（RRR） 7
1.3.2 球坐标机械臂（RRP） 7
1.3.3 SCARA型机械臂（RRP） 8
1.3.4 圆柱型机械臂（RPP） 8
1.3.5 笛卡儿型机械臂（PPP） 9
1.3.6 并联机械臂 9
1.4 本书概要 10
习题 14
附注与参考 15
第2章 刚性运动和齐次变换 18
2.1 位置的表示方法 18
2.2 旋转的表示方法 19
2.2.1 平面内的旋转 19
2.2.2 三维空间内的旋转 21
2.3 旋转变换 22
2.3.1 相似变换 24
2.4 旋转的叠加 25
2.4.1 相对于当前坐标系的旋转 25
2.4.2 相对于固定坐标系的旋转 26
2.4.3 旋转变换的叠加定律 26
2.5 旋转的参数化 27
2.5.1 欧拉角 27
2.5.2 滚动角、俯仰角和偏航角 29
2.5.3 转轴／角度表示 29
2.6 刚性运动 31
2.7 齐次变换 32
2.8 本章总结 33
习题 34
附注与参考 37
第3章 正运动学和逆运动学 38
3.1 运动链 38
3.2 Denavit-Hartenberg约定 39
3.2.1 存在和唯一性问题 40
3.2.2 坐标系的配置 42
3.2.3 实例 43
3.3 逆运动学 49
3.3.1 一般的逆运动学问题 49
3.3.2 运动解耦 50
3.3.3 逆向位置：一种几何方法 51
3.3.4 关节型位形 52
3.3.5 球坐标型位形 54
3.3.6 逆向姿态 55
3.4 本章总结 57
习题 58
附注与参考 60
第4章 速度运动学——雅可比矩阵 61
4.1 角速度：固定转轴情形 61
4.2 反对称矩阵 62
4.2.1 反对称矩阵的性质 63
4.2.2 旋转矩阵的导数 63
4.3 角速度：一般情况 64
4.4 角速度求和 65
4.5 移动坐标系上点的线速度 66
4.6 雅可比矩阵的推导 67
4.6.1 角速度 67
4.6.2 线速度 68
4.6.3 线速度和角速度雅可比矩阵的叠加 69
4.7 工具速度 71
4.8 分析雅可比矩阵 72
4.9 奇点 73
4.9.1 奇点解耦 74
4.9.2 手腕奇点 75
4.9.3 手臂奇点 75
4.10 静态力／力矩关系 77
4.11 逆速度和加速度 78
4.12 可操作性 79
4.13 本章总结 81
习题 82
附注与参考 84
第5章 路径和轨迹规划 85
5.1 位形空间 85
5.2 基于势场的路径规划 88
5.2.1 引力场 88
5.2.2 斥力场 90
5.2.3 将工作空间力映射到关节力矩 91
5.2.4 梯度下降规划 93
5.3 逃离局部最小值 94
5.4 概率路线图方法 95
5.4.1 位形空间内的采样 96
5.4.2 连接位形对 96
5.4.3 增强 97
5.4.4 路径光滑化 97
5.5 轨迹规划 97
5.5.1 点到点运动的轨迹 98
5.5.2 通过中间点确定的轨迹 103
5.6 本章总结 105
习题 106
附注与参考 106
第6章 独立关节控制 108
6.1 驱动器的动力学 109
6.2 独立关节模型 110
6.3 设定点跟踪 111
6.3.1 比例-微分补偿控制器 111
6.3.2 比例-积分-微分补偿控制器 113
6.3.3 饱和与柔性的影响 114
6.4 前馈控制 115
6.5 传动系统的动力学 116
6.6 状态空间设计 119
6.6.1 状态反馈控制 120
6.6.2 观测器 121
6.7 本章总结 123
习题 124
附注与参考 126
第7章 动力学 127
7.1 欧拉-拉格朗日方程 127
7.1.1 动机 127
7.1.2 完整约束和虚功 129
7.1.3 达朗贝尔原理 131
7.2 动能和势能 133
7.2.1 惯性张量 133
7.2.2 n-连杆机器人的动能 134
7.2.3 n-连杆机器人的势能 135
7.3 运动方程 135
7.4 一些常见位形 136
7.5 机器人动力学方程的性质 142
7.5.1 反对称性和无源性 143
7.5.2 惯性矩阵的界限 144
7.5.3 参数的线性化 144
7.6 牛顿-欧拉方法 145
7.6.1 重温平面肘型机械臂 149
7.7 本章总结 151
习题 153
附注与参考 154
第8章 多变量控制 155
8.1 重温PD控制 155
8.1.1 关节柔性的影响 157
8.2 逆动力学 158
8.2.1 关节空间内的逆动力学 158
8.2.2 任务空间内的逆动力学 160
8.3 鲁棒和自适应运动控制 161
8.3.1 鲁棒逆运动学 161
8.3.2 自适应逆运动学 164
8.4 基于无源性的运动控制 165
8.4.1 基于无源性的鲁棒控制 166
8.4.2 基于无源性的自适应控制 167
8.5 本章总结 168
习题 171
附注与参考 171
第9章 力控制 173
9.1 坐标系和约束 173
9.1.1 对偶基 174
9.1.2 自然约束和人工约束 175
9.2 网络模型和阻抗 176
9.2.1 阻抗操作符 177
9.2.2 阻抗操作符的分类 177
9.2.3 戴维南和诺顿等效 177
9.3 任务空间内的动力学和控制 178
9.3.1 任务空间内的动力学 178
9.3.2 阻抗控制 178
9.3.3 混合阻抗控制 179
9.4 本章总结 181
习题 182
附注与参考 182
第10章 几何非线性控制 183
10.1 背景介绍 183
10.1.1 流形、向量场和分布 183
10.1.2 弗罗贝尼乌斯定理 186
10.2 反馈线性化 187
10.3 单输入系统 188
10.4 n-连杆机器人的反馈线性化 193
10.5 非完整系统 195
10.5.1 对合和完整性 196
10.5.2 无碛控制系统 196
10.5.3 非完整系统实例 197
10.6 周氏定理 199
10.7 无碛系统的控制 200
10.8 本章总结 201
习题 202
附注与参考 203
第11章 计算机视觉 204
11.1 成像几何 204
11.1.1 相机坐标系 204
11.1.2 透视投影 205
11.1.3 成像平面和传感器阵列 205
11.2 相机标定 206
11.2.1 相机的外部参数 206
11.2.2 相机的内部参数 206
11.2.3 确定相机参数 207
11.3 阈值分割 208
11.3.1 简略的统计回顾 209
11.3.2 自动选择阈值 210
11.4 连通区域 213
11.5 位置和方向 214
11.5.1 图像矩 215
11.5.2 物体的质心和中心矩 215
11.5.3 物体的方向 215
11.6 本章总结 217
习题 217
附注与参考 219
第12章 基于视觉的控制 220
12.1 设计要点 220
12.1.1 相机位形 220
12.1.2 基于图像的方法与基于位置的方法 221
12.2 相机运动和交互作用矩阵 221
12.3 点特征的交互作用矩阵 222
12.3.1 固定点相对于移动相机的速度 223
12.3.2 构建交互作用矩阵 224
12.3.3 点间交互作用矩阵的性质 225
12.3.4 多点的交互作用矩阵 226
12.4 基于图像的控制律 226
12.4.1 计算相机运动 227
12.4.2 比例控制方案 227
12.4.3 基于图像的视觉伺服系统的表现 228
12.5 末端执行器和相机的运动 230
12.6 划分方法 231
12.7 运动感知 233
12.8 本章总结 234
习题 235
附注与参考 236
附录A 三角函数 237
附录B 线性代数 238
附录C 动态系统 243
附录D 李雅普诺夫稳定性 245
参考文献 250
索引 259