第1部分 机器人基础 3
第1章 绪论 3
1.1 机器人简介 3
1.1.1 机器人的由来 3
1.1.2 机器人的定义 4
1.1.3 机器人学的研究领域 4
1.2 机器人的发展历史 5
1.3 机器人的基本结构 6
1.4 机器人的分类 7
1.5 机器人的应用 7
1.6 机器人学的研究内容 10
1.7 机器人学的国内外研究现状 11
第2章 机器人运动学 12
2.1 刚体位姿的描述 12
2.1.1 位置的描述——位置矢量 12
2.1.2 方位的描述——旋转矩阵 12
2.1.3 坐标系的描述 13
2.1.4 机器人操作臂手爪位姿的描述 13
2.2 点的映射 14
2.2.1 坐标平移 14
2.2.2 坐标旋转 14
2.2.3 一般映射 14
2.3 齐次坐标和齐次变换 15
2.4 变换矩阵 18
2.4.1 平移算子 18
2.4.2 旋转算子 18
2.4.3 变换算子的一般形式 19
2.4.4 变换矩阵的运算 19
2.5 旋转矩阵的导数 21
2.6 连杆参数和关节变量 22
2.6.1 连杆描述 22
2.6.2 连杆连接的描述 23
2.7 连杆坐标系 25
2.7.1 中间连杆i的坐标系Σi 25
2.7.2 首端连杆和末端连杆 26
2.7.3 用连杆坐标系规定连杆参数 26
2.7.4 连杆坐标系建立的步骤 26
2.8 连杆变换和运动学方程 27
2.8.1 相邻两连杆坐标系之间的变换矩阵 27
2.8.2 运动学方程的建立 27
2.9 多足步行机器人的运动学 28
2.9.1 引言 28
2.9.2 多足步行机器人机构特征 28
2.9.3 站立腿的运动学计算 29
2.9.4 摆动腿的运动学计算 34
2.9.5 多足步行机器人的运动学计算 35
2.9.6 多足步行机器人的速度和加速度计算 47
第3章 机器人动力学 56
3.1 动力学分析基础 56
3.1.1 机器人的坐标系 56
3.1.2 工具的定位 57
3.1.3 惯性张量和惯性矩阵 58
3.1.4 连杆运动的传递 60
3.1.5 牛顿-欧拉动力学方程 64
3.1.6 拉格朗日方程 67
3.2 机器人的静力分析 68
3.2.1 等效关节力和力雅可比 68
3.2.2 连杆的静力学分析 70
3.3 机器人动力学方程 72
3.3.1 牛顿-欧拉递推动力学方程 72
3.3.2 关节空间与操作空间动力学 76
3.3.3 拉格朗日方程的应用 80
3.3.4 多足步行机器人的动力学模型 83
第4章 机器人控制 89
4.1 机器人运动控制 89
4.1.1 机器人的伺服电动机 89
4.1.2 机器人的运动控制器 96
4.2 机器人移动轨迹控制 100
4.2.1 路径与轨迹 100
4.2.2 关节坐标系与直角坐标系 100
4.2.3 轨迹规划 102
4.2.4 轨迹控制 105
4.3 机器人力控制 109
4.3.1 机器人的力与力控制种类 110
4.3.2 阻尼力控制 113
4.3.3 相互力控制 115
4.4 机器人行为控制 119
4.4.1 机器人行为种类 119
4.4.2 机器人行为控制方式 120
第5章 机器人智能控制 125
5.1 智能控制的基本特点 125
5.1.1 智能控制概述 125
5.1.2 智能控制系统的典型结构 128
5.2 智能控制的主要方法 130
5.2.1 专家控制 130
5.2.2 模糊控制 131
5.2.3 神经网络控制 133
5.2.4 混沌控制 135
5.2.5 依靠优化方法的智能优化控制 135
5.3 智能控制的主要应用 138
5.3.1 机器人的专家控制 138
5.3.2 机器人的模糊控制 139
5.3.3 机器人的神经网络控制 139
5.3.4 机器人的优化方法控制 140
5.3.5 机器人智能控制技术的融合 141
第2部分 典型机器人 145
第6章 工业机器人 145
6.1 工业机器人的发展历史 145
6.1.1 工业机器人发展概况 145
6.1.2 中国工业机器人研制情况 147
6.2 工业机器人的基本组成 147
6.2.1 执行机构 148
6.2.2 驱动系统 149
6.2.3 控制系统 150
6.2.4 传感系统 151
6.3 工业机器人的典型机构 152
6.3.1 SCARA机构 152
6.3.2 平行杆型机构 153
6.3.3 多关节机构 154
6.4 工业机器人的种类及应用 156
6.4.1 焊接机器人 157
6.4.2 搬运机器人 165
6.4.3 喷漆机器人 166
6.4.4 装配机器人 169
第7章 移动机器人 173
7.1 移动机器人的发展 173
7.2 移动机器人的基本组成 174
7.2.1 驱动系统 174
7.2.2 控制系统 175
7.2.3 传感系统 175
7.3 轮式移动机器人 176
7.3.1 车轮形式 176
7.3.2 车轮的配置和转向机构 178
7.3.3 三轮移动机器人运动分析 180
7.3.4 轮式排爆机器人 182
7.4 履带式移动机器人 183
7.4.1 车体结构 183
7.4.2 越障原理 186
7.4.3 履带排爆机器人 187
7.5 步行移动机器人 189
7.5.1 步行机器人的特点及发展过程 189
7.5.2 步行机器人的腿结构 190
7.5.3 两足步行机器人的动力学模型 191
第8章 拟人机器人 194
8.1 拟人机器人的发展 194
8.1.1 拟人机器人的发展历史 194
8.1.2 中国拟人机器人发展概况 203
8.2 拟人机器人的基本结构 204
8.2.1 拟人机器人的头部 204
8.2.2 拟人机器人的四肢 205
8.2.3 拟人机器人的躯体 211
8.3 拟人机器人的主要功能 212
8.3.1 拟人机器人的拟人行为 212
8.3.2 拟人机器人的人机交互 214
8.4 拟人机器人的行为控制 216
8.4.1 步行模式生成器 216
8.4.2 拟人机器人的双足步行 219
8.4.3 全身运动模式的生成 221
8.5 拟人机器人的应用 224
第9章 仿生机器人 225
9.1 仿生机器人的特点 225
9.2 仿生机器人的研究概述 226
9.2.1 研究现状 226
9.2.2 仿生机器人的关键技术问题 228
9.2.3 仿生机器人的发展趋势 229
9.3 仿生机器鱼 229
9.3.1 鱼类推进理论 231
9.3.2 仿生机器鱼的设计 234
9.3.3 仿生机器鱼的运动控制 237
9.3.4 仿生机器鱼控制系统的硬件设计 238
9.4 四足仿生机器人 239
9.4.1 四足仿生机器人的总体设计方案 240
9.4.2 四足仿生机器人的结构设计 242
9.4.3 四足仿生机器人的控制系统设计 243
第10章 医用机器人 245
10.1 医用机器人的特点 245
10.2 医用机器人的分类 246
10.2.1 医用外科机器人 247
10.2.2 康复机器人 252
10.2.3 医学教育机器人 253
10.3 医用机器人的控制 253
10.4 医用机器人的应用 254
10.4.1 医用外科机器人的应用 254
10.4.2 康复机器人的应用 260
10.4.3 医用机器人的应用实例 270
10.4.4 医用机器人的研究趋势 271
第11章 家用机器人 273
11.1 家用机器人的定义与发展历程 273
11.1.1 家用机器人的定义与分类 273
11.1.2 家用机器人的发展历程 274
11.1.3 全球家用机器人总体研发现状与市场 277
11.2 家用机器人的特点与发展趋势 278
11.2.1 家用机器人的特点 278
11.2.2 家用机器人的发展趋势 279
11.3 家用机器人关键技术与研究课题 280
11.3.1 室内自主导航技术 280
11.3.2 家用机器人的控制 283
11.3.3 家用机器人的社会课题 285
11.4 家用机器人的应用 285
11.4.1 家居智能方向 286
11.4.2 家庭教育娱乐方向 288
11.4.3 家庭安全健康方向 291
第12章 空中机器人 294
12.1 无人机的发展历程 294
12.2 无人机的分类 297
12.2.1 按无人机应用领域分类 297
12.2.2 按无人机机翼布局样式分类 297
12.2.3 按无人机的控制方式分类 300
12.2.4 按无人机的性能指标分类 301
12.3 无人机的应用 302
12.3.1 无人机在军事领域的应用 302
12.3.2 无人机在民用领域的应用 308
12.4 当前无人机领域的研究热点 311
第13章 空间机器人 314
13.1 空间机器人的定义和发展历程 314
13.1.1 空间机器人的定义 314
13.1.2 空间机器人的发展历程 315
13.2 空间机器人的特点和分类 317
13.2.1 空间机器人的特点 317
13.2.2 空间机器人的分类 319
13.3 空间机器人通信技术 320
13.3.1 空间机器人的深空通信 320
13.3.2 空间机器人深空通信的接收技术——天线组阵 321
13.4 空间机器人的应用 323
13.4.1 探测空间机器人 323
13.4.2 空间机器人航天器 328
第14章 多机器人系统 331
14.1 多机器人系统概述 331
14.2 多机器人系统的体系结构 334
14.2.1 分层式结构 335
14.2.2 基于行为的混合分层式结构 338
14.2.3 任务级协作式结构 339
14.2.4 并行处理混合式结构 341
14.3 多机器人系统的协调控制 342
14.3.1 协调控制策略 342
14.3.2 协调控制平台 344
14.3.3 协调控制中的学习 345
14.4 网络机器人 346
14.4.1 网络机器人的组成与特点 346
14.4.2 网络机器人的控制 349
14.4.3 网络机器人的应用 350
14.5 多机器人系统的应用 350
14.5.1 机器人足球 350
14.5.2 多移动机器人协作围捕 352
14.5.3 多机器人协作装配 353
第15章 未来机器人 356
15.1 机器人的发展趋势 356
15.2 未来机器人的发展与应用前景 360
15.3 未来机器人与人类社会 365
参考文献 368