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 5
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 8
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 13
2.1 刚体位姿的描述 13
2.1.1 位置的描述——位置矢量 13
2.1.2 方位的描述——旋转矩阵 13
2.1.3 坐标系的描述 14
2.1.4 机器人操作臂手爪位姿的描述 14
2.2 点的映射 15
2.2.1 坐标平移 15
2.2.2 坐标旋转 15
2.2.3 一般映射 15
2.3 齐次坐标和齐次变换 16
2.4 变换矩阵 19
2.4.1 平移算子 19
2.4.2 旋转算子 19
2.4.3 变换算子的一般形式 20
2.4.4 变换矩阵的运算 20
2.5 旋转矩阵的导数 22
2.6 连杆参数和关节变量 23
2.6.1 连杆描述 23
2.6.2 连杆连接的描述 24
2.7 连杆坐标系 26
2.7.1 中间连杆i的坐标系∑i 26
2.7.2 首端连杆和末端连杆 27
2.7.3 用连杆坐标系规定连杆参数 27
2.7.4 连杆坐标系建立的步骤 27
2.8 连杆变换和运动学方程 28
2.8.1 相邻两连杆坐标系之间的变换矩阵 28
2.8.2 运动学方程的建立 28
2.9 多足步行机器人的运动学 29
2.9.1 引言 29
2.9.2 多足步行机器人机构特征 29
2.9.3 站立腿的运动学计算 30
2.9.4 摆动腿的运动学计算 35
2.9.5 多足步行机器人的运动学计算 36
2.9.6 多足步行机器人的速度和加速度计算 48
第3章 机器人动力学 58
3.1 动力学分析基础 58
3.1.1 机器人的坐标系 58
3.1.2 工具的定位 59
3.1.3 惯性张量和惯性矩阵 60
3.1.4 连杆运动的传递 62
3.1.5 牛顿-欧拉动力学方程 66
3.1.6 拉格朗日方程 70
3.2 机器人的静力分析 71
3.2.1 等效关节力和力雅可比 71
3.2.2 连杆的静力学分析 73
3.3 机器人动力学方程 75
3.3.1 牛顿-欧拉递推动力学方程 75
3.3.2 关节空间与操作空间动力学 79
3.3.3 拉格朗日方程的应用 83
3.3.4 多足步行机器人的动力学模型 86
第4章 机器人控制 92
4.1 机器人运动控制 92
4.1.1 机器人的伺服电动机 92
4.1.2 机器人的运动控制器 99
4.2 机器人移动轨迹控制 103
4.2.1 路径与轨迹 103
4.2.2 关节坐标系与直角坐标系 103
4.2.3 轨迹规划 105
4.2.4 轨迹控制 109
4.3 机器人的力控制 112
4.3.1 机器人的力与力控制种类 113
4.3.2 阻尼力控制 116
4.3.3 相互力控制 118
4.4 机器人行为控制 122
4.4.1 机器人行为种类 122
4.4.2 机器人行为控制方式 123
4.5 机器人智能控制 128
4.5.1 智能控制的特点 128
4.5.2 智能控制的主要方式 132
第2部分 典型机器人 137
第5章 工业机器人 137
5.1 工业机器人的发展历史 137
5.1.1 工业机器人发展概况 137
5.1.2 中国工业机器人研制情况 139
5.2 工业机器人的基本组成 140
5.2.1 执行机构 141
5.2.2 驱动系统 141
5.2.3 控制系统 142
5.2.4 传感系统 143
5.3 工业机器人的典型机构 144
5.3.1 SCARA机构 144
5.3.2 平行杆型机构 145
5.3.3 多关节机构 147
5.4 工业机器人的种类及应用 148
5.4.1 焊接机器人 149
5.4.2 搬运机器人 157
5.4.3 喷漆机器人 159
5.4.4 装配机器人 162
第6章 移动机器人 166
6.1 移动机器人的发展 166
6.2 移动机器人的基本组成 167
6.2.1 驱动系统 167
6.2.2 控制系统 168
6.2.3 传感系统 168
6.3 轮式移动机器人 169
6.3.1 车轮形式 169
6.3.2 车轮的配置和转向机构 171
6.3.3 三轮移动机器人运动分析 174
6.3.4 轮式排爆机器人 176
6.4 履带式移动机器人 177
6.4.1 车体结构 177
6.4.2 越障原理 180
6.4.3 履带排爆机器人 181
6.5 步行移动机器人 183
6.5.1 步行机器人的特点及发展过程 183
6.5.2 步行机器人的腿结构 185
6.5.3 两足步行机器人的动力学模型 187
第7章 拟人机器人 189
7.1 拟人机器人的发展 189
7.1.1 拟人机器人的发展历史 189
7.1.2 中国拟人机器人的发展概况 198
7.2 拟人机器人的基本结构 199
7.2.1 拟人机器人的头部 199
7.2.2 拟人机器人的四肢 200
7.2.3 拟人机器人的躯体 206
7.3 拟人机器人的主要功能 207
7.3.1 拟人机器人的拟人行为 207
7.3.2 拟人机器人的人机交互 209
7.4 拟人机器人的行为控制 211
7.4.1 步行模式生成器 211
7.4.2 拟人机器人的双足步行 214
7.4.3 全身运动模式的生成 217
7.5 拟人机器人的应用 219
第8章 仿生机器人 221
8.1 仿生机器人的特点 221
8.2 仿生机器人的研究概述 222
8.2.1 研究现状 222
8.2.2 仿生机器人的关键技术问题 224
8.2.3 仿生机器人的发展趋势 225
8.3 仿生机器鱼 225
8.3.1 鱼类推进理论 227
8.3.2 仿生机器鱼的设计 230
8.3.3 仿生机器鱼的运动控制 233
8.3.4 仿生机器鱼控制系统的硬件设计 234
8.4 四足仿生机器人 235
8.4.1 四足仿生机器人的总体设计方案 236
8.4.2 四足仿生机器人的结构设计 238
8.4.3 四足仿生机器人的控制系统设计 239
第9章 医用机器人 242
9.1 医用机器人的特点 242
9.2 医用机器人的分类 243
9.2.1 医用外科机器人 244
9.2.2 康复机器人 249
9.2.3 医学教育机器人 250
9.3 医用机器人的控制 250
9.4 医用机器人的应用 251
9.4.1 医用外科机器人的应用 251
9.4.2 康复机器人的应用 258
9.4.3 医用机器人的应用实例 268
9.4.4 医用机器人的研究趋势 269
第10章 空间机器人 270
10.1 空间机器人的定义和发展历程 270
10.1.1 空间机器人的定义 270
10.1.2 空间机器人的发展历程 271
10.2 空间机器人的特点和分类 274
10.2.1 空间机器人的特点 274
10.2.2 空间机器人的分类 275
10.3 空间机器人通信技术 276
10.3.1 空间机器人的深空通信 276
10.3.2 空间机器人的深空通信的接收技术——天线组阵 278
10.4 空间机器人的应用 280
10.4.1 探测空间机器人 280
10.4.2 空间机器人航天器 285
第11章 多机器人系统 289
11.1 多机器人系统的概述 289
11.2 多机器人系统的体系结构 292
11.2.1 分层式结构 293
11.2.2 基于行为的混合分层式结构 296
11.2.3 任务级协作式结构 297
11.2.4 并行处理混合式结构 299
11.3 多机器人系统的协调控制 300
11.3.1 协调控制策略 300
11.3.2 协调控制平台 302
11.3.3 协调控制中的学习 303
11.4 网络机器人 304
11.4.1 网络机器人的组成与特点 304
11.4.2 网络机器人的控制 307
11.4.3 网络机器人的应用 308
11.5 多机器人系统的应用 308
11.5.1 机器人足球 308
11.5.2 多移动机器人协作围捕 310
11.5.3 多机器人协作装配 311
第12章 未来机器人 314
12.1 机器人的发展趋势 314
12.2 未来机器人的发展与应用前景 319
12.3 未来机器人与人类社会 324
参考文献 327