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