机器人建模和控制（原书第2版）

本书反映了过去十年间机器人领域的一系列变化，通过案例研究和例题来讲解机器人运动学、动力学和控制。本书对机器人控制和数学基础的讲解尤为深入且系统，首先介绍机器人学和运动控制的基础，之后深入研究控制理论和非线性系统分析，并以双连杆机器人为例将本书所涵盖的内容融为一体。第2版新增了关于移动机器人和欠驱动机器人的两章，修订了关于视觉、控制和运动规划的部分，涵盖碰撞躲避和轨迹优化等内容。此外，本书还扩展了大量例题、仿真、习题和案例研究，广泛适用于本科生和研究生的教学。

目　录<br /><br />Robot Modeling and Control,Second Edition<br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />译者序<br /><br />前言<br />第1章　导论1<br />　1.1　机器人的数学模型3<br /><br />　　1.1.1　机器人的符号表示3<br /><br />　　1.1.2　位形空间4<br /><br />　　1.1.3　状态空间4<br /><br />　　1.1.4　工作空间4<br /><br />　1.2　作为机械装置的机器人4<br /><br />　　1.2.1　机器人机械臂的分类5<br /><br />　　1.2.2　机器人系统6<br /><br />　　1.2.3　精度和重复精度6<br /><br />　　1.2.4　手腕和末端执行器7<br /><br />　1.3　常见的运动学配置8<br /><br />　　1.3.1　关节型机械臂8<br /><br />　　1.3.2　球坐标型机械臂9<br /><br />　　1.3.3　SCARA型机械臂9<br /><br />　　1.3.4　圆柱型机械臂10<br /><br />　　1.3.5　笛卡儿型机械臂10<br /><br />　　1.3.6　并联机械臂11<br /><br />　1.4　本书概要11<br /><br />　　1.4.1　机械臂11<br /><br />　　1.4.2　欠驱动和移动机器人16<br /><br />　习题16<br /><br />　附注与参考17<br /><br />第一部分　机器人的几何基础<br />第2章　刚体运动20<br />　2.1　位置的表示20<br /><br />　2.2　旋转的表示21<br /><br />　　2.2.1　平面内的旋转21<br /><br />　　2.2.2　三维空间内的旋转23<br /><br />　2.3　旋转变换24<br /><br />　2.4　旋转的叠加27<br /><br />　　2.4.1　相对于当前坐标系的<br />旋转27<br /><br />　　2.4.2　相对于固定坐标系的<br />旋转28<br /><br />　　2.4.3　旋转变换的叠加规则29<br /><br />　2.5　旋转的参数化30<br /><br />　　2.5.1　欧拉角30<br /><br />　　2.5.2　滚动角、俯仰角和<br />偏航角32<br /><br />　　2.5.3　转轴/角度表示32<br /><br />　　2.5.4　指数坐标34<br /><br />　2.6　刚体运动的概念35<br /><br />　　2.6.1　齐次变换36<br /><br />　　2.6.2　一般刚体运动的指数<br />坐标37<br /><br />　2.7　本章总结38<br /><br />　习题39<br /><br />　附注与参考42<br />第3章　正运动学43<br />　3.1　运动链43<br /><br />　3.2　Denavit-Hartenberg约定45<br /><br />　　3.2.1　存在及唯一性问题46<br /><br />　　3.2.2　坐标系的配置47<br /><br />　3.3　正运动学实例50<br /><br />　　3.3.1　平面肘型机械臂50<br /><br />　　3.3.2　三连杆圆柱型机器人51<br /><br />　　3.3.3　球型手腕51<br /><br />　　3.3.4　带有球型手腕的圆柱型<br />机械臂52<br /><br />　　3.3.5　斯坦福机械臂53<br /><br />　　3.3.6　SCARA型机械臂54<br /><br />　3.4　本章总结56<br /><br />　习题56<br /><br />　附注与参考57<br />第4章　速度运动学58<br />　4.1　角速度：固定转轴情况58<br /><br />　4.2　反对称矩阵59<br /><br />　　4.2.1　反对称矩阵的性质60<br /><br />　　4.2.2　旋转矩阵的导数60<br /><br />　4.3　角速度：一般情况61<br /><br />　4.4　角速度的叠加62<br /><br />　4.5　移动坐标系中某点的线速度63<br /><br />　4.6　雅可比矩阵的推导64<br /><br />　　4.6.1　角速度64<br /><br />　　4.6.2　线速度65<br /><br />　　4.6.3　线速度和角速度雅可比<br />矩阵的叠加66<br /><br />　4.7　工具速度69<br /><br />　4.8　分析雅可比70<br /><br />　4.9　奇点71<br /><br />　　4.9.1　奇点的解耦72<br /><br />　　4.9.2　手腕奇点73<br /><br />　　4.9.3　手臂奇点73<br /><br />　4.10　静态力/力矩的关系75<br /><br />　4.11　逆向速度和加速度76<br /><br />　4.12　可操作性77<br /><br />　4.13　本章总结79<br /><br />　习题80<br /><br />　附注与参考81<br />第5章　逆运动学82<br />　5.1　一般的逆运动学问题82<br /><br />　5.2　运动解耦83<br /><br />　5.3　逆位置求解：一种几何<br />方法84<br /><br />　　5.3.1　球坐标型位形85<br /><br />　　5.3.2　关节型位形86<br /><br />　5.4　逆姿态88<br /><br />　5.5　逆运动学的数值方法91<br /><br />　　5.5.1　逆雅可比法91<br /><br />　　5.5.2　雅可比转置法92<br /><br />　5.6　本章总结93<br /><br />　习题93<br /><br />　附注与参考94<br /><br />第二部分　运动学和运动规划<br />第6章　动力学96<br />　6.1　欧拉拉格朗日方程96<br /><br />　　6.1.1　动机96<br /><br />　　6.1.2　完整约束和虚功98<br /><br />　　6.1.3　达朗贝尔原理101<br /><br />　6.2　动能和势能102<br /><br />　　6.2.1　惯性张量103<br /><br />　　6.2.2　n连杆机器人的动能104<br /><br />　　6.2.3　n连杆机器人的势能104<br /><br />　6.3　运动方程105<br /><br />　6.4　一些常见位形106<br /><br />　　6.4.1　双连杆直角坐标机械臂106<br /><br />　　6.4.2　平面肘型机械臂107<br /><br />　　6.4.3　带有远程驱动连杆的平面<br />肘型机械臂109<br /><br />　　6.4.4　五杆机构110<br /><br />　6.5　机器人动力学方程的性质112<br /><br />　　6.5.1　反对称性和无源性112<br /><br />　　6.5.2　惯性矩阵的有界性113<br /><br />　　6.5.3　参数的线性化114<br /><br />　6.6　牛顿欧拉公式115<br /><br />　6.7　本章总结121<br /><br />　习题123<br /><br />　附注与参考124<br />第7章　路径和轨迹规划125<br />　7.1　位形空间125<br /><br />　　7.1.1　位形空间的表示126<br /><br />　　7.1.2　位形空间障碍物126<br /><br />　　7.1.3　位形空间中的路径128<br /><br />　7.2　Q=R2空间中的路径规划128<br /><br />　　7.2.1　可见性图129<br /><br />　　7.2.2　广义Voronoi图130<br /><br />　　7.2.3　梯形分解131<br /><br />　7.3　人工势场132<br /><br />　　7.3.1　Q=Rn的人工势场133<br /><br />　　7.3.2　Q≠Rn的势场136<br /><br />　7.4　基于采样的方法141<br /><br />　　7.4.1　概率路线图141<br /><br />　　7.4.2　快速探索随机树143<br /><br />　7.5　轨迹规划144<br /><br />　　7.5.1　点到点运动的轨迹145<br /><br />　　7.5.2　通过中间点确定路径<br />的轨迹150<br /><br />　7.6　本章总结152<br /><br />　习题153<br /><br />　附注与参考154<br /><br />第三部分　机械臂的控制<br />第8章　独立关节控制156<br />　8.1　引言156<br /><br />　8.2　驱动器的动力学157<br /><br />　8.3　负载动力学158<br /><br />　8.4　独立关节模型160<br /><br />　8.5　PID控制161<br /><br />　8.6　前馈控制166<br /><br />　　8.6.1　轨迹跟踪166<br /><br />　　8.6.2　计算力矩的方法168<br /><br />　8.7　传动系统的动力学168<br /><br />　8.8　状态空间设计171<br /><br />　　8.8.1　状态反馈控制172<br /><br />　　8.8.2　观测器173<br /><br />　8.9　本章总结175<br /><br />　习题177<br /><br />　附注与参考178<br />第9章　非线性和多变量控制179<br />　9.1　引言 179<br /><br />　9.2　重温比例微分控制180<br /><br />　9.3　逆动力学182<br /><br />　　9.3.1　关节空间内的逆动力学182<br /><br />　　9.3.2　任务空间内的逆动力学184<br /><br />　　9.3.3　鲁棒逆动力学185<br /><br />　　9.3.4　自适应逆动力学188<br /><br />　9.4　基于无源性的控制190<br /><br />　　9.4.1　基于无源性的鲁棒控制191<br /><br />　　9.4.2　基于无源性的自适应<br />控制191<br /><br />　9.5　力矩优化192<br /><br />　9.6　本章总结195<br /><br />　习题197<br /><br />　附注与参考198<br />第10章　力控制199<br />　10.1　坐标系和约束200<br /><br />　　10.1.1　对偶基200<br /><br />　　10.1.2　自然约束和人工约束201<br /><br />　10.2　网络模型和阻抗202<br /><br />　　10.2.1　阻抗操作符203<br /><br />　　10.2.2　阻抗操作符的分类203<br /><br />　　10.2.3　戴维南和诺顿等效204<br /><br />　10.3　任务空间内的动力学和<br />控制204<br /><br />　　10.3.1　阻抗控制205<br /><br />　　10.3.2　混合阻抗控制205<br /><br />　10.4　本章总结207<br /><br />　习题208<br /><br />　附注与参考209<br />第11章　基于视觉的控制210<br />　11.1　设计要点210<br /><br />　　11.1.1　相机位形210<br /><br />　　11.1.2　基于图像的方法和基于<br />位置的方法211<br /><br />　11.2　基于视觉控制的计算机<br />视觉212<br /><br />　　11.2.1　成像几何212<br /><br />　　11.2.2　图像特征214<br /><br />　11.3　相机运动和交互作用矩阵216<br /><br />　11.4　点特征的交互作用矩阵217<br /><br />　　11.4.1　相对于移动坐标系的<br />速度218<br /><br />　　11.4.2　构建交互作用矩阵219<br /><br />　　11.4.3　点间交互作用矩阵的<br />性质221<br /><br />　　11.4.4　多点的交互作用矩阵221<br /><br />　11.5　基于图像的控制律222<br /><br />　　11.5.1　计算相机运动223<br /><br />　　11.5.2　比例控制方案224<br /><br />　　11.5.3　基于图像的控制系统<br />性能225<br /><br />　11.6　末端执行器和相机的运动226<br /><br />　11.7　划分方法227<br /><br />　11.8　运动感知229<br /><br />　11.9　本章总结231<br /><br />　习题232<br /><br />　附注与参考234<br />第12章　反馈线性化235<br />　12.1　背景235<br /><br />　　12.1.1　流形、向量场和分布235<br /><br />　　12.1.2　弗罗贝尼乌斯定理238<br /><br />　12.2　反馈线性化的概念240<br /><br />　12.3　单输入系统241<br /><br />　12.4　多输入系统248<br /><br />　12.5　本章总结250<br /><br />　习题250<br /><br />　附注与参考251<br /><br />第四部分　欠驱动系统的控制<br />第13章　欠驱动机器人254<br />　13.1　引言254<br /><br />　13.2　建模254<br /><br />　　13.2.1　上驱动和下驱动<br />模型254<br /><br />　　13.2.2　二阶约束255<br /><br />　13.3　欠驱动机器人的例子256<br /><br />　　13.3.1　小车摆系统256<br /><br />　　13.3.2　Acrobot257<br /><br />　　13.3.3　Pendubot258<br /><br />　　13.3.4　反动轮摆258<br /><br />　13.4　平衡点和线性可控性259<br /><br />　13.5　部分反馈线性化264<br /><br />　　13.5.1　同位部分反馈线性化264<br /><br />　　13.5.2　非同位部分反馈<br />线性化266<br /><br />　13.6　输出反馈线性化267<br /><br />　　13.6.1　零动态计算268<br /><br />　　13.6.2　虚拟完整约束270<br /><br />　13.7　无源控制270<br /><br />　　13.7.1　简单摆的无源控制271<br /><br />　　13.7.2　反动轮摆的无源控制272<br /><br />　　13.7.3　Acrobot的上摆和平衡273<br /><br />　13.8　本章总结274<br /><br />　习题275<br /><br />　附注与参考276<br />第14章　移动机器人277<br />　14.1　非完整约束277<br /><br />　14.2　对合性和完整性280<br /><br />　14.3　非完整系统的例子281<br /><br />　14.4　动力学扩展285∓lt;br /><br />　14.5　无漂移系统的可控性286<br /><br />　14.6　运动规划288<br /><br />　　14.6.1　转换为链式形式288<br /><br />　　14.6.2　微分平坦293<br /><br />　14.7　无漂移系统的反馈控制295<br /><br />　　14.7.1　稳定性295<br /><br />　　14.7.2　非平滑控制296<br /><br />　　14.7.3　轨迹跟踪298<br /><br />　　14.7.4　反馈线性化的应用299<br /><br />　14.8　本章总结301<br /><br />　习题302<br /><br />　附注与参考302<br />附录<br />附录A　三角函数304<br />附录B　线性代数305<br />附录C　Lyapunov稳定性314<br />附录D　优化321<br />附录E　相机标定323<br />参考文献327