机器人学——规划、控制及应用

本教材配套有相关的实验指导手册和实体桌面级六轴机械臂，力求理论结合实践，使机器人学成为有趣的互动课程。

本书以机器人学，特别是围绕6轴机械臂的基础理论而策划编写。主要内容包括机器人学的概况，坐标变换、运动学、静力学、动力学、机器人控制和运动规划。同时，随着理论学习的进度，本书结合有关的软件(如MATLAB)和桌面6轴机械臂等实验设备精心设计了互动实验课程。每一章都配备了一定数量的精品练习题和实验课，大部分实验课程的内容保持实时更新，读者可以通过扫描实验课中的二维码在有关网站下载配套资料。通过循序渐进的学习、练习和互动实验，将机器人的理论学习过程变成理论与实践相结合的互动的、渐进的、融会贯通的过程，深入浅出且事半功倍。最后，结合所学的机器人学相关知识综合讨论了典型的桌面6轴机械臂的控制和应用等问题，帮助读者将学习到的理论快速应用到实践环节，夯实基础，培养能力。本书适合作为机器人学相关专业的高年级本科生和研究生的教材，也适合作为从事机器人技术研究和开发人员的参考书。

贾瑞清，男，1958年2月生；博士生导师，博士，任职于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，测量控制与仪器系。主要在研项目：轻工业及微型机器人理论及软硬件应用开发、智能制造系统及其虚拟现实平台的研究及开发、高等教育“虚拟实验室”体系研究及应用开发。专著：《机械创新设计案例与评论》、《液压过滤技术及抗磨理论》

第1章 概述
1.1 机器人学
1.2 机器人机械结构
1.3 机器人驱动器
1.4 机器人传感器
1.4.1 内部传感器
1.4.2 外部传感器
1.5 机器人控制
1.5.1 二阶线性系统
1.5.2 反馈控制
1.5.3 PID控制器
1.5.4 力控制
1.6 机器人路径规划
1.7 虚拟实验室
1.8 机器人应用
1.8.1 桌面机器人系列
1.8.2 智能制造教学实验系统
1.9 机器人操作系统（ROS）
小结
练习题
实验题
第2章 空间变换
2.1 刚体位姿分析
2.1.1 位置描述
2.1.2 姿态描述
2.1.3 旋转矩阵的特性
2.2 坐标变换
2.3 固定角和欧拉角
2.3.1 XYZ固定角
2.3.2 ZYZ欧拉角
2.4 轴和角
2.5 单位四元数
小结
练习题
实验题
第3章 运动学
3.1 连杆坐标系和DH参数
3.2 三种DH坐标系建模方法
3.2.1 标准型DH方法
3.2.2 改进型DH方法
3.2.3 萨哈DH方法
3.3 正运动学
3.3.1 基于改进型DH建模方法的正运动学
3.3.2 基于萨哈DH建模方法的正运动学
3.4 关节空间和笛卡儿空间
3.5 逆运动学
3.5.1 代数法
3.5.2 几何法
3.6 雅可比矩阵
3.7 连杆速度
3.8 雅可比矩阵的计算
3.9 奇异性分析
3.10 运动学冗余
3.11 串联机械臂和并联机械臂
小结
练习题
实验题
第4章 静力学
4.1 力和力矩的平衡
4.2 递推计算
4.3 等效关节力矩
4.4 工业机械臂静力学递推计算
4.5 雅可比矩阵在静力学中的应用
小结
练习题
实验题
第5章 动力学
5.1 惯性特性
5.1.1 质心
5.1.2 惯性矩和惯性张量
5.1.3 惯性矩平行移轴定理
5.1.4 机械臂工作空间
5.1.5 机械臂平衡器
5.2 欧拉-拉格朗日方程
5.2.1 动能计算
5.2.2 势能计算
5.2.3 运动方程
5.3 递推牛顿-欧拉算法
5.3.1 运动参数的递推计算
5.3.2 力和力矩参数的递推计算
5.3.3 驱动力和驱动力矩的计算
5.4 工业机械臂动力学递推计算
5.5 正向动力学与逆向动力学
5.5.1 正向动力学应用
5.5.2 逆向动力学应用
小结
练习题
实验题
第6章 运动控制
6.1 运动控制概念
6.2 二阶线性系统
6.3 反馈控制及系统特性
6.4 闭环系统的传递函数
6.5 机械臂反馈控制方程
6.6 工业机器人关节控制
6.6.1 驱动关节电动机模型
6.6.2 机械臂关节模型
6.7 机械臂关节控制器
6.7.1 比例控制器
6.7.2 比例微分控制器
6.7.3 比例积分微分控制器
6.7.4 闭环回路反馈增益的确定
6.8 非线性轨迹控制
6.8.1 控制定律的分解
6.8.2 单关节的轨迹跟踪控制
6.8.3 多关节机械臂的非线性控制
6.9 基于状态空间的控制
6.10 基于状态空间的反馈控制
6.11 基于逆动力学前馈控制模型的反馈控制
6.11.1 前馈控制误差分析
6.11.2 基于逆动力学的前馈控制
6.12 机器人系统的稳定性
6.12.1 李雅普诺夫稳定性判别方法
6.12.2 多关节工业机器人系统的稳定性
小结
练习题
实验题
第7章 运动规划
7.1 关节空间规划
7.1.1 给定起点和终点的运动规划
7.1.2 给定起点、终点和中间点的运动规划
7.2 笛卡儿空间规划
7.2.1 单轴旋转规划方法
7.2.2 双轴旋转规划方法
7.3 位置和姿态运动规划
7.3.1 路径描述函数
7.3.2 位置的确定
7.3.3 姿态的确定
7.4 点到点规划
7.4.1 三阶多项式规划
7.4.2 梯形速度规划
7.5 连续轨迹规划
7.5.1 过渡点速度连续轨迹规划
7.5.2 过渡点加速度连续轨迹规划
小结
练习题
实验题
第8章 6轴桌面机械臂控制算法实例及应用
8.1 桌面机械臂
8.2 桌面机械臂控制系统的架构
8.3 6轴桌面机械臂的运动学算法
8.3.1 6轴桌面机械臂DH方法建模
8.3.2 6轴桌面机械臂正运动学
8.3.3 6轴桌面机械臂逆运动学的求解过程
8.4 桌面机械臂运动控制系统
8.4.1 速度前瞻
8.4.2 块“block”环形队列
小结
练习题
实验题
后记
参考文献