机器人操作中的力学原理

本书是学习机器人操作的基础教材，旨在介绍机器人操作过程中的力学原理和规划算法。在力学原理部分，我们将从一个全新视角来审视经典力学，包括运动学、静力学和动力学，并使用新的方法（如多种图形化方法）来解决在其他书籍中没有出现过的一些特殊问题。在规划算法部分，我们将使用基于状态空间的方法，同时考虑如何处理以下两个难题：使用经典力学得到的高维连续状态空间并不适合用于搜索算法；由于机器人的感知和运动控制等系统以及周围环境因素而带来的不确定性。

马修 T.梅森（Matthew T.Mason），机器人领域的世界知名专家，曾担任卡内基梅隆大学机器人研究所负责人。他于1982年获得麻省理工学院人工智能博士学位，从1982年开始在卡内基梅隆大学计算机科学系任教，目前是计算机系和机器人研究所的教授。1992年被选为美国人工智能学会（AAAI）Fellow。1995～2004年担任计算机博士项目主管，从2004年起担任机器人研究所所长。2009年获得IEEE机器人与自动化学会（IEEE RAS）先锋奖。

译者序
前言
第1章 操作 1
1.1 实例1：人工操作 1
1.2 实例2：一种自动装配系统 3
1.3 操作中亟待解决的问题 4
1.4 操作技术的分类 6
1.5 文献注释 7
习题 8
第2章 运动学 9
2.1 基础知识 9
2.2 平面运动学 12
2.3 球面运动学 16
2.4 空间运动学 18
2.5 运动学约束 20
2.5.1 非完整约束 23
2.5.2 根据速度中心对平面约束进行分析 27
2.6 运动机构 29
2.7 文献注释 31
习题 31
第3章 运动学表示 34
3.1 空间旋转的表示 34
3.1.1 轴线–角度 35
3.1.2 旋转矩阵 36
3.1.3 欧拉角 40
3.1.4 四元数 42
3.2 空间位移的表示 49
3.2.1 齐次坐标 50
3.2.2 旋量坐标 51
3.3 运动学约束 58
3.4 文献注释 61
习题 61
第4章 运动学操作 65
4.1 路径规划 65
4.1.1 实际中的抓取和放置 66
4.1.2 位形空间变换 67
4.1.3 路径规划——离散C空间内的启发式搜索 70
4.2 非完整系统的路径规划 71
4.3 接触的运动学模型 72
4.4 文献注释 74
习题 74
第5章 刚体静力学 78
5.1 刚体上的作用力 78
5.2 多面体凸锥 83
5.3 接触力旋量与力旋量锥 85
5.4 速度旋量空间中的锥 87
5.5 有向平面 88
5.6 瞬心和Reuleaux方法 91
5.7 力线和力矩标记 92
5.8 对偶力 94
5.9 总结 97
5.10 文献注释 97
习题 98
第6章 摩擦 101
6.1 库仑定律 101
6.2 单自由度问题 103
6.3 平面内的单点接触问题 105
6.4 摩擦锥的图形表示 106
6.5 静平衡问题 106
6.6 平面滑动 108
6.6.1 平面滑动的力和力矩 109
6.6.2 极限曲面 111
6.7 文献注释 115
习题 115
第7章 准静态操作 118
7.1 抓取和夹具固持 118
7.2 推 121
7.3 稳定的推进 125
7.3.1 Peshkin界限 127
7.3.2 “平分线”界限 128
7.3.3 “竖直带”界限 128
7.3.4 计算稳定的推进动作 129
7.3.5 规划稳定的推进轨迹 131
7.4 零件定向 132
7.4.1 半径函数和推函数 133
7.4.2 旋转对称：定向到对称 135
7.4.3 不确定性的建模 135
7.4.4 规划算法 136
7.5 装配 138
7.6 文献注释 142
习题 143
第8章 动力学 148
8.1 牛顿定律 148
8.2 三维空间中的一个质点 149
8.3 力矩和动量矩/角动量 150
8.4 质点系的动力学 151
8.5 刚体动力学 153
8.6 角惯量矩阵 156
8.7 自由旋转体的运动 161
8.8 平面内的单点接触问题 163
8.8.1 摩擦的不一致性 165
8.8.2 摩擦的不确定性 167
8.9 平面动力学的图形方法 168
8.10 平面内的多点接触问题 170
8.11 文献注释 172
习题 172
第9章 碰撞 174
9.1 质点碰撞 174
9.1.1 摩擦：一个不好的模型 176
9.1.2 一个更好的模型 177
9.2 刚体碰撞 179
9.3 文献注释 184
习题 184
第10章 动态操作 185
10.1 准动态操作 185
10.2 短暂动态操作 188
10.3 接近动态操作 189
10.4 文献注释 191
习题 193
附录 无限远点 194
参考文献 197
索引 201