机器人工程基础

本书全面系统地论述了机器人开发设计的工程基础理论和知识。全书共8章，内容包括：机器人的定义、发展历史、分类、功能和构成；刚体系统的基本运动学、力学方程；机器人关节、连杆机构、D-H建模方法和运动学、动力学方程；机器人常用驱动电动机的工作原理和控制方法；机器人内部传感器、外部传感器、传感器的融合设计；机器人控制器的功能、结构、控制系统的通信；机器人操作系统的体系结构、核心概念、应用方法和典型实例；以机器人操作系统作为开发平台的协作机器人仿真模型建立、仿真开发和物理环境实验。本书适合机器人工程专业的高年级本科生和研究生学习，同时也可作为机器人方向的研发者及工程师的参考资料。

前言
第1章概述1
1.1机器人的定义和发展历史1
1.1.1机器人的定义1
1.1.2机器人的发展历史2
1.2机器人的分类4
1.2.1工业机器人4
1.2.2服务机器人8
1.2.3特种机器人10
1.3机器人的功能和构成12
1.3.1机器人的功能12
1.3.2机器人的构成12
思考题16
第2章机器人数学基础17
2.1描述和变换17
2.1.1位置和姿态的描述17
2.1.2坐标系映射18
2.1.3平移旋转变换20
2.2线速度和角速度21
2.2.1线速度22
2.2.2角速度22
2.2.3刚体的线速度和角速度23
2.3刚体的加速度24
2.3.1线加速度24
2.3.2角加速度25
2.4平动和转动的力学方程25
2.4.1惯性张量25
2.4.2Newton方程和Euler方程26
思考题27
第3章机器人的机构和运动29
3.1传动机构29
3.1.1齿轮传动29
3.1.2丝杠30
3.1.3带传动31
3.1.4连杆传动32
3.1.5减速装置33
3.2机械臂的构型35
3.2.1连杆和关节35
3.2.2关节的自由度38
3.2.3机械臂的基本结构40
3.3机器人运动学41
3.3.1正运动学41
3.3.2DH建模实例45
3.3.3逆运动学48
3.3.4工作空间55
3.4动力学56
3.4.1 NewtonEuler递推方法56
3.4.2迭代形式与封闭形式的动力学
方程58
3.4.3动力学方程应用举例58
思考题61
第4章机器人的驱动——电动机62
4.1概述62
4.2有刷直流电动机63
4.2.1有刷直流电动机的工作原理64
4.2.2有刷直流电动机的控制方法68
4.3步进电动机70
4.3.1步进电动机的工作原理71
4.3.2步进电动机的控制方法73
4.4永磁同步电动机73
4.4.1永磁同步电动机的工作原理74
4.4.2永磁同步电动机的控制方法77
4.5舵机81
4.5.1舵机的结构82
4.5.2舵机的工作原理82
4.5.3舵机的选型84
思考题84
第5章机器人的传感器和感知86
5.1概述86
5.2传感器的分类86
5.3内部传感器87
5.3.1位置和角度测量87
5.3.2线速度和角速度测量92
5.3.3加速度和角加速度测量93
5.3.4姿态测量96
5.3.5坐标位置传感器98
5.4外部传感器100
5.4.1视觉传感器100
5.4.2触觉传感器103
5.4.3力觉传感器106
5.4.4接近觉传感器108
5.4.5距离传感器110
5.4.6听觉、味觉、嗅觉传感器113
5.5传感器融合应用示例115
思考题118
第6章机器人控制器119
6.1控制器的功能119
6.2控制器的结构121
6.3运动规划123
6.3.1关节空间的轨迹规划123
6.3.2操作空间的轨迹规划126
6.4机器人编程127
6.4.1机器人编程级别128
6.4.2机器人语言的功能129
6.5控制系统中的通信131
6.5.1RS232131
6.5.2USB132
6.5.3Ethernet133
6.5.4WiFi134
6.5.5蓝牙135
6.5.6IrDA135
6.5.7CAN136
思考题137
第7章机器人操作系统138
7.1概述138
7.1.1为什么使用机器人操作系统139
7.1.2ROS的特点140
7.1.3ROS的版本141
7.2ROS入门142
7.2.1计算图143
7.2.2ROS的文件系统146
7.2.3ROS的开源社区147
7.2.4安装ROS147
7.2.5ROS的启动与命令工具150
7.2.6ROS实践151
7.3进一步理解ROS中的概念和机制156
7.3.1节点156
7.3.2话题157
7.3.3服务160
7.3.4动作161
7.3.5参数161
7.3.6命名163
7.4ROS的编程应用164
7.4.1构建系统164
7.4.2话题编程流程172
7.4.3服务编程流程179
7.4.4动作编程流程182
思考题186
第8章机械臂应用示例187
8.1机械臂简介188
8.2机械臂建模189
8.2.1ROS中的机器人模型189
8.2.2URDF文件编写192
8.2.3AUBO机械臂模型代码解读197
8.2.4改进URDF模型202
8.3机械臂仿真204
8.3.1RViz平台204
8.3.2Moveit!架构205
8.3.3RViz+Moveit!仿真过程207
8.4机械臂运行实验210
8.4.1系统连接与搭建210
8.4.2机械臂运动控制211
8.4.3视觉抓取实现212
思考题214
参考文献215