机器人基础

本书较为系统地介绍了机器人学的基础理论知识，主要内容是工业机器人的设计、建模与控制，包括：绪论、机器人结构设计基础、物体的空间描述与坐标变换、机器人运动学、机器人静力学和动力学、机器人的传感系统、机器人的轨迹规划、机器人的控制和机器人编程语言及编程系统，最后通过工业机器人设计与应用实例介绍了三种机器人设计。各章后给出了本章小结，有利于读者对各章知识的学习和理解。 本书可作为高等学校机械工程、智能制造等相关专业高年级本科生培养的教材或参考书，也可供相关技术人员参考。

徐海波，男，1963年出生于山东牟平，1991年毕业于西安交通大学，获工学博士学位。1999年晋升为教授。2001年—2002年赴日本庆英大学进行合作科研。1996年—2001年任机械学院副院长。

目录 1绪论(1) 1.1机器人的发展历史(1) 1.1.1机器人名称的由来(1) 1.1.2古代“机器人”——现代机器人的雏形(2) 1.1.3现代机器人的发展历史(3) 1.2机器人的定义与分类(9) 1.2.1机器人的定义(9) 1.2.2机器人的分类(9) 1.3工业机器人的系统组成与性能要素(13) 1.3.1工业机器人的系统组成(13) 1.3.2工业机器人的性能要素(14) 1.4机器人技术应用与发展展望(15) 1.4.1机器人的应用领域(15) 1.4.2我国机器人研究简况(15) 1.4.3我国工业机器人的发展与应用现状(18) 1.4.4机器人技术的未来应用与发展展望(20) 本章小结(21) 著名人物介绍(21) 习题(22) 2机器人结构设计基础(24) 2.1工业机器人的坐标构型(24) 2.2工业机器人机身和手臂(26) 2.2.1机身设计(28) 2.2.2机身驱动力与力矩计算(30) 2.2.3手臂设计(31) 2.2.4机身和手臂设计应注意的问题(34) 2.3工业机器人的腕部和手部(35) 2.3.1工业机器人的腕部(35) 2.3.2工业机器人手部的作用与分类(40) 2.3.3夹钳式手部(41) 2.3.4吸附式手部(44) 2.3.5仿生多指灵巧手(45) 2.4工业机器人的驱动与传动系统(47) 2.4.1驱动器的类型和特点(47) 2.4.2驱动器的选择和安装(52) 2.4.3机器人传动机构(52) 2.5工业机器人的系统设计(56) 本章小结(57) 习题(57) 3物体的空间描述与坐标变换(59) 3.1刚体的位置和姿态表达(59) 3.1.1点的位置表示(59) 3.1.2刚体姿态的表示(60) 3.1.3位姿的统一表示(62) 3.2坐标变换(62) 3.2.1坐标系的平移变换(62) 3.2.2坐标系的旋转变换(63) 3.2.3“旋转+平移”的复合变换(63) 3.3齐次坐标变换(64) 3.3.1齐次坐标(64) 3.3.2平移齐次坐标变换(65) 3.3.3旋转齐次坐标变换(65) 3.3.4“旋转+平移”的复合齐次坐标变换(66) 3.3.5相对变换(68) 3.4物体的变换及逆变换(69) 3.4.1物体的位置和变换(69) 3.4.2复合齐次坐标变换(71) 3.4.3齐次坐标变换的逆变换(71) 3.4.4机器人坐标系命名及其变换(72) 3.5通用旋转坐标变换(73) 3.5.1绕过原点轴线的通用旋转坐标变换(74) 3.5.2等效转角与转轴(75) 3.5.3绕不过原点轴线的通用旋转坐标变换(76) 3.6机器人末端执行器姿态的其他描述方法(77) 3.6.1末端执行器姿态的欧拉角表示(77) 3.6.2末端执行器姿态的单位四元数(欧拉参数)表示(79) 本章小结(80) 习题(81) 4机器人运动学(83) 4.1机器人运动学研究的对象及问题(83) 4.1.1运动学研究的对象(83) 4.1.2运动学研究的问题(83) 4.2机器人连杆、关节和相关参数(84) 4.2.1连杆与关节的定义(84) 4.2.2杆件参数的定义(85) 4.2.3机器人连杆坐标系的建立(87) 4.3相邻连杆坐标系变换与机器人运动学方程(89) 4.3.1相邻连杆坐标系变换(90) 4.3.2机器人运动学方程(90) 4.3.3PUMA560机器人正向运动学分析(91) 4.3.4Stanford机器人运动学方程的建立(93) 4.3.5DH坐标系的两种建立方法(96) 4.4运动学逆问题(100) 4.4.1运动学逆解的存在性(100) 4.4.2逆运动学的可解性与求解方法(102) 4.4.3运动学逆问题的解法(103) 4.5运动学方程的其他描述(109) 本章小结(109) 习题(109) 5机器人静力学和动力学(111) 5.1机器人静力学与动力学问题(111) 5.2机器人雅可比矩阵(112) 5.2.1雅可比矩阵定义(112) 5.2.2机器人雅可比矩阵构造方法(114) 5.2.3机器人的逆速度雅可比矩阵(119) 5.3机器人静力学(120) 5.3.1机器人中的静力和力矩平衡(120) 5.3.2机器人的力雅可比矩阵(121) 5.3.3机器人的静力计算(123) 5.4机器人动力学概述(126) 5.4.1机器人动力学研究的目的(126) 5.4.2机器人动力学研究的问题(126) 5.4.3动力学研究方法(126) 5.5二连杆机器人的拉格朗日方程(127) 5.5.1刚体系统的拉格朗日方程(127) 5.5.2二连杆机器人的拉格朗日方程(132) 5.6机器人的拉格朗日方程的一般表达形式(135) 5.6.1任意点的速度(136) 5.6.2动能的计算(137) 5.6.3势能的计算(139) 5.6.4确定拉格朗日函数(139) 5.6.5求动力学方程(140) 5.7关节空间动力学与操作空间动力学(145) 5.7.1关节空间动力学方程与操作空间动力学方程(145) 5.7.2关节空间动力学与操作空间动力学间的关系(146) 本章小结(146) 著名人物介绍(147) 习题(147) 6机器人的传感系统(149) 6.1概述(149) 6.1.1传感器的种类(150) 6.1.2机器人传感器的安装需求与选择(152) 6.2机器人关节传感器(152) 6.2.1位置与位移传感器(153) 6.2.2角速度传感器(159) 6.2.3加速度传感器(161) 6.2.4力觉传感器(162) 6.3机器人手部传感器(166) 6.3.1接触觉传感器(166) 6.3.2压觉传感器(167) 6.3.3滑动觉传感器(167) 6.3.4力觉传感器(169) 6.4机器人环境识别传感器(170) 6.4.1视觉传感器(171) 6.4.2接近觉传感器(176) 本章小结(177) 习题(177) 7机器人的轨迹规划(178) 7.1机器人规划的基本概念(178) 7.1.1机器人规划的概念(179) 7.1.2路径与轨迹(180) 7.2机器人轨迹规划的一般性问题(181) 7.3关节空间的轨迹规划(183) 7.3.1三次多项式轨迹规划(183) 7.3.2五次多项式轨迹规划(187) 7.3.3抛物线过渡的线性运动轨迹规划(189) 7.3.4具有中间路径点且用抛物线过渡的线性运动轨迹(192) 7.3.5高次多项式轨迹规划(192) 7.4直角坐标空间的轨迹规划(196) 7.4.1直角坐标空间的直线轨迹规划(196) 7.4.2直角坐标空间的轨迹规划需要注意的问题(197) 7.4.3基于动力学模型的轨迹规划(198) 7.5轨迹的实时生成(198) 7.5.1关节空间轨迹的生成(198) 7.5.2直角坐标空间轨迹的生成(199) 本章小结(199) 习题(200) 8机器人的控制(201) 8.1机器人控制综述(201) 8.1.1机器人控制系统的特点(201) 8.1.2机器人控制系统的组成和功能(202) 8.1.3机器人控制方式的分类(204) 8.1.4机器人的主要控制变量(206) 8.2机器人的位置控制(207) 8.2.1位置控制问题(207) 8.2.2位置控制器(二阶线性系统)模型(209) 8.2.3工业机器人单关节的建模和控制(211) 8.2.4基于直角坐标的控制(217) 8.3机器人的力控制(219) 8.3.1概述(219) 8.3.2力传感器的设计、安装问题(219)目录 1绪论(1) 1.1机器人的发展历史(1) 1.1.1机器人名称的由来(1) 1.1.2古代“机器人”——现代机器人的雏形(2) 1.1.3现代机器人的发展历史(3) 1.2机器人的定义与分类(9) 1.2.1机器人的定义(9) 1.2.2机器人的分类(9) 1.3工业机器人的系统组成与性能要素(13) 1.3.1工业机器人的系统组成(13) 1.3.2工业机器人的性能要素(14) 1.4机器人技术应用与发展展望(15) 1.4.1机器人的应用领域(15) 1.4.2我国机器人研究简况(15) 1.4.3我国工业机器人的发展与应用现状(18) 1.4.4机器人技术的未来应用与发展展望(20) 本章小结(21) 著名人物介绍(21) 习题(22) 2机器人结构设计基础(24) 2.1工业机器人的坐标构型(24) 2.2工业机器人机身和手臂(26) 2.2.1机身设计(28) 2.2.2机身驱动力与力矩计算(30) 2.2.3手臂设计(31) 2.2.4机身和手臂设计应注意的问题(34) 2.3工业机器人的腕部和手部(35) 2.3.1工业机器人的腕部(35) 2.3.2工业机器人手部的作用与分类(40) 2.3.3夹钳式手部(41) 2.3.4吸附式手部(44) 2.3.5仿生多指灵巧手(45) 2.4工业机器人的驱动与传动系统(47) 2.4.1驱动器的类型和特点(47) 2.4.2驱动器的选择和安装(52) 2.4.3机器人传动机构(52) 2.5工业机器人的系统设计(56) 本章小结(57) 习题(57) 3物体的空间描述与坐标变换(59) 3.1刚体的位置和姿态表达(59) 3.1.1点的位置表示(59) 3.1.2刚体姿态的表示(60) 3.1.3位姿的统一表示(62) 3.2坐标变换(62) 3.2.1坐标系的平移变换(62) 3.2.2坐标系的旋转变换(63) 3.2.3“旋转+平移”的复合变换(63) 3.3齐次坐标变换(64) 3.3.1齐次坐标(64) 3.3.2平移齐次坐标变换(65) 3.3.3旋转齐次坐标变换(65) 3.3.4“旋转+平移”的复合齐次坐标变换(66) 3.3.5相对变换(68) 3.4物体的变换及逆变换(69) 3.4.1物体的位置和变换(69) 3.4.2复合齐次坐标变换(71) 3.4.3齐次坐标变换的逆变换(71) 3.4.4机器人坐标系命名及其变换(72) 3.5通用旋转坐标变换(73) 3.5.1绕过原点轴线的通用旋转坐标变换(74) 3.5.2等效转角与转轴(75) 3.5.3绕不过原点轴线的通用旋转坐标变换(76) 3.6机器人末端执行器姿态的其他描述方法(77) 3.6.1末端执行器姿态的欧拉角表示(77) 3.6.2末端执行器姿态的单位四元数(欧拉参数)表示(79) 本章小结(80) 习题(81) 4机器人运动学(83) 4.1机器人运动学研究的对象及问题(83) 4.1.1运动学研究的对象(83) 4.1.2运动学研究的问题(83) 4.2机器人连杆、关节和相关参数(84) 4.2.1连杆与关节的定义(84) 4.2.2杆件参数的定义(85) 4.2.3机器人连杆坐标系的建立(87) 4.3相邻连杆坐标系变换与机器人运动学方程(89) 4.3.1相邻连杆坐标系变换(90) 4.3.2机器人运动学方程(90) 4.3.3PUMA560机器人正向运动学分析(91) 4.3.4Stanford机器人运动学方程的建立(93) 4.3.5DH坐标系的两种建立方法(96) 4.4运动学逆问题(100) 4.4.1运动学逆解的存在性(100) 4.4.2逆运动学的可解性与求解方法(102) 4.4.3运动学逆问题的解法(103) 4.5运动学方程的其他描述(109) 本章小结(109) 习题(109) 5机器人静力学和动力学(111) 5.1机器人静力学与动力学问题(111) 5.2机器人雅可比矩阵(112) 5.2.1雅可比矩阵定义(112) 5.2.2机器人雅可比矩阵构造方法(114) 5.2.3机器人的逆速度雅可比矩阵(119) 5.3机器人静力学(120) 5.3.1机器人中的静力和力矩平衡(120) 5.3.2机器人的力雅可比矩阵(121) 5.3.3机器人的静力计算(123) 5.4机器人动力学概述(126) 5.4.1机器人动力学研究的目的(126) 5.4.2机器人动力学研究的问题(126) 5.4.3动力学研究方法(126) 5.5二连杆机器人的拉格朗日方程(127) 5.5.1刚体系统的拉格朗日方程(127) 5.5.2二连杆机器人的拉格朗日方程(132) 5.6机器人的拉格朗日方程的一般表达形式(135) 5.6.1任意点的速度(136) 5.6.2动能的计算(137) 5.6.3势能的计算(139) 5.6.4确定拉格朗日函数(139) 5.6.5求动力学方程(140) 5.7关节空间动力学与操作空间动力学(145) 5.7.1关节空间动力学方程与操作空间动力学方程(145) 5.7.2关节空间动力学与操作空间动力学间的关系(146) 本章小结(146) 著名人物介绍(147) 习题(147) 6机器人的传感系统(149) 6.1概述(149) 6.1.1传感器的种类(150) 6.1.2机器人传感器的安装需求与选择(152) 6.2机器人关节传感器(152) 6.2.1位置与位移传感器(153) 6.2.2角速度传感器(159) 6.2.3加速度传感器(161) 6.2.4力觉传感器(162) 6.3机器人手部传感器(166) 6.3.1接触觉传感器(166) 6.3.2压觉传感器(167) 6.3.3滑动觉传感器(167) 6.3.4力觉传感器(169) 6.4机器人环境识别传感器(170) 6.4.1视觉传感器(171) 6.4.2接近觉传感器(176) 本章小结(177) 习题(177) 7机器人的轨迹规划(178) 7.1机器人规划的基本概念(178) 7.1.1机器人规划的概念(179) 7.1.2路径与轨迹(180) 7.2机器人轨迹规划的一般性问题(181) 7.3关节空间的轨迹规划(183) 7.3.1三次多项式轨迹规划(183) 7.3.2五次多项式轨迹规划(187) 7.3.3抛物线过渡的线性运动轨迹规划(189) 7.3.4具有中间路径点且用抛物线过渡的线性运动轨迹(192) 7.3.5高次多项式轨迹规划(192) 7.4直角坐标空间的轨迹规划(196) 7.4.1直角坐标空间的直线轨迹规划(196) 7.4.2直角坐标空间的轨迹规划需要注意的问题(197) 7.4.3基于动力学模型的轨迹规划(198) 7.5轨迹的实时生成(198) 7.5.1关节空间轨迹的生成(198) 7.5.2直角坐标空间轨迹的生成(199) 本章小结(199) 习题(200) 8机器人的控制(201) 8.1机器人控制综述(201) 8.1.1机器人控制系统的特点(201) 8.1.2机器人控制系统的组成和功能(202) 8.1.3机器人控制方式的分类(204) 8.1.4机器人的主要控制变量(206) 8.2机器人的位置控制(207) 8.2.1位置控制问题(207) 8.2.2位置控制器(二阶线性系统)模型(209) 8.2.3工业机器人单关节的建模和控制(211) 8.2.4基于直角坐标的控制(217) 8.3机器人的力控制(219) 8.3.1概述(219) 8.3.2力传感器的设计、安装问题(219) 8.3.3约束条件与约束坐标系(220) 8.3.4力的控制(221) 8.4机器人的位置和力混合控制(223) 8.4.1以约束坐标系{C}为基准的直角坐标机器人位置和力混合控制方案(224) 8.4.2应用在一般机器人上的位置和力混合控制器(225) 本章小结(226) 习题(226) 9机器人编程语言及编程系统(228) 9.1概述(228) 9.2机器人编程方式(228) 9.3机器人编程语言的基本要求和类别(231) 9.4机器人语言系统的结构和基本功能(233) 9.5常用的机器人编程语言(234) 9.5.1机器人语言的发展历史(235) 9.5.2AL语言(237) 9.5.3VAL语言(240) 9.5.4AML语言(242) 9.6机器人的离线编程(244) 9.6.1机器人离线编程的特点及相关软件(244) 9.6.2离线编程系统的主要组成(246) 本章小结(248) 习题(249) 10工业机器人设计与应用实例(250) 10.1加油机器人(250) 10.1.1加油机器人的工作特点(250) 10.1.2加油机器人系统的组成(250) 10.1.3加油机器人的结构设计(251) 10.1.4加油机器人的控制系统(256) 10.2油污清洗与涂层测厚机器人(257) 10.2.1油污清洗与涂层测厚机器人的工作特点(257) 10.2.2油污清洗与涂层测厚机器人的系统构成(258) 10.2.3油污清洗与涂层测厚机器人的控制过程(260) 10.3发动机自动上下料桁架机器人(263) 10.3.1发动机自动上下料桁架机器人的设计背景(263) 10.3.2发动机自动上下料桁架机器人的结构组成(264) 10.3.3发动机自动上下料桁架机器人的控制系统设计(268) 本章小结(272) 参考文献(273)