机器人学简明教程

内容简介

《高等学校智能科学与技术专业“十二五”规划教材：机器人学简明教程》简明地介绍了机器入学础也是要的内容，主要包括绪论，空间描述与坐标变换，机器人运动学，机器人逆运动学，速度与静力学关系，机器人动力学，机器人路径规划，驱动器与传感器，机器人控制等内容。在附录中介绍了双连杆平面机械手跟踪控制Matlab程序和Puma机械手逆运动学Matlab程序。《高等学校智能科学与技术专业“十二五”规划教材：机器人学简明教程》写作力求简明扼要，并通过例题和仿真帮助读者理解理论内容。
　　《高等学校智能科学与技术专业“十二五”规划教材：机器人学简明教程》可作为普通高等学校工科相关专业学生的机器入学教材，也可以供从事机器人相关研究和开发的教师、研究生和工程技术人员参考。

目录

第1章  绪论
1.1  机器人的由来
1.2  机器人的分类
l.3  机器人的学科领域
1.4  机器人的发展趋势
1.5  机器人的基本结构
1.6  本书的主要内容
第2章  空间描述与坐标变换
2.1  位置姿态表示与坐标系描述
2.2  坐标变换
2.3  齐次坐标变换
2.4  齐次变换算子
2.5  复合变换
2.6  齐次变换的逆变换
2.7  变换方程
2.8  姿态的欧拉角表示
习题
第3章  机器人运动学
3.1  双轮移动机器人运动学
3.2  三轮全向移动机器人运动学
3.3  平面机械臂运动学
3.4  空间机械臂连杆描述
3.5  空间机械臂连杆坐标系选择
3.6  空间机械臂运动学
3.7  PUMA560工业机器人运动学
3.8  坐标系的标准命名规则
习题
第4章  机器人逆运动学
4.1  逆运动学问题的可解性
4.2  欧拉变换解
4.3  PuMA560逆运动学
习题
第5章  速度与静力学关系
5.1  速度的符号表示
5.2  刚体的线速度和角速度
5.3  机器人连杆间速度传递
5.4  机器人雅可比矩阵
5.5  机器人静力关系
习题
第6章  机器人动力学
6.1  刚体定轴转动与惯性矩
6.2  刚体的惯性张量
6.3  刚体的牛顿欧拉方程
6.4  拉格朗日方程
6.5  双足机器人动力学
习题
第7章  机器人路径规划
7.1移动机器人路径规划
7.2机械臂路径规划
习题
第8章  驱动器与传感器
8.1  直流伺服电动机
8.2  舵机
8.3  旋转编码器
习题
第9章  机器人控制
9.1  反馈与闭环控制
9.2  二阶系统控制
9.3  控制律的分解
9.4  轨迹跟踪控制
9.5  单关节控制
9.6  机械臂非线性控制
习题
附录
附录1  双连杆平面机械手跟踪控制Matlab程序
附录2  Puma机械手逆运动学Martlab程序
参考文献

摘要与插图

1．1  机器人的由来
　　机器人（Robot）一词次出现在捷克作家K．Capek 1920年的科幻剧《罗萨姆的机器人》中，Robot是剧中的人造劳动者。1950年，美国科幻小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中提出了机器人必须遵守的“三准则”：
　　第1准则：机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害。
　　第2准则：机器人必须服从人类命令，与第l准则相违背的情况除外。
　　第3准则：机器人必须保护自己不受伤害，与第l、2准则相违背的情况除外。
　　这三个准则也是机器人研究和开发中应该遵守的机器人三定律。
　　得到应用的机器人是工业机器人，1962年，美国自动化公司的第一台机器人（机械手）Unimatc在美国通用汽车公司投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从20世纪70年代开始，日本购买美国专利技术生产了大量的工业机器人，并在汽车制造等工业领域广泛应用机器人。工业机器人的使用极大地提高了汽车生产线的工作效率，使得美国和日本的汽车生产在当时占据了主导地位。20世纪80年代以后，随着机械电子技术、计算机软硬件技术的发展，机器人的应用从工业机器人扩展到了广阔的领域，水下机器人、空间机器人、空中机器人、服务机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世。
　　虽然机器人已经得到了广泛的应用，但是关于什么是机器人并没有的统一的定义。一般把模拟人类的外形、认知和决策等功能的人造机器称为机器人。例如，目前广泛应用的工业机器入主要模拟的是人类手臂的动作和功能。
　　1．2  机器人的分类
　　机器人的分类方法多，按照不同的分类标准可以得到不同的机器人类别。例如，可以按模拟人类功能分为工业机器人（手）、移动机器人（脚）和视觉机器人（眼）；也可以根据机器人的结构分为直角坐标机器人、关节机器人和轮式机器人等。根据智能程度则可以将机器人分为以下三类：
　　示教再现机器人：示教再现与声音和视频的录放含义相同。设置机器人完成工作任务的方法是通过手工或者遥控方式操纵机器人运动，在关键点处记录机器人的位置（相当于录音）。进行作业时把记录的动作再现，即机器人顺序跟踪记忆的位置。因为示教再现机器人能自由地示教动作，所以它可以应用于各种各样的作业，如汽车厂的点焊作业等。因为该类机器人只是简单地重复示教时记忆的动作，所以没有什么智能可言。
　　感觉控制机器人：这类机器人带有传感器，能对自身的状态和周围的环境进行感知，并对感知信息做出反应。例如带力传感器的工业机器人，当它与环境接触时可以做出相应的反应以避免发生强烈的冲击。另外，一些带有视觉传感器的机器人可以根据视觉信息完成跟踪和避障等任务。该类机器人具有感知一动作型的智能，即能对外界刺激做出反应，属于具有低级智能的机器人。
　　智能机器人：这类机器人能够通过传感器主动采集工作环境信息，并借助其自我决策推理能力做出相应的动作，如生产线上能对零件进行识别的装配机器人，以及具有学习能力的机器人等。这类机器人能够模拟人的识别能力或者学习能力，是目前机器人研究的主要方向。
　　另外根据机器人的用途还可以将其分为以下几类：
　　工业机器人：主要应用在制造领域，多用于完成焊接、喷漆、物料搬运和产品检测等工作任务。
　　极限作业机器人：工作于人类难以承受的工作环境，如完成清理核废料、太空及海底探索作业等任务的机器人。
　　军事机器人：用于进攻或防御目的的各种机器人，如扫雷机器人。其中的无人飞机近年来发展快，已经成功运用于空中侦察、地面目标攻击等军事任务。
　　服务机器人：用于医疗和