机器人学：运动学、动力学与控制 宋伟刚 高清

第1章介绍了机器人技术的发展及其种类、工作原理，机器人设计、控制与编程的基本方法。第2章和第3章介绍机器人机械系统分析的数学、力学基础。第4章和第5章论述串联机器人操作手运动静力学和动力学。第6章讨论机器人的轨迹规划问题，介绍了插补方式分类与轨迹控制方法，轨迹规划和连续路径轨迹的表示方法。第7章和第8章介绍了并联机器人、轮式机器人动力学分析方法。第9章介绍机器人运动控制问题，包括运动控制与动态控制、多关节机器人的控制、线性化模型设计机器人控制器方法、机器人手臂的自适应控制和学习控制等。第10章介绍机器人力控制。　　本书可作为高等学校研究生或高年级本科生的机器人学相关课程的教材，也可供从事机器TP24/152007中国科学院机械工程系列规划教材机器人学——运动学动力学与控制宋伟刚编著锛学出版北京内容简介全书共分10章。第1章介绍了机器人技术的发展及其种类、工作原理,机器人设计、粹制与编程的基本方法。第2章和第3章介绍机器人机械系统分析的数学、力学基础。第4章和第5章论述串联机器人操作手运动静力学和动力学。第6章讨论机器人的轨迹规划问题,介绍了插补方式分类与轨迹控制方法,轨迹规划和连续路径轨迹的表示方法。第7章和第8章介绍了并联机器人、轮式机器人动力学分析方法。第9章介绍机器人运动控制问题,包括运动控制与动态控制、多关节机器人的控制、线性化模型设计机器人控制器方法、机器人手臂的自适应控制和学习控制等。第10章介绍机器人力控制本书可作为高等学校研究生或高年级本科生的机器人学相关课程的教材,也叮供从事机器人研究、开发和应用的科技人员参考。图书在版编目CmP)数据机器人学:运动学、动力学与控制/宋伟刚编著.一北京:科学出版社,2007中国科学院机械工程系列规划教材)ISBN9787-03-020176-8.机…Ⅱ.宋…Ⅲ.机器人学-高等学校-教材Ⅳ.TP24中国版本图书馆CIP数据核字(2007)第152583号贲任编:段博原潘继敏/责任校对:陈玉風责任印制:张克忠/封面设计:陈敬学幺激址出版北京东黄城根北街16号邮政编码:10717http://www.sciencep.com飘青鄣副厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2007年10月第版开本:B5(720×1000)2007年10月第一次印刷印张:201.4印数:1-3000字数:376000定价:35.00元(如有印装质量问题,我社负责调换(双青))序装备制造业是我国国民经济中的重要基础工业。机械装备为各类产品的物化提供平台和载体,机械装备的技术水平是衡量社会生产力水平的重要标志,机械科学、机械工程技术和机械工业的发展水平对经济建设和社会发展的作用都至关重要。目前,世界机械工业产值达到了总工业产值的1/3以上。我国制造业增加值在国内生产总值所占的比重高达40%,我国的财政收入一半也来自制造业。随着我国加人WTO,经济越来越融入到全球经济体系中,我国的制造业在世界制造业中的地位越来越重要,并正从制造大国近向制造强国。至少在本世纪的前20年,制造业将仍然是我国国民经济增长的主要来源,因此需要大批综合素质高、能力强的机械类专业人才另外,我国高等教育从精英型教育阶段进入了大众型教育阶段,实现了高等教育的历史性的跨越式发展,技术的进步和社会的发展也对高等院校机械工程教育的人才培养提出了新的要求。为此,中国科学院教材建设专家委员会和科学出版社组织我国机械工程领域的中国科学院院士、教育部教学指导委员会成员、教学名师以及经验丰富的专家教授组成编委会,共同组织编写了这套《中国科学院机械工程系列规划教材》,以适应我国高等机械工程教育事业的发展,更好地实现机械工程类专业人才的培养目标,在规模上、素质上更好地满足我国机械科学技术和机械工业发展的需要,为建设创新型国家做出贡献。本套教材主要有以下几方面的特点1.适应多层次的需要。本套教材依据教育部相关教学指导委员会制定的最新专业规范和机械基础课程最新的教学基本要求,同时吸取不同层次学校教师的意见,进行了教材内容的编排与优化,能够满足各类型高校学生的培养目标。2.结构体系完备。各门课程的知识点之间相互衔接,以便学生完整掌握学科基本概念、基本理论,了解学科整体发展趋势。本套教材除主教材外,还配套有辅导书、多媒体课件、习题集及网络课程等3.作者经验丰富。参加本套教材编写的人员不少来自相关国家重点学科、国家机械教学基地的院校,有些还是国家级省部级教学成果奖完成人,国家级、省级精品课程建设负责人以及相关院校的骨干教师代表。4.理论与实际相结合,加强实践教学。在达到掌握基本理论、基本知识、基本机器人学一…运动学、动力学与控制技能的教学要求前提下,注重例题、设计实践和实验教学,着力于学生分析问题能力、创新能力和实际动手能力的培养另外,为了保证本套教材的质量编委会聘请国内知名的同行专家对教材进行了审定我们还将根据机械科学与工程学科发展的战略要求,对本套教材不断补充、更新,以保持本套教材的系统性、先进性和适用性。我们热忱欢迎全国同行以及关注机械科学与工程教育、教学及教材建设的广大有识之士对我们的工作提出宝贵意见和建议,一道为我国机械工程教育的发展而努力。中国科学院院士阁邦若2006年5月前言机器人是当代科学技术的产物,是高新技术的代表。从20世纪60年代开始,伴随着微计算机技术的发展,机器人科学与技术得到了迅猛发展。全世界已经有近100万台机器人在各个领域(特别是在制造系统)应用。宋健指出“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就是当代最高意义上的自动化”。机器人学是集力学、机械工程学、电子学、计算机科学和自动控制为体的综合性技术学科。目前在工科高等学校相继开设了机器人技术方面的课程。本书就是为了适应上述需要编写的。由于机器人学涉及机构与杌械理论、控制与驱动技术、传感与信息处理、专家系统机器智能等广泛领域,为避免与其他课程内容重复,本书集中介绍机器人学中的机器人运动学、动力学与控制问题。本书共分10章。第1章介绍了机器人技术的发展及其种类、工作原理,机器人设计、控制与编程的基本方法,分析了机器人的发展趋势。第2章和第3章介绍机器人机械系统分析的数学、力学基础,重点讨论了刚体旋转和姿态的表示方法、坐标变换和齐次变换,叉乘矩阵、不变量的概念等;通过引入螺旋的概念给出刚体运动的分析方法,介绍了刚体力学的牛顿欧拉方程、凯恩方程。第4章以串联结构机械手为对象介绍机器人运动学正向问题的分析方法,对解耦结构串联机器人进行逆向运动学分析,引入了灵巧性指标。第5章介绍了串联结构机器人的牛顿欧拉和欧拉-拉格朗日动力学方程,讨论了前向和逆向动力学算法。第6章讨论机器人的轨迹规划问题,介绍了插补方式分类与轨迹控制方法,给出了点到点控制的轨迹规划过程,介绍了连续路径轨迹的表示方法。第7章和第8章介绍了并联机器人、轮式机器人动力学分析方法,有关一般结构串联结构机器人运动学逆向运动学的分析引自J. Angeles的精彩归纳。第9章介绍机器人的运动控制问题,包括运动控制与动态控制、多关节机器人的控制、线性化模型设计机器人控制器方法、机器人手臂的自适应控制和学习控制等。第10章介绍机器人的力控制包括机器人的触觉系统与腕力传感器、机器人的阻抗控制和机器人的位置和力混合控制。感谢东北大学研究生院对本书出版所给予的大力支持,感谢东北大学机械工程与自动化学院以及所有关心、支持和帮助过我的同事和朋友们。感谢科学出版机器人学—运动学、动力学与控制社段博原同志的大力支持。本书引用了本人翻译的《机器人机械系统原理》一书的相关内容。由于作者水平有限时间仓促,疏漏之处在所难免恳请读者批评指正。宋伟刚2007年7月于东北大学目录序前言第1章机器人系统概述1弓2机器人系统工作原理1.2.1机器人的分类中+·中13351.2.2机器人的结构形式2.3机器人系统工作原理………141.3机器人的设计、控制与编程…………161.3.1机器人系统的设计……161.3.2控制与编程自鲁鲁·鲁鲁自t量十181.4机器人的新发展与发展趋势………19第2章刚体的转动和旋转变换自·非自·自m血222.1引言··香香·中世222.2矩阵与线性变换…………………222.2.1矩阵e中±p+·e22.22线性变换看非……232.2.3叉乘矩阵2623投影与镜像变换…+·+“+品而..非丰··中·:。.。····自·自自·""··rr272.4刚体的旋转…292.4.1旋转矩阵的性质…量中曲……292.4.2旋转矩阵的推导2.4.3旋转的指数表示…·+中+“中吾西函新县暮即喜·332.44旋转的欧拉角………342.4.5旋转的欧拉罗德里格斯参数2.4.6旋转和映像的合成…………372.5坐标变换和齐次变换25.1两个坐标系之间的坐标旋转变换………………………38机器人学运动学、动力学与控制2.5.2原点移动的坐标变换…392.5.3齐次坐标…392.6相似变换和不变量概念…………………………………………432,6.1相似变换………432.6.2不变量的概念2.6.3旋转的线性不变量…………47第3章刚体的运动学与力学基础………………503.1引.4·幕得…………………………*………*.503.2一般刚体运动及其螺旋…513.2.1直线的 Plucker坐标513.2.2刚体运动的螺旋……543.2.3刚体的姿态…5733刚体的一般瞬时运动与速度分析……58331刚体绕固定点的旋转………583.3.2刚体的运动的速度分析…………………593.3.3刚体运动的瞬时螺旋…………603.34刚体的运动旋量……………………………………………623.4刚体运动的加速度分析…………………643.5固定在移动坐标系下刚体的速度和加速度分析…會m。1ttt量6636刚体的静力分析683.7刚体动力学方程…………………713.7.1动量、动量矩和动能713.7.2牛顿-欧拉方程……743.7.3凯恩方程…………m中吾tt量·ttt"··世d第4章串联机器人操作手运动静力学……………………8141引言··普-专曾十中■「4吾吾干新画↓鲁量814.2DH表示方法着都申………814.36R操作手运动学…………………874.4解耦操作手逆运动学问题…914.4.1定位问题……………………914.4.2定向问题……………1034.5串联操作手的速度分析………………………………………………1074.5.1解耦操作手的速度分析………………107