机器人学导论(第三版)

机器人学导论(第三版)是由斯坦福大学荣誉教授ohn.J.Craig先生所编写的一本专业的机器人理论知识学习书籍。本书介绍机械操作的理论和工程知识，这是机器人学的分支学科，它是建立在几个传统学科基础之上的。主要的相关学科有力学、控制理论、计算机科学。

在本书中，第一章至第八章包括机械工程和数学的专题，第九章至第十一章为控制理论的题材，第十二章和第十三章属于计算机科学的内容。另外，本书自始至终强调通过计算机解决问题。例如，与力学密切相关的每一章都有一节简要介绍计算方面的问题。内容丰富，有需要的朋友可以下载阅读。

内容简介

《机器人学导论(第三版)》一书，Craig教授根据机器人学的特点，将理论和实际应用密切结合，按照刚体力学、分析力学、机构学和控制理论中的原理和定义对机器人运动学、动力学和控制中的原理进行了严谨的阐述，语言精练，内容深入浅出，例题简单易懂，体现出Craig教授在机器人学方面高深的造诣。《机器人学导论》（原书第3版）是当今机器人学研究领域的经典之作。

目录

译者序

前言

第1章 绪论

1.1 背景

1.2 操作臂的机构与控制

1.3 符号

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第2章 空间描述和变换

2.1 概述

2.2 描述：位置、姿态与坐标系

2.3 映射：从坐标系到坐标系的变换

2.4 算子：平移、旋转和变换

2.5 总结和说明

2.6 变换算法

2.7 变换方程

2.8 姿态的其他描述方法

2.9 自由矢量的变换

2.10 计算分析

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题1

MATLAB习题2

第3章 操作臂运动学

3.1 概述

3.2 连杆描述

3.3 关于连杆连接的描述

3.4 对连杆附加坐标系的规定

3.5 操作臂运动学

3.6 驱动器空间、关节空间和笛卡儿空间

3.7 举例：两种典型机器人的运动学问题

3.8 坐标系的标准命名

3.9 工具的定位

3.10 计算问题

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第4章 操作臂逆运动学

4.1 概述

4.2 可解性

4.3 当n〈6时操作臂子空间的描述

4.4 代数解法与几何解法

4.5 通过化简为多项式的代数解法

4.6 三轴相交的PIEPER解法

4.7 操作臂逆运动学实例

4.8 标准坐标系

4.9 操作臂求解

4.10 重复精度和定位精度

4.11 计算问题

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第5章 速度和静力

5.1 概述

5.2 时变位姿的符号表示

5.3 刚体的线速度和角速度

5.4 对角速度的进一步研究

5.5 机器人连杆的运动

5.6 连杆间的速度传递

5.7 雅可比

5.8 奇异性

5.9 作用在操作臂上的静力

5.10 力域中的雅可比

5.11 速度和静力的笛卡儿变换

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第6章 操作臂动力学

6.1 概述

6.2 刚体的加速度

6.3 质量分布

6.4 牛顿方程和欧拉方程

6.5 牛顿一欧拉迭代动力学方程

6.6 迭代形式与封闭形式的动力学方程

6.7 封闭形式动力学方程应用举例

6.8 操作臂动力学方程的结构

6.9 操作臂动力学的拉格朗日公式

6.10 建立笛卡儿空间的规范化操作臂动力学方程

6.11 计及非刚体效应

6.12 动力学仿真

6.13 计算效率问题

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题1

MATLAB习题2

MATLAB习题3

第7章 轨迹的生成

7.1 概述

7.2 关于路径描述和路径生成的综述

7.3 关节空间规划方法

7.4 笛卡儿空间规划方法

7.5 笛卡儿路径的几何问题

7.6 路径的实时生成

7.7 使用机器人编程语言描述路径

7.8 使用动力学模型的路径规划

7.9 无碰撞路径规划

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第8章 操作臂的机械设计

8.1 概述

8.2 基于任务需求的设计

8.3 运动学构形

8.4 工作空间属性的定量测量

8.5 冗余机构与闭链机构

8.6 驱动方式

8.7 刚度与变形

8.8 位置检测

8.9 力检测

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第9章 操作臂的线性控制

9.1 概述

9.2 反馈与闭环控制

9.3 二阶线性系统

9.4 二阶系统的控制

9.5 控制律的分解

9.6 轨迹跟踪控制

9.7 抗干扰

9.8 连续时间控制与离散时间控制

9.9 单关节的建模和控制

9.10 工业机器人控制器的结构

参考文献

习题

编程习题

MATLAB习题

第10章 操作臂的非线性控制

10.1 概述

10.2 非线性系统和时变系统

10.3 多输入多输出控制系统

10.4 操作臂的控制问题

10.5 实际应用中的问题

10.6 当前的工业机器人控制系统

10.7 李雅普诺夫稳定性分析

10.8 基于笛卡儿空间的控制系统

10.9 自适应控制

参考文献

习题

编程习题

第11章 操作臂的力控制

11.1 概述

11.2 工业机器人在装配作业中的应用

11.3 局部约束任务中的控制坐标系

11.4 力/位混合控制问题

11.5 质量一弹簧系统的力控制

11.6 力/位混合控制方法

11.7 当前的工业机器人控制方法

参考文献

习题

编程习题

第12章 机器人编程语言及编程系统

12.1 概述

12.2 机器人编程的三个级别

12.3 应用实例

12.4 机器人编程语言的必要条件

12.5 机器人编程语言的特殊问题

参考文献

习题

编程习题

第13章 离线编程系统

13.1 概述

13.2 离线编程系统的核心问题

13.3 引导仿真器

13.4 离线编程系统的自动子任务

参考文献

习题

编程习题

附录A 三角恒等式

附录B 24种角坐标系的旋转矩阵定义

附录C 逆运动学公式

部分习题答案

索引

章节节选

第1章绪论

1.1

工业自动化的历史是以技术手段的快速更新为特征的。这种自动化技术的更新不论是看作世界经济发展的诱因还是结果，都和世界经济密切相关。工业机器人在20世纪60年代毫无疑问是一种独特的设备"，将其和计算机辅助设计 (CAD)系统、计算机辅助制造(CAM)系统结合在一起应用，这是现代制造业自动化的最新发展趋势。这些技术正在引导工业自动化向一个新的领城过渡P。

在北美，20世纪80年代初期工业机器人的应用很多，到晚期有一个短暂的回落。从那时开始，工业机器人市场虽然像所有产品一样受到经济波动的影响，但仍然不断成长(图1-1)

图1-2反映了机器人在世界主要工业区的年安装使用量。我们注意到日本的统计数字在某种程度上与其他地区不同: 他们将一些世界其他地区认为不属于机器人的机器也算作机器人(然而这些机器仅能被看作是工厂的设备)。因此，本的统计数字有张。

工业机器人使用量增长的主要原因是价格不断降低。图1-3表明在20世纪90年代的十年间机器人价格降低而劳动力成本增加。机器人不仅越来越便宜，而且它们在工业领域变得更加有效一一速度更快、操作更准确、更富有柔性。如果在成本统计中将质量因素考虑在内，应用机器人的成本将比它的实际价格下降快得多。由于机器人作业变得愈加有效，而劳动力成本不断升高，因此工业中越来越多的作业更适合于应用机器人自动化。这是推动工业机器人市场发展的主要因素。其次是非经济因素造成的，随着机器人作业能力的增强，它们可以完成更加危险或是人类不可能完成的工作。

虽然工业机器人的应用日趋成熟，但2000年在美国近78%的机器人仍应用于焊接和物料搬运作业。而在技术要求更高的领域，例如机器人装配作业，则仅装备有大约10%的机器人。

本书重点阐述了操作臂的机构和控制理论，操作臂是工业机器人中最重要的一种类型。操作臂是否可称作工业机器人受到争议。如图1-4所示的装备通常被认为属于工业机器人的范畴，而数控(NC)磨床则通常在此范畴之外。这种区别在某种程度上依赖于设备可编程能力的复杂程度。如果一台机械设备在编程后可实现多种用途，则很可能被称作工业机器人。如果一台设备的主要功能都被限定用来执行同一类型任务，一般则把它称为专用的自动化装备。从本书的目的出发，我们将不讨论这种区别，书中的大部分内容均可应用于各种可编程机械。

一般来说，对于操作臂的机构和控制理论的研究并不是一门新的科学，它只不过是对传统学科理论的一种综合。机械工程理论为研究静态和动态环境下的操作臂提供了方法论;数学方法用于描述机械手空间运动及其特性;控制理论为实现期望运动或力提供了各种设计方法和评估算法;电气工程技术可用于传感器及工业机器人接口的设计;计算机技术提供了执行期望任务所需的编程平台

1.2操作的机构与控制

下面几节介绍一些术语，并对文章中将要涉及的一些专题进行概述

位姿描述

在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位置。这里所说的物体既包括操作臂的杆件、零部件和抓持工具，也包括操作臂工作空间内的其他物体。通常这些物体可用两个非常重要的特性来描述:位置和姿态。自然我们会首先研究如何用数学方法表示和计算这些参量。

为了描述空间物体的位姿，我们一般先将物体固置于一个空间坐标系，即参考系中，然后我们就在这个参考坐标系中研究空间物体的位置和姿态，如图1-5所示。

任一坐标系都能用作描述物体位姿的参考系，我们经常在不同参考系中变换表示物体空间位姿的形式。在第2章中，我们将研究同一物体在不同坐标系中空间位姿的描述方法和数学计算方法。

刚体位姿的研究对于机器人以外的领域也是非常有意义的。

操作臂正运动学

运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。在运动学中，我们研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间或者其他变量的高阶微分。这样，操作臂运动学的研究对象的高阶微分。这样，操作臂运动学的研究对象就是运动的全部几何和时间特性。几乎所有的操作臂都是由刚性连杆组成的，相邻连杆间由可作相对运动的关节连接。这些关节通常装有位置传感器，用来测量相邻杆件的相对位置。如果是转动关节，这个位移被称为关节角。一些操作臂含有滑动(或移动)关节，那么两个相邻连杆的位移是直线运动，有时将这个位移称为关节偏距

操作臂自由度的数目是操作臂中具有独立位置变量的数目，这些位置变量确定了机构中所有部件的位置。自由度对所有的机构具有普遍意义。例如，四杆机构只有一个自由度 (尽管它有三个可以运动的杆件)。对于一个典型的工业机器人来讲，由于操作臂大都是开式的运动链，而且每个关节位置都由一个独立的变量定义，因此关节数目等于自由度数目。

末端执行器安装在操作臂的自由端。根据机器人的不同应用场合，末端执行器可以是一个夹具、一个焊枪、一个电磁铁或是其他装置。我们通常用附着于末端执行器上的工具坐标系描述操作臂的位置，与工具标系相对应的是与操作臂固定底座相联的基坐标系(如图1-6所示)

在操作臂运动学的研究中一个典型的问题是操作臂正运动学。计算操作臂末端执行器的位置和姿态是一个静态的几何问题。具体来讲，给定一组关节角的值，正运动学问题是计算工具坐标系相对于基坐标系的位置和姿态。一般情况下，我们将这个过程称为从关节空间描述到笛卡儿空间描述的操作臂位置表示。这个问题将在第3章中详细论述。

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