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| 編輯推薦： |
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本书由西安交通大学徐海波、董霞教授编著，较为系统地介绍了机器人的基础理论知识。章节后设有小节和习题，有利于读者对各章知识的学习和理解。本书适用于高校机器人工程、机械、自动化等专业学生学习使用。
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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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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。
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| 目錄：
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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)4.3.5DH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)
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| 內容試閱：
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前言现代机器人诞生于20世纪50年代，自1970年以来，机器人技术开始飞速发展。如今，机器人已广泛应用和服务于制造、医疗、教育、救灾支援等各个行业。其中，工业机器人已成为先进制造业中不可替代的重要装备和手段之一。工业机器人的发展水平是衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标准。伴随着机器人研究与应用的快速发展，机器人学、机器人技术等课程也已成为全球高等教育人才培养体系中的重要课程。在中国，随着《中国制造2025》等指导我国制造业发展的纲领性文件的发布，无论是想要在各自行业应用机器人的技术人员，还是正在高等院校接受教育的学生，都对机器人表现出了浓厚的兴趣。西安交通大学的机械工程专业自20世纪90年代起就开设了机器人的相关课程，但真正引起广大教师和学生兴趣的时间是在2015年以后，为本科生和研究生所开设的课程中，机器人相关课程的选修人数出现了爆发式增长。21世纪是机器人时代，更是智能机器人与人类协同工作、和谐发展的时代。近年来，以机器人为主题的出版图书非常多，但由于机器人学涉及的学科较多，包括机械、电子、自动控制、计算机以及人工智能等，多学科交叉特征明显，所涉主题非常广泛，没有哪一本书能涵盖机器人学的所有主题，当然也没有哪一本书能适合高等教育中所有层次的学生使用。本书主要是为高等学校机械工程、智能制造等相关专业高年级本科生而编写的，也可供其他相关人员使用和参考。本书主要介绍机器人学中的基础知识，包括机器人结构设计、静力学与动力学分析、机器人位置与力的控制，更注重机器人的基础与应用，故名《机器人基础》。本书着眼于机器人的未来发展，力图引导学生将各学科知识融会贯通。本书在机器人的设计和开发中具有较好的系统性、基础性和前瞻性。另外，本书在某些章节中介绍了一些曾在数学、物理学或机器人技术发展历程中起到关键作用的人物，既可以引导读者关注科技发展史，又可以触动或者启迪读者的思想，进一步推动技术的发展。全书共10章，主要内容分为3个部分：工业机器人的设计、建模与控制。第1章主要介绍机器人的发展历史、机器人的定义与分类、工业机器人的系统组成与性能要素，并对机器人技术应用与发展展望进行了特别介绍，希望能给读者提供机器人研究和发展的全局视野，激励更多研发人员投入机器人学的研究中。第2章主要介绍工业机器人的组成与结构设计，包括机身、手臂、腕部和手部的作用、类型、特点与设计，工业机器人驱动器与传动机构的种类和特点，以及工业机器人的系统设计。第3章至第5章主要介绍机器人的数学建模，包括刚体的位置、姿态表达和坐标变换、机器人运动学、机器人雅可比矩阵、机器人静力学以及机器人动力学。第6章至第9章主要介绍机器人的控制，包括机器人传感器的配置种类和特点，以及机器人传感器的选择，还涉及机器人的轨迹规划与生成、位置（轨迹）控制与力控制以及机器人的编程控制方式。第10章主要介绍作者在项目实践中的一些设计案例，详细介绍了机器人的设计过程。由于授课学时有限，本书主要讲述的是工业机器人（准确地讲是串联机械臂）的设计、建模与控制基础，没有涉及移动机器人、飞行机器人以及医疗机器人等，也没有涉及机器人中常用的视觉图像处理以及基于机器视觉的运动控制等内容。本书主要由董霞和徐海波编撰完成，具体分工为：第1章、第3章至第9章由董霞编写，第2章和第10章由徐海波编写，全书由董霞统稿。实际上本书是基于两位作者多年的教学讲义所形成的。研究生李森参与了本书的文字录入工作，宋华涛、林铁成等人为本书绘制了部分图表。华中科技大学出版社对本书的出版也给予了很大的支持，俞道凯编辑亲自主持选题策划，张少奇编辑给予了热情关注和大力支持，保证了本书的质量，促使本书及时出版，在此深表感谢。机器人学是一门综合性学科，机器人技术涉及的专业范围很广，限于作者的研究水平和教学经验，书中难免有不妥和疏漏之处，诚挚希望读者们给予批评指正。作者2024年1月于西安
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