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第1部分 机器人基础3

第1章 绪论3

1.1 机器人简介3

1.1.1 机器人的由来3

1.1.2 机器人的定义4

1.1.3 机器人学的研究领域5

1.2 机器人的发展历史5

1.3 机器人的基本结构6

1.4 机器人的分类7

1.5 机器人的应用8

1.6 机器人学的研究内容10

1.7 机器人学的国内外研究现状11

第2章 机器人运动学13

2.1 刚体位姿的描述13

2.1.1 位置的描述——位置矢量13

2.1.2 方位的描述——旋转矩阵13

2.1.3 坐标系的描述14

2.1.4 机器人操作臂手爪位姿的描述14

2.2 点的映射15

2.2.1 坐标平移15

2.2.2 坐标旋转15

2.2.3 一般映射15

2.3 齐次坐标和齐次变换16

2.4 变换矩阵19

2.4.1 平移算子19

2.4.2 旋转算子19

2.4.3 变换算子的一般形式20

2.4.4 变换矩阵的运算20

2.5 旋转矩阵的导数22

2.6 连杆参数和关节变量23

2.6.1 连杆描述23

2.6.2 连杆连接的描述24

2.7 连杆坐标系26

2.7.1 中间连杆i的坐标系∑i26

2.7.2 首端连杆和末端连杆27

2.7.3 用连杆坐标系规定连杆参数27

2.7.4 连杆坐标系建立的步骤27

2.8 连杆变换和运动学方程28

2.8.1 相邻两连杆坐标系之间的变换矩阵28

2.8.2 运动学方程的建立28

2.9 多足步行机器人的运动学29

2.9.1 引言29

2.9.2 多足步行机器人机构特征29

2.9.3 站立腿的运动学计算30

2.9.4 摆动腿的运动学计算35

2.9.5 多足步行机器人的运动学计算36

2.9.6 多足步行机器人的速度和加速度计算48

第3章 机器人动力学58

3.1 动力学分析基础58

3.1.1 机器人的坐标系58

3.1.2 工具的定位59

3.1.3 惯性张量和惯性矩阵60

3.1.4 连杆运动的传递62

3.1.5 牛顿-欧拉动力学方程66

3.1.6 拉格朗日方程70

3.2 机器人的静力分析71

3.2.1 等效关节力和力雅可比71

3.2.2 连杆的静力学分析73

3.3 机器人动力学方程75

3.3.1 牛顿-欧拉递推动力学方程75

3.3.2 关节空间与操作空间动力学79

3.3.3 拉格朗日方程的应用83

3.3.4 多足步行机器人的动力学模型86

第4章 机器人控制92

4.1 机器人运动控制92

4.1.1 机器人的伺服电动机92

4.1.2 机器人的运动控制器99

4.2 机器人移动轨迹控制103

4.2.1 路径与轨迹103

4.2.2 关节坐标系与直角坐标系103

4.2.3 轨迹规划105

4.2.4 轨迹控制109

4.3 机器人的力控制112

4.3.1 机器人的力与力控制种类113

4.3.2 阻尼力控制116

4.3.3 相互力控制118

4.4 机器人行为控制122

4.4.1 机器人行为种类122

4.4.2 机器人行为控制方式123

4.5 机器人智能控制128

4.5.1 智能控制的特点128

4.5.2 智能控制的主要方式132

第2部分 典型机器人137

第5章 工业机器人137

5.1 工业机器人的发展历史137

5.1.1 工业机器人发展概况137

5.1.2 中国工业机器人研制情况139

5.2 工业机器人的基本组成140

5.2.1 执行机构141

5.2.2 驱动系统141

5.2.3 控制系统142

5.2.4 传感系统143

5.3 工业机器人的典型机构144

5.3.1 SCARA机构144

5.3.2 平行杆型机构145

5.3.3 多关节机构147

5.4 工业机器人的种类及应用148

5.4.1 焊接机器人149

5.4.2 搬运机器人157

5.4.3 喷漆机器人159

5.4.4 装配机器人162

第6章 移动机器人166

6.1 移动机器人的发展166

6.2 移动机器人的基本组成167

6.2.1 驱动系统167

6.2.2 控制系统168

6.2.3 传感系统168

6.3 轮式移动机器人169

6.3.1 车轮形式169

6.3.2 车轮的配置和转向机构171

6.3.3 三轮移动机器人运动分析174

6.3.4 轮式排爆机器人176

6.4 履带式移动机器人177

6.4.1 车体结构177

6.4.2 越障原理180

6.4.3 履带排爆机器人181

6.5 步行移动机器人183

6.5.1 步行机器人的特点及发展过程183

6.5.2 步行机器人的腿结构185

6.5.3 两足步行机器人的动力学模型187

第7章 拟人机器人189

7.1 拟人机器人的发展189

7.1.1 拟人机器人的发展历史189

7.1.2 中国拟人机器人的发展概况198

7.2 拟人机器人的基本结构199

7.2.1 拟人机器人的头部199

7.2.2 拟人机器人的四肢200

7.2.3 拟人机器人的躯体206

7.3 拟人机器人的主要功能207

7.3.1 拟人机器人的拟人行为207

7.3.2 拟人机器人的人机交互209

7.4 拟人机器人的行为控制211

7.4.1 步行模式生成器211

7.4.2 拟人机器人的双足步行214

7.4.3 全身运动模式的生成217

7.5 拟人机器人的应用219

第8章 仿生机器人221

8.1 仿生机器人的特点221

8.2 仿生机器人的研究概述222

8.2.1 研究现状222

8.2.2 仿生机器人的关键技术问题224

8.2.3 仿生机器人的发展趋势225

8.3 仿生机器鱼225

8.3.1 鱼类推进理论227

8.3.2 仿生机器鱼的设计230

8.3.3 仿生机器鱼的运动控制233

8.3.4 仿生机器鱼控制系统的硬件设计234

8.4 四足仿生机器人235

8.4.1 四足仿生机器人的总体设计方案236

8.4.2 四足仿生机器人的结构设计238

8.4.3 四足仿生机器人的控制系统设计239

第9章 医用机器人242

9.1 医用机器人的特点242

9.2 医用机器人的分类243

9.2.1 医用外科机器人244

9.2.2 康复机器人249

9.2.3 医学教育机器人250

9.3 医用机器人的控制250

9.4 医用机器人的应用251

9.4.1 医用外科机器人的应用251

9.4.2 康复机器人的应用258

9.4.3 医用机器人的应用实例268

9.4.4 医用机器人的研究趋势269

第10章 空间机器人270

10.1 空间机器人的定义和发展历程270

10.1.1 空间机器人的定义270

10.1.2 空间机器人的发展历程271

10.2 空间机器人的特点和分类274

10.2.1 空间机器人的特点274

10.2.2 空间机器人的分类275

10.3 空间机器人通信技术276

10.3.1 空间机器人的深空通信276

10.3.2 空间机器人的深空通信的接收技术——天线组阵278

10.4 空间机器人的应用280

10.4.1 探测空间机器人280

10.4.2 空间机器人航天器285

第11章 多机器人系统289

11.1 多机器人系统的概述289

11.2 多机器人系统的体系结构292

11.2.1 分层式结构293

11.2.2 基于行为的混合分层式结构296

11.2.3 任务级协作式结构297

11.2.4 并行处理混合式结构299

11.3 多机器人系统的协调控制300

11.3.1 协调控制策略300

11.3.2 协调控制平台302

11.3.3 协调控制中的学习303

11.4 网络机器人304

11.4.1 网络机器人的组成与特点304

11.4.2 网络机器人的控制307

11.4.3 网络机器人的应用308

11.5 多机器人系统的应用308

11.5.1 机器人足球308

11.5.2 多移动机器人协作围捕310

11.5.3 多机器人协作装配311

第12章 未来机器人314

12.1 机器人的发展趋势314

12.2 未来机器人的发展与应用前景319

12.3 未来机器人与人类社会324

参考文献327