智慧型機器人系統建模與模擬（簡體書）

本書介紹了機器人系統建模與仿真的基礎理論、基本方法和常用軟件，並通過大量的研究實例，系統地介紹了機器人系統建模和仿真領域當前的一些研究成果。全書共分為4篇17章。研究導論篇重點介紹了機器人系統仿真建模中存在的問題和方法；建模理論基礎篇重點介紹了與機器人建模密切相關的代表性基礎理論如系統理論、複雜性理論、反饋控制論、相似性理論、多智能體理論；仿真方法篇重點介紹了基本建模方法如基本運動學、動力學方法，特殊建模方法如數學方法、物理方法、仿生方法；仿真軟件與應用篇重點介紹了軟件仿真方法如常用軟件MATLAB/SIMULINK、COSMOS、ODE、OPENGL、ADAMS等。本書以基礎理論、研究方法和方法應用為主線，穿插了多種移動機器人和操作機器人中的仿真研究和建模示例

高宏偉，男(漢族)，遼寧瀋陽人，1978年5月出生，副教授／博士，碩士生導師，就職於瀋陽理工大學信息科學與工程學院。2007年畢業於中國科學院瀋陽自動化研究所模式識別與智能係統專業，獲得工學博士學位。現任瀋陽理工大學光電檢測技術與系統方向學術帶頭人，遼寧省省級教學團隊核心成員。主持和參與完成國家、省、市級課題及企業橫向課題10餘項。在國內外核心期刊和重要國際會議上以作者發表論文20餘篇，其中，EI收錄10餘篇。目前主要從事計算機視覺檢測技術、圖像處理技術和智能控制理論與算法等領域的研究工作。

劉金國，1978年9月生，中國科學院瀋陽自動化研究所研究員、博士生導師，機器人學國家重點實驗室主任助理。近年來先後負責和參加國家自然科學基金、國家863計劃、載人航天工程預研項目、中國科學院重要方向性項目等30多項課題。在國內外期刊和會議發表論文60多篇，申請專利20多項，獲國家科學技術進步獎二等獎、中國科學院院長獎優秀獎、中國科學院瀋陽分院優秀青年科技人才獎、遼寧省自然科學學術成果獎一等獎、中國機械工程學會論文獎、無人智能係統國際會議(ISIUS2008)論文提名獎、IEEE機器人仿生學國際會議(IEEEROBIO2005)論文獎等獎勵20多項。主要研究方向包括：智能機器人系統、空間機器人與自動化裝備、機器人機構學及智能控制方法等。

駱海濤，1983年3月生，中國科學院瀋陽自動化研究所副研究員。2014年畢業於中國科學院瀋陽自動化研究所模式識別與智能係統專業，獲得工學博士學位。2012年3月提前留所工作，主要從事空間機器人動力學、空間環境下結構的力學性能研究以及基於多元約束的結構優化設計。發表論文10餘篇。其中，SCI收錄1篇，EI收錄5篇，申請專利8項，目前已受理4項。

機器人是20世紀人類偉大的發明，自60年代初問世以來，經歷50餘年的發展已取得了長足的進步。機器人學的興起給機器人系統的建模和仿真都帶來了新的活力，並已逐漸成為機器人學科領域中一個重要組成部分。特別是當前，為了加快我國科技進步，大力發展自主創新，機器人系統的建模和仿真正面臨著一個空前的機遇。目前工業機器人漸趨成熟，而具有特定任務的智能機器人也開始進入實用化的研究階段。這些機器人在工業生產、航天、軍事、交通、安全、醫療、老人和殘疾人服務等多個領域具有十分重要的應用價值。機器人技術建立在多學科發展的基礎之上，具有應用領域廣、技術新、學科綜合與交叉性強等特點。涉及計算機技術、仿生學、生物工程、人工智能、材料、機械學、電子學和自動控制等學科。各式各樣的機器人不僅已經成為現代高科技的應用載體，而且自身也迅速發展成為一個相對獨立的研究與交叉技術領域，形成了特有的理論研究和學術發展方向，是當今國內外學術研究中一個十分活躍和具有挑戰性的領域。從目前國內外對機器人系統的建模和仿真工作來看，可以用“方興未艾”來形容，其研究不再局限於科研院所，已向各行各業拓展，從業人員的數量和層次都有了大幅度提升。
國外很早便認識到機器人仿真在機器人研究和應用中的重要作用，並從20世紀70年代初就進行了大量的研究工作。如今各種仿真軟件已經在很多研究部門普及。正是由於這些軟件的存在才為機器人的研究提供了便利的條件。比較著名的包括：美國一所大學研製的仿真軟件，可以根據需要建立機器人與外界的構型，並且可以實時地將運動狀態加以顯示；德國薩爾大學也積極研發機器人仿真係統，研製出了一種可以集分析、編程以及綜合於一體的軟件；美國馬里蘭大學研製出了一種可以同時進行設計與分析的機械手輔助工具，可以建立機械手的動力學模型，其仿真程序可以根據設計者的使用需求自動產生，它的雅可比矩陣可以通過一些符號來表示；美國麻省理工學院對機器人的計算機輔助設計軟件包也進行了開發，使其可以用於研究規劃時間軌跡；美國密歇根州立大學針對機器人專門研製了一套圖形編輯系統，最突出的特點是使用光標控制，並且驅動採用菜單模式，利用多種符號完成對外界的傳感器和其他部件的仿真，可以讓設計者獲得最真實的環境。
從20世紀80年代後期起，國內許多單位開始從事機器人方面的仿真工作。在國家高技術研究發展計劃（863計劃）自動化領域的智能機器人課題研究中，清華大學、浙江大學、中國科學院瀋陽自動化研究所以及上海交通大學等單位承擔了機器人系統建模和仿真的研製任務，並取得了多項研究成果。哈爾濱工業大學、北
京航空航天大學、國防科學技術大學等單位承擔了機器人機構仿真的任務，也先後
研製成功一些大型的機器人仿真軟件。另外，還有不少科研單位和企業機構針對
某一具體方面進行了更為深入的機器人仿真技術的研究。
總的來說，機器人仿真主要應用在兩個方面：一方面是針對機器人本身進行研
究。機器人系統包含兩個子系統，分別是機器人的控制系統和機械結構，研究方向有機器人動力學分析、機器人運動學分析、機器人運動軌跡規劃以及機器人控制等。在以上研究方向的研究過程中，機器人仿真起著重要作用，高等院校和科研部門都大量運用了仿真係統。另一方面的主要應用是以機器人為主體的自動化生產線，包括機器人工作站的設計、機器人的選型、離線編程和碰撞檢測等。通過系統仿真，機器人可為此提供既經濟又安全的設計和實驗手段，能夠在製造單機與生產線之前模擬出實物，縮短生產工期，避免不必要的返工。一些生產機器人的部門普遍採用仿真係統。機器人的適用性比較強，對機器人的控制器進行編程後，可以讓機器人執行各種任務。如果機器人需要更改操作對象，則首先要停止其正在進行的工作，對機器人中的控制器再次進行編程操作。如果將仿真的思想運用於機器人，那麼就可以實現離線編程，最後將程序直接輸入機器人。這樣機器人即可直接進行新任務，不必停止當前的任務操作，機器人整體的生產率得到大幅度提升。利用機器人仿真係統進行離線編程在國外已十分普遍，是機器人仿真係統應用最普遍和最典型的例子。
本書將主要研究對象定位於智能機器人的建模和仿真，反映了新的理論研究成果，並介紹了當前的一些典型應用實例。內容盡量做到深入淺出、生動新穎。對智能機器人在相關領域的建模理論和方法的描述，使其在之後的機器人仿真環節思路更為清晰，方案更加可行。具體的案例講解不僅囊括了不同仿真平台和仿真軟件，而且還包括兩個或多個不同仿真軟件的聯合仿真應用實例，應用對象涵蓋面較廣，既照顧到了人們早已熟悉的工業機器人，也有面向國家重大需求的空間機器人，還涉及助殘、醫療和家庭服務等智能機器人。
本書是在作者博士論文研究工作和相關科研工作的基礎上編寫而成的。在2009～2012年，本書內容已在課堂上先後講授過四次，根據多方面的反饋意見進行了多次修正和改進。在此，向對本書提出寶貴意見的老師和學生表示誠摯的感謝。

第1章導論
1．1智能機器人系統的研究現狀簡介
1．1．1機器人語言
1．1．2末端操作器
1．1．3運動學和動力學
1．1．4機器人控制
1．1． 5多傳感系統技術
1．2智能機器人系統的研究方法
1．2．1隱喻方法
1．2．2模型方法
1．2．3數值方法
1．2．4計算方法
1．2．5虛擬方法
1．2．6綜合集成方法
1．3智能機器人系統建模中的問題與方法
1．3．1機器人系統建模概述
1．3．2機器人系統建模方法
習題
參考文獻

第2章建模基礎理論
2 ．1系統理論
2．1．1系統理論起源
2．1．2系統分類
2．1．3系統建模與系統分析
2．1．4系統結構模型
2．1．5層次分析法
2．1． 6系統評價
2．1．7系統決策
習題
2．2複雜性理論
2．2．1複雜性概述
2．2．2對複雜問題建模與仿真的重要思考
2．2．3複雜適應系統理論
2 ．2．4複雜系統微觀仿真
2．2．5複雜系統的處理方法
2．2．6綜合集成的複雜系統理論
2．2．7複雜系統仿真
習題
2．3反饋控制論
2．3．1控制論概述
2．3．2反饋控制
2．3．3無約束線性二次反饋最優控制問題
2．3．4機器人組合非線性反饋控制器設計
習題
2．4相似性理論
2．4．1相似性理論概述
2．4．2相似理論三大定理
2．4．3基於相似性理論的系統仿真基本概念框架
2．4．4基於相似性理論的系統仿真方法
2．4．5系統相似的度量
2．4．6仿真係統建模的相似性與復雜性
習題
2．5多智能體理論
2．5．1多智能體概述
2．5．2多機器人系統的自主性
習題
參考文獻

第3章智能機器人系統建模方法
3．1機器人的基本模型
3．1．1運動學模型
3．1．2動力學模型
3．2智能機器人系統的數學建模方法
3．2．1數學元模型
3．2．2幾何模型
3．2． 3圖論模型
3．2．4基於圖論的構形網絡建模
3．2．5函數模型
習題
3．3智能機器人系統的物理建模方法
3．3．1物理場模型
3．3．2物理現像模型
3．3．3物理比例模型
習題
3．4智能機器人系統的仿生建模方法
3．4．1仿生機器人的研究現狀與進展
3．4．2仿生機械力學模型
3．4．3仿生神經感知模型
3．4．4仿生進化和優化模型
3．4．5仿生群智能模型
3．4．6仿生信息模型
習題
參考文獻

第4章仿真軟件與應用
4．1基於MATLAB／Simulink的仿真
4．1．1機器人系統仿真中的MATLAB
4．1．2基於simulink的機器人系統仿真
4．1．3基於SimMechanics的機器人系統仿真
4．1．4基於MATLAB／Simulink的機器人動力學仿真
4．1．5基於MATLAB／SimMechanics的機器人系統仿真實例
4．2基於Solidworks／COSMOS的仿真
4．2．1 CAC／CAM技術在機器人研究中的應用
4．2．2 SolidW0rks簡介及其應用
4．2．3 Solidworks二次開發的系統分析
4．2．4 C0SMOS／Works軟件介紹
4．2．5基於C0SM0S／works的起重機有限元分析建模方案
4．2．6起重機的有限元模型建立
4．2．7在COSMOS／works中的分析前處理應用介紹
4．3基於ODE的仿真
4．3．1 ODE的基本概念
4．3．2 ODE的構成
4．3．3 ODE與其他軟件的結合應用
4．3．4 0DE物理引擎在Space操作系統中的應用
4．3．5蛇形機器人蜿蜒運動的0DE控制仿真
4．4基於OPenGL的仿真
4．4．1 OPenGL簡介
4．4．2 OPenGL三維仿真實現的一般方法
4．4． 3 OPenGL仿真的關鍵技術
4．4．4 OPenGL變換
4．4．5 OPenGL中三維幾何造型的特點
4．4．6 Windows下OPenGL的工作方式
4．4．7 OPenGL工作結構和動畫原理
4．4 ．8 Visual C++調用OPenGL實現位圖方法
4．4．9基於OPenGL和S0lidWorks的輪式移動機器人仿真
4．4．10基於OPenGL和SolidWorks的空間站及艙外機械臂仿真
4．5其他仿真軟件與技術
4．5．1 ADAMS軟件概述
4．5．2 ADAMS軟件基本 塊
4．5．3 RecurDyn軟件簡介
4．5．4 IsightFD軟件簡介
4．5．5機器人工具箱Robotics ToolBOx簡介
參考文獻

第5章聯合仿真案例介紹
5．1基於Pro，／E、ADAMS和ANSYS的3一RPS型並聯機器人聯合仿真
5．1．1引言
5．1．2 Pro／E、ADAMS和ANSYS三種軟件簡介
5．1．3並聯機器人簡介
5．1．4接口Mech／Pro 2005插件
5． 1．5 3-RPS型並聯機器人聯合仿真案例
5．1．6結論
5．2基於ADAMS與MATLAB／Simulink的二連桿機器人聯合仿真
5．2．1引言
5．2．2 ADAMS和MATLAB／Simulink軟件
5．2．3兩種軟件的聯合仿真控制流程
5．2．4二連桿機器人動力學模型的建立
5．2．5二連桿機器人聯合仿真案例
5．2．6結論
5．3基於Isight-FD與MATLAB／SimMechanics的機構參數優化
5．3．1引言
5．3．2兩種軟件聯合仿真流程
5．3．3平面四桿機構參數優化聯合仿真案例
5．3．4結論
參考文獻