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商品簡介
序
目次
商品簡介
本書是對機器人系統原理和動力學的全面綜述，為研究機器人系統的動力學與控制提供了系統而全面的理論背景。作者作為該領域的著名專家，強調了動力學和控制的基本原理，這些原理可用于各種當代應用中。本書詳細介紹了機器人學的規則，並提供了與現實機器人系統相關的方法論。所介紹的機器人系統包括經典的工業機械臂、仿人機器人、機器人手術助手、太空飛行器和數控銑床等。本書把重點放在基礎原理的系統應用上，並展示了MATLAB、Mathematica和Maple等計算和分析工具如何使學生能夠專注于機器人的原理和理論。
序
本書為研究機器人系統的動力學和控制提供了現代、系統、全面的理論背景。書中強調了動力學和控制的基本原理，這些原理可用於各種當代應用中。因此，本書的目標是不僅詳細介紹機器人學的原理，而且還提供適用於現實機器人系統的方法論。這些機器人系統包括：經典的工業機械臂、仿人機器人、自主地面車輛、自主航空器、自主航海器、機器人手術助手、太空飛行器和數控銑床。現代機器人系統本質上是複雜的，其動力學表達和控制分析也很複雜。
創作本書的主要動力之一，是展示現代計算和分析工具如何擴展和提高我們解決機器人問題的能力。即使在幾年前，現代機器人系統的複雜性也使得除了最簡單的例子之外，所有的人工方法都難以實現。常見機器人系統的動力學模型建立曾經過於煩瑣，不適合在課堂教學。在過去的幾十年裡，符號、數值和通用計算引擎的出現與本書所要解決的問題尤為相關。隨著MATLAB、Mathematica、Maple等更高層次的計算環境和類似程序的出現，本科生和研究生可以解決的問題範圍急劇擴大。這些工具使學生能夠把注意力集中在原理和理論上，並把他們從乏味的代數訓練中解放出來，因為這些訓練事實上分散了對技術基礎的注意力。我們認為，最關鍵是使學生更集中精力於系統地應用基本原理。
本書是作者根據多年來教授動力學、控制和機器人學課程的積累撰寫的。這些課程已經在美國的幾所頂級大學教授過，同時，授課內容和方法也在不斷發展。本書可作為高年級本科生或研究生一年級的動力學、控制和機器人學課程的兩個學期教材。為本科生高年級開設的課程可以側重於應用於機器人系統的運動學和動力學基礎。第一學期可主要從第2章、第3章和第4章中的主題來展開，並少許涉及第5章中的內容。第二學期可以重點學習第5章的分析力學和第6章機器人系統的控制理論。特定的高級主題，如第3章和第4章中的N階遞歸公式或第7章中基於視覺的控制方法，也可以在第二學期中涉及。
作者試圖努力證明，通過使用現代計算和分析工具，機器人系統的各種設計和分析問題都變得更加容易解決。為此，書中包含了大量的例子和問題。許多例子或問題的求解都是利用MATLAB、Simulink或Mathematica，或它們的結合進行的。重要的是，使用本書的學生要認識到，作者並不是在提倡使用某種特定的計算工具，而是在倡導一種共同的理念。對於本書中的幾乎每一個問題，計算工具都是可以互換的：學生可以使用自己最熟悉的任何軟件包，但理論基礎是不可替代的，它是解決任何具體問題的共同語言。
本書的配套資源MATLAB Workbook for DCRS，可以訪問華章圖書官網，通過注冊並登錄個人帳號下載。
致謝
感謝William S.Rone對本書內容的審閱和對書中圖表的奉獻，感謝Jessica G.Gregory對本書的審閱。
創作本書的主要動力之一，是展示現代計算和分析工具如何擴展和提高我們解決機器人問題的能力。即使在幾年前，現代機器人系統的複雜性也使得除了最簡單的例子之外，所有的人工方法都難以實現。常見機器人系統的動力學模型建立曾經過於煩瑣，不適合在課堂教學。在過去的幾十年裡，符號、數值和通用計算引擎的出現與本書所要解決的問題尤為相關。隨著MATLAB、Mathematica、Maple等更高層次的計算環境和類似程序的出現，本科生和研究生可以解決的問題範圍急劇擴大。這些工具使學生能夠把注意力集中在原理和理論上，並把他們從乏味的代數訓練中解放出來，因為這些訓練事實上分散了對技術基礎的注意力。我們認為，最關鍵是使學生更集中精力於系統地應用基本原理。
本書是作者根據多年來教授動力學、控制和機器人學課程的積累撰寫的。這些課程已經在美國的幾所頂級大學教授過，同時，授課內容和方法也在不斷發展。本書可作為高年級本科生或研究生一年級的動力學、控制和機器人學課程的兩個學期教材。為本科生高年級開設的課程可以側重於應用於機器人系統的運動學和動力學基礎。第一學期可主要從第2章、第3章和第4章中的主題來展開，並少許涉及第5章中的內容。第二學期可以重點學習第5章的分析力學和第6章機器人系統的控制理論。特定的高級主題，如第3章和第4章中的N階遞歸公式或第7章中基於視覺的控制方法，也可以在第二學期中涉及。
作者試圖努力證明，通過使用現代計算和分析工具，機器人系統的各種設計和分析問題都變得更加容易解決。為此，書中包含了大量的例子和問題。許多例子或問題的求解都是利用MATLAB、Simulink或Mathematica，或它們的結合進行的。重要的是，使用本書的學生要認識到，作者並不是在提倡使用某種特定的計算工具，而是在倡導一種共同的理念。對於本書中的幾乎每一個問題，計算工具都是可以互換的：學生可以使用自己最熟悉的任何軟件包，但理論基礎是不可替代的，它是解決任何具體問題的共同語言。
本書的配套資源MATLAB Workbook for DCRS，可以訪問華章圖書官網，通過注冊並登錄個人帳號下載。
致謝
感謝William S.Rone對本書內容的審閱和對書中圖表的奉獻，感謝Jessica G.Gregory對本書的審閱。
目次
譯者序
前言
第1章 緒論1
1.1 寫作目的1
1.2 機器人系統的起源3
1.3 機器人系統的總體結構4
1.4 機械手5
1.4.1 機械手的典型結構6
1.4.2 機械手的分類7
1.4.3 機械手示例9
1.4.4 球形手腕12
1.4.5 關節型機器人13
1.5 移動機器人13
1.5.1 仿人機器人13
1.5.2 自主地面車輛14
1.5.3 無人機15
1.5.4 自主海上航行器15
1.6 機器人動力學與控制問題概述16
1.6.1 正向運動學17
1.6.2 逆向運動學18
1.6.3 正向動力學18
1.6.4 逆向動力學和反饋控制19
1.6.5 機器人車輛的動力學與控制20
1.7 本書主要內容20
1.8 習題21
第2章 運動學基礎23
2.1 基和坐標系23
2.1.1 N-元組和M×N陣列24
2.1.2 向量、基和坐標系25
2.2 旋轉矩陣31
2.3 旋轉矩陣的參數化33
2.3.1 單軸旋轉34
2.3.2 旋轉矩陣的級聯36
2.3.3 歐拉角37
2.3.4 軸角度參數化42
2.4 位置、速度和加速度44
2.5 角速度和角加速度49
2.5.1 角速度49
2.5.2 角加速度53
2.6 運動學理論53
2.6.1 角速度的加法53
2.6.2 相對速度55
2.6.3 相對加速度56
2.6.4 常見坐標系58
2.7 習題60
2.7.1 關於N-元組和M×N數組的習題60
2.7.2 關於向量、基和坐標系的習題61
2.7.3 關於旋轉矩陣的習題62
2.7.4 關於位置、速度和加速度的習題65
2.7.5 關於角速度的習題65
2.7.6 關於運動學理論的習題66
2.7.7 關於相對速度和加速度的習題66
2.7.8 關於常見坐標系的習題68
第3章 機器人系統運動學69
3.1 齊次變換與剛體運動69
3.2 理想關節73
3.2.1 移動關節74
3.2.2 轉動關節74
3.2.3 其他理想關節75
3.3 Denavit-Hartenberg約定77
3.3.1 DH約定中的運動鏈與編號77
3.3.2 DH約定中坐標系的定義78
3.3.3 DH約定中的齊次變換78
3.3.4 DH步驟80
3.3.5 DH約定中的角速度與速度84
3.4 正向運動學的遞歸O(N)公式87
3.4.1 速度和角速度的遞歸計算89
3.4.2 效率和計算成本91
3.4.3 加速度和角加速度的遞歸計算94
3.5 逆向運動學104
3.5.1 可解性104
3.5.2 解析法106
3.5.3 優化方法115
3.5.4 逆速度運動學119
3.6 習題120
3.6.1 關於齊次變換的習題120
3.6.2 關於理想關節及約束的習題121
3.6.3 關於DH約定的習題122
3.6.4 關於運動鏈角速度和速度的習題122
3.6.5 關於逆向運動學的習題125
第4章 牛頓歐拉方程126
4.1 剛體的線性動量126
4.2 剛體的角動量129
4.2.1 基本原理129
4.2.2 角動量和慣性133
4.2.3 慣性矩陣的計算136
4.3 牛頓歐拉方程146
4.4 剛體的歐拉方程149
4.5 機械系統的運動方程150
4.5.1 總體方法150
4.5.2 受力圖151
4.6 控制方程的結構：牛頓歐拉方程164
4.6.1 微分代數方程164
4.6.2 常微分方程166
4.7 遞歸牛頓歐拉方程167
4.8 運動方程的遞歸推導173
4.9 習題175
4.9.1 關於線性動量的習題175
4.9.2 關於質心的習題177
4.9.3 關於慣性矩陣的習題179
4.9.4 關於角動量的習題180
4.9.5 關於牛頓歐拉方程的習題181
第5章 分析力學182
5.1 哈密頓原理182
5.1.1 廣義坐標182
5.1.2 泛函與變分法183
5.1.3 保守系統的哈密頓原理186
5.1.4 剛體的動能191
5.2 保守系統的拉格朗日方程194
5.3 哈密頓擴展原理196
5.4 用於機器人系統的拉格朗日方程207
5.4.1 自然系統207
5.4.2 拉格朗日方程和D-H約定210
5.5 約束系統212
5.6 習題215
5.6.1 關於哈密頓原理的習題215
5.6.2 關於拉格朗日方程的習題217
5.6.3 關於哈密頓擴展原理的習題217
5.6.4 關於約束系統的習題221
第6章 機器人系統的控制222
6.1 控制問題的結構222
6.1.1 定點和跟蹤反饋控制問題223
6.1.2 開環和閉環控制223
6.1.3 線性與非線性控制223
6.2 穩定性理論的基礎224
6.3 先進穩定性理論技術229
6.4 李雅普諾夫直接方法230
6.5 不變性原則232
6.6 動態逆或計算力矩方法236
6.7 近似動態逆和模糊性243
6.8 基於無源性的控制器253
6.9 執行器模型256
6.9.1 電動
前言
第1章 緒論1
1.1 寫作目的1
1.2 機器人系統的起源3
1.3 機器人系統的總體結構4
1.4 機械手5
1.4.1 機械手的典型結構6
1.4.2 機械手的分類7
1.4.3 機械手示例9
1.4.4 球形手腕12
1.4.5 關節型機器人13
1.5 移動機器人13
1.5.1 仿人機器人13
1.5.2 自主地面車輛14
1.5.3 無人機15
1.5.4 自主海上航行器15
1.6 機器人動力學與控制問題概述16
1.6.1 正向運動學17
1.6.2 逆向運動學18
1.6.3 正向動力學18
1.6.4 逆向動力學和反饋控制19
1.6.5 機器人車輛的動力學與控制20
1.7 本書主要內容20
1.8 習題21
第2章 運動學基礎23
2.1 基和坐標系23
2.1.1 N-元組和M×N陣列24
2.1.2 向量、基和坐標系25
2.2 旋轉矩陣31
2.3 旋轉矩陣的參數化33
2.3.1 單軸旋轉34
2.3.2 旋轉矩陣的級聯36
2.3.3 歐拉角37
2.3.4 軸角度參數化42
2.4 位置、速度和加速度44
2.5 角速度和角加速度49
2.5.1 角速度49
2.5.2 角加速度53
2.6 運動學理論53
2.6.1 角速度的加法53
2.6.2 相對速度55
2.6.3 相對加速度56
2.6.4 常見坐標系58
2.7 習題60
2.7.1 關於N-元組和M×N數組的習題60
2.7.2 關於向量、基和坐標系的習題61
2.7.3 關於旋轉矩陣的習題62
2.7.4 關於位置、速度和加速度的習題65
2.7.5 關於角速度的習題65
2.7.6 關於運動學理論的習題66
2.7.7 關於相對速度和加速度的習題66
2.7.8 關於常見坐標系的習題68
第3章 機器人系統運動學69
3.1 齊次變換與剛體運動69
3.2 理想關節73
3.2.1 移動關節74
3.2.2 轉動關節74
3.2.3 其他理想關節75
3.3 Denavit-Hartenberg約定77
3.3.1 DH約定中的運動鏈與編號77
3.3.2 DH約定中坐標系的定義78
3.3.3 DH約定中的齊次變換78
3.3.4 DH步驟80
3.3.5 DH約定中的角速度與速度84
3.4 正向運動學的遞歸O(N)公式87
3.4.1 速度和角速度的遞歸計算89
3.4.2 效率和計算成本91
3.4.3 加速度和角加速度的遞歸計算94
3.5 逆向運動學104
3.5.1 可解性104
3.5.2 解析法106
3.5.3 優化方法115
3.5.4 逆速度運動學119
3.6 習題120
3.6.1 關於齊次變換的習題120
3.6.2 關於理想關節及約束的習題121
3.6.3 關於DH約定的習題122
3.6.4 關於運動鏈角速度和速度的習題122
3.6.5 關於逆向運動學的習題125
第4章 牛頓歐拉方程126
4.1 剛體的線性動量126
4.2 剛體的角動量129
4.2.1 基本原理129
4.2.2 角動量和慣性133
4.2.3 慣性矩陣的計算136
4.3 牛頓歐拉方程146
4.4 剛體的歐拉方程149
4.5 機械系統的運動方程150
4.5.1 總體方法150
4.5.2 受力圖151
4.6 控制方程的結構：牛頓歐拉方程164
4.6.1 微分代數方程164
4.6.2 常微分方程166
4.7 遞歸牛頓歐拉方程167
4.8 運動方程的遞歸推導173
4.9 習題175
4.9.1 關於線性動量的習題175
4.9.2 關於質心的習題177
4.9.3 關於慣性矩陣的習題179
4.9.4 關於角動量的習題180
4.9.5 關於牛頓歐拉方程的習題181
第5章 分析力學182
5.1 哈密頓原理182
5.1.1 廣義坐標182
5.1.2 泛函與變分法183
5.1.3 保守系統的哈密頓原理186
5.1.4 剛體的動能191
5.2 保守系統的拉格朗日方程194
5.3 哈密頓擴展原理196
5.4 用於機器人系統的拉格朗日方程207
5.4.1 自然系統207
5.4.2 拉格朗日方程和D-H約定210
5.5 約束系統212
5.6 習題215
5.6.1 關於哈密頓原理的習題215
5.6.2 關於拉格朗日方程的習題217
5.6.3 關於哈密頓擴展原理的習題217
5.6.4 關於約束系統的習題221
第6章 機器人系統的控制222
6.1 控制問題的結構222
6.1.1 定點和跟蹤反饋控制問題223
6.1.2 開環和閉環控制223
6.1.3 線性與非線性控制223
6.2 穩定性理論的基礎224
6.3 先進穩定性理論技術229
6.4 李雅普諾夫直接方法230
6.5 不變性原則232
6.6 動態逆或計算力矩方法236
6.7 近似動態逆和模糊性243
6.8 基於無源性的控制器253
6.9 執行器模型256
6.9.1 電動
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