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第一章 绪论1

1.1机器人的发展1

1.2机器人的基本结构4

1.2.1机器人的机械结构4

1.2.2关节驱动6

1.2.3计算机控制7

1.2.4感觉系统与通讯接口7

1.3工业机器人的指标8

1.3.1自由度8

1.3.2工作空间8

1.3.3工作速度10

1.3.4精度、重复精度与分辨率10

1.4机器人的分类11

1.4.1操作型机器人的基本结构分类12

1.4.2直接驱动与间接驱动13

1.4.3机器人按动力源分类14

1.4.4机器人按工作方式分类15

1.4.5机器人按示教方式分类15

1.5机器人与现代科学技术16

1.5.1机械方面16

1.5.2控制方面17

1.6机器人与现代生产19

1.6.1市场的需要19

1.6.2生产领域扩大的需要20

1.6.3提高生产率的需要20

1.6.4改善工作劳动条件的需要20

1.6.5机器人在生产中的应用21

1.6.6机器人与计算机综合制造系统CIMS21

1.7教材内容简介23

1.8本书所用符号简介24

第二章 空间描述与变换26

2.1引言26

2.2坐标变换的概念26

2.3物体位置，方位与标架的描述32

2.3.1位置32

2.3.2方位33

2.3.3位姿及标架的描述34

2.4物体描述在不同标架间的变换——映象变换37

2.4.1映象的概念37

2.4.2映象的性质40

2.5在同一坐标中改变物体的位姿——变换算子41

2.5.1变换算子的概念41

2.5.2相对变换与绝对变换44

2.5.3变换算子的性质47

2.6齐次变换矩阵的三种作用49

2.7变换的演算50

2.7.1逆变换50

2.7.2变换方程式54

2.8位置的其他表示法59

2.9.1圆柱坐标59

2.8.2球坐标62

2.9方位的其他表示法63

2.9.1绕固定参考坐标轴旋转——绝对变换RPY63

2.9.2绕本身标架轴旋转——相对变换欧拉角65

2.9.3绕任意轴旋转67

2.10研究动向74

第三章 运动学75

3.1引言75

3.2杆件、关节、标架及杆件变换的描述77

3.2.1机器人臂上的杆件、关节、标架及其序号77

3.2.2杆件的参数79

3.2.3杆件联接与关节参数79

3.2.4Denavit-Hartenberg描述80

3.3建立运动学方程87

3.3.1Puma手计算实例88

3.3.2Stanford手计算实例90

3.3.3简化计算的考虑91

3.4运动学方程的可解性与重解93

3.4.1工作空间与解的存在性93

3.4.2少于6自由度的操作子空间95

3.4.3重解96

3.4.4可解性98

3.5解运动学方程的代数方法与几何方法99

3.5.1代数方法解运动学方程99

3.5.2几何方法解运动学方程105

3.5.3退化105

3.5.4三轴相交时的Pieper解法106

3.6研究动向113

第四章 微分运动与雅可比矩阵114

4.1引言114

4.2瞬时运动的运动学模型114

4.2.1微分运动114

4.2.2微分转动的向量表示116

4.2.3微分运动在标架间的转换119

4.2.4速度的描述125

4.3雅可比矩阵128

4.3.1速度分析法求雅可比矩阵129

4.3.2微分分析法求雅可比矩阵136

4.4逆雅可比——瞬时运动学的逆问题142

4.4.1雅可比求逆——分解运动速率142

4.4.2冗余度145

4.4.3最优解146

4.4.4雅可比求逆的方法148

4.5研究动向153

第五章 机器人静力学和动力学155

5.1引言155

5.2力学基础知识155

5.2.1速度、加速度合成定理155

5.2.2质心运动定理和欧拉方程161

5.2.3虚位移原理164

5.2.4拉格朗日方程167

5.3机器人静力学172

5.3.1力和力矩分析及传播172

5.3.2关节力矩174

5.3.3关节力矩与末点力178

5.3.4对偶性180

5.4拉格朗日方程182

5.4.1拉格朗日方程的推导183

5.4.2广义坐标的变换189

5.4.3实例191

5.4.4动力学方程的物理解释164

5.5牛顿-欧拉法199

5.5.1基本运动方程199

5.5.2封闭形式的动力学方程200

5.5.3迭代形式的牛顿-欧拉方程204

5.5.4关于自身标架的迭代方程212

5.5.5实例215

5.6研究动向222

第六章 轨迹生成224

6.1引言224

6.2在线示教与离线编程229

6.2.1任务描述229

6.2.2建立变换方程230

6.2.3设定参考坐标232

6.2.4位姿矩阵的计算233

6.2.5用摄象机取数237

6.2.6离线编程237

6.2.7跟踪输送机240

6.3轨迹生成的一般考虑240

6.3.1插补的必要性240

6.3.2关节插补与空间插补241

6.3.3点位PTP控制与连续轨迹CP控制244

6.3.4插补器的基本结构252

6.4位置间运动的过渡257

6.5关节运动轨迹插补262

6.5.1不确切通过中间点的轨迹262

6.5.2确切通过中间点的轨迹263

6.6直角坐标空间运动轨迹插补267

6.6.1位置间工具及坐标系的转换267

6.6.2位置间运动270

6.6.3轨迹段间的过渡274

6.7研究动向282

第七章 轨迹控制284

7.1引言284

7.2PID位置控制288

7.2.1单杆机械手控制288

7.2.2稳定与不超调290

7.2.3刚度与伺服误差292

7.2.4PID控制300

7.2.5多杆机械手的控制302

7.3计算力矩控制303

7.3.1控制法则分解303

7.3.2多输入／输出控制系统310

7.2.3机械手的关节控制311

7.3.4机械手的直角坐标轨迹控制313

7.3.5控制方案实施中的一些具体问题315

7.4变结构控制317

7.4.1滑模控制的性质318

7.4.2用开关控制进行理想的跟踪325

7.4.3用连续控制规律逼近开关控制332

7.4.4机器人轨迹中的鲁棒控制339

7.4.5模型与性能的折衷345

7.5研究动向347

习题349

参考文献368