機器人學基礎(chǔ)

前言

機器人學作為一門高度交叉的前沿學科，引起許多具有不同專業(yè)背景人們的廣泛興趣，對其進行深入研究，并使其獲得快速發(fā)展。自第一臺電子編程工業(yè)機器人問世以來近50年間，機器人學已取得令人矚目的成就。正如宋健教授1999年7月5日在國際自動控制聯(lián)合會第十四屆世界大會報告中所指出的：“機器人學的進步和應(yīng)用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化?！北緯榻B機器人學的基本原理及其應(yīng)用，是一部比較系統(tǒng)和全面的機器人學導論性著作。全書共10章。第1章簡述機器人學的起源與發(fā)展，討論機器人學的意義，分析機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類，探討機器人學與人工智能的關(guān)系、機器人學的研究領(lǐng)域和人工智能爭論對機器人學的影響。第2章討論機器入學的數(shù)學基礎(chǔ)，包括空間任意點的位置和姿態(tài)變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉(zhuǎn)變換等。第3章闡述機器人運動方程的表示與求解，包括機械手運動姿態(tài)、方向角、運動位置和坐標的運動方程以及連桿變換矩陣的表示，歐拉變換、滾-仰-偏變換和球面變換等求解方法等。第4章涉及機器人動力學方程，著重分析機械手動力學方程的兩種求法，即拉格朗功能平衡法和牛頓-歐拉動態(tài)平衡法；然后總結(jié)出建立拉格朗日方程的步驟。第5章研究機器人的控制原則和控制方法，包括機器人的位置伺服控制、力和位置混合控制和智能控制等。第6章介紹機器人傳感器的特點與分類、各種典型的機器人內(nèi)傳感器和外傳感器的工作原理。第7章討論機器人軌跡規(guī)劃問題，著重研究關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間中機器人運動的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。第8章比較概括地論述機器人的程序設(shè)計，研究對機器人編程的要求和分類、機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本功能，幾種重要的專用機器人語言，以及機器人的離線編程等。第9章探討機器人的應(yīng)用問題，論述應(yīng)用機器人必須考慮的因素和采用機器人的步驟，分析機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，介紹工業(yè)機器人的應(yīng)用實例。第10章分析機器人學的現(xiàn)狀，展望機器人學的未來，包括國內(nèi)外機器人技術(shù)和市場的發(fā)展現(xiàn)狀和預測、2l世紀機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢等，并提出克隆技術(shù)對智能機器人的挑戰(zhàn)問題。本書適合作為本科生教材。本書也適合從事機器人學研究、開發(fā)和應(yīng)用的科技人員學習參考。在本書編寫和出版過程中，得到眾多領(lǐng)導、專家、教授、朋友和學生的熱情鼓勵和幫助。賴旭芝、唐琎、謝斌、陳白帆、魏世勇等參加了本書部分章節(jié)的討論、編寫及校對工作。全國政協(xié)副主席、中國工程首任院長宋健院士在國際自動控制聯(lián)合會第十四屆世界大會開幕式上所做主題報告摘錄，作為本書代序，是對本書作者和廣大讀者的極大支持和厚愛。這些都使作者深受鼓舞。在此特向有關(guān)領(lǐng)導、專家、合作者和廣大讀者致以衷心的感謝。我要特別感謝部分國內(nèi)外機器人學專著、教材和有關(guān)論文的作者們，他們是陳懇、J J Craig、封錫盛、K s Fu、霍偉、蔣新松、A J Kovio、羅公亮、N J Nilsson、G N Saridis、B.Niku Saeed、宋健、孫迪生、孫增圻、王田苗、王炎、熊有倫、張伯鵬、張啟先、張鐘俊等。由于本書編寫時間倉促，書中一定有不足之處。希望得到各位專家和廣大讀者的批評指正。

內(nèi)容概要

　　《機器人學基礎(chǔ)》是一部比較系統(tǒng)和全面的機器人學導論性著作，主要介紹機器人學的基本原理及應(yīng)用。全書共10章，主要內(nèi)容包括機器人學的起源與發(fā)展、機器人學的數(shù)學基礎(chǔ)、機器人運動方程的表示與求解、機器人動力學方程、機器人的控制原則和控制方法、機器人傳感器、機器人軌跡規(guī)劃、機器人的程序設(shè)計、機器人的應(yīng)用等?！　　稒C器人學基礎(chǔ)》適合作為高校本科生教材，也適合從事機器人學研究、開發(fā)和應(yīng)用的科技人員參考。

作者簡介

蔡自興，1962年畢業(yè)于西安交通大學電機工程系。現(xiàn)任中南大學信息科學與工程學院教授、博士生導師、學位委員會主席。1983-1985年為美國普度大學和內(nèi)華達大學訪問學者，1988-1990年任中國科學院自動化研究所和北京大學信息科學中心客座研究員，1992-1993年任美國倫塞勒工業(yè)大學客座教授。2004年4-7月為俄羅斯科學院圣彼得堡信息學與自動化研究所客座研究員。2007年5-8月任丹麥技術(shù)大學客座教授。他曾被聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)確認為聯(lián)合國專家，是國際導航與運動控制科學院院士、紐約科學院院士、首屆教育部高校國家級教學名師。作者曾任第八屆湖南省政協(xié)副主席，全國政協(xié)第九、十屆委員會委員，并任中國人工智能學會副理事長及智能機器人專業(yè)委員會主任、中國自動化學會理事、中國計算機學會模式識別與人工智能專業(yè)委員會委員、《智能系統(tǒng)學報》編委會副主任，《機器人》等雜志編委，國防科技大學、北京航空航天大學、北京郵電大學等校兼職教授。作者主要從事智能系統(tǒng)、人工智能、智能控制、智能機器人研究，是我國智能控制，人工智能、機器人學諸學科的學術(shù)帶頭人之一，被譽為“中國智能控制的奠基者”和“中國人工智能教學第一人”。已在國內(nèi)外發(fā)表論文600余篇，出版教材和專著30多部。

書籍目錄

代序前言第1章 緒論1.1 機器人學的發(fā)展1.1.1 機器人的由來1.1.2 機器人的定義1.1.3 機器人學的進展1.2 機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類1.2.1 機器人的主要特點1.2.2 機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.2.3 機器人的自由度1.2.4 機器人的分類1.3 機器人學與人工智能1.3.1 機器人學與人工智能的關(guān)系1.3.2 機器人學的研究領(lǐng)域1.3.3 智能機器人1.3.4 人工智能的爭論及其對機器人學的影響1.4 本書概要1.5 小結(jié)習題第2章 數(shù)學基礎(chǔ)2.1 位置和姿態(tài)的表示2.1.1 位置描述2.1.2 方位描述2.1.3 位姿描述2.2 坐標變換2.2.1 平移坐標變換2.2.2 旋轉(zhuǎn)坐標變換2.3 齊次坐標變換2.3.1 齊次變換2.3.2 平移齊次坐標變換2.3.3 旋轉(zhuǎn)齊次坐標變換2.4 物體的變換及逆變換2.4.1 物體位置描述2.4.2 齊次變換的逆變換2.4.3 變換方程初步2.5 通用旋轉(zhuǎn)變換2.5.1 通用旋轉(zhuǎn)變換公式2.5.2 等效轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)軸2.6 小結(jié)習題第3章 機器人運動學3.1 機器人運動方程的表示3.1.1 運動姿態(tài)和方向角3.1.2 運動位置和坐標3.1.3 連桿變換矩陣及其乘積3.2 機械手運動方程的求解3.2.1 歐拉變換解3.2.2 滾、仰、偏變換解3.2.3 球面變換解3.3 PUMA560機器人運動方程3.3.1 PUMA560運動分析3.3.2 PUMA560動綜合3.4 小結(jié)習題第4章 機器人動力學4.1 剛體動力學4.1.1 剛體的動能與位能4.1.2 動力學方程的兩種求法4.2 機械手動力學方程4.2.1 速度的計算4.2.2 動能和位能的計算4.2.3 動力學方程的推導4.3 機械手動力學方程實例4.4 小結(jié)習題第5章 機器人控制5．1 機器人的基本控制原則5．1．1 基本控制原則5．1．2 伺服控制系統(tǒng)舉例5．2 機器人的位置控制5．2．1 直流傳動系統(tǒng)的建模5．2．2 位置控制的基本結(jié)構(gòu)5．2．3 單關(guān)節(jié)位置控制器5．2．4 多關(guān)節(jié)位置控制器5．3 機器人的力和位置混合控制5．3．1 力和位置混合控制方案5．3．2 力和位置混合控制系統(tǒng)控制規(guī)律的綜合5．4 機器人的智能控制5．4．1 智能控制系統(tǒng)的分類5．4．2 機器人自適應(yīng)模糊控制5．4．3 多指靈巧手的神經(jīng)控制5．5 小結(jié)習題第6章 機器人傳感器6．1 機器人傳感器概述6．1．1 機器人傳感器的特點與分類6．1．2 應(yīng)用傳感器時應(yīng)考慮的問題6．2 內(nèi)傳感器6．2．1 位移位置傳感器6．2．2 速度和加速度傳感器6．2．3 力覺傳感器6．3 外傳感器6．3．1 觸覺傳感器6．3．2 應(yīng)力傳感器6．3．3 接近度傳感器6．3．4 其他外傳感器6．4 機器人視覺裝置6．4．1 機器人眼6．4．2 視頻信號數(shù)字變換器6．4．3 固態(tài)視覺裝置6．5 小結(jié)習題第7章 機器人軌跡規(guī)劃7．1 軌跡規(guī)劃應(yīng)考慮的問題7．2 關(guān)節(jié)軌跡的插值計算7．2．1 三次多項式插值7．2．2 過路徑點的三次多項式插值7．2．3 高階多項式插值7．2．4 用拋物線過渡的線性插值7．2．5 過路徑點用拋物線過渡的線性插值7．3 笛卡兒路徑軌跡規(guī)劃7．4 規(guī)劃軌跡的實時生成7．5 小結(jié)習題第8章 機器人編程8．1 機器人編程要求與語言類型8．1．1 對機器人編程的要求8．1．2 機器人編程語言的類型8．2 機器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能8．2．1 機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8．2．2 機器人編程語言的基本功能8．3 常用的機器人編程語言8．3．1VAL語言8．3．2SIGLA語言8．3．3IML語言8．3．4AL語言8．4 機器人的離線編程8．4．1 機器人離線編程的特點和主要內(nèi)容8．4．2 機器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8．5 小結(jié)習題第9章 機器人應(yīng)用9．1 應(yīng)用工業(yè)機器人必須考慮的因素9．1．1 機器人的任務(wù)估計9．1．2 應(yīng)用機器人三要素9．1．3 使用機器人的經(jīng)驗準則9．1．4 采用機器人的步驟9．2 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域9．2．1 工業(yè)機器人9．2．2 探索機器人9．2．3 服務(wù)機器人9．2．4 軍事機器人9．3 工業(yè)機器人應(yīng)用舉例9．3．1 材料搬運機器人9．3．2 焊接機器人9．3．3 噴漆機器人9．4 小結(jié)習題第10章 機器人學展望10．1 機器人技術(shù)和市場的現(xiàn)狀10．1．1 世界機器人發(fā)展現(xiàn)狀10．1．2 國內(nèi)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀10．2 21世紀機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢10．3 應(yīng)用機器人引起的社會問題10．4 小結(jié)習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論“機器人”已是家喻戶曉的“大明星”，它迅速崛起，并對整個工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索，以及人類生活的各方面產(chǎn)生越來越大的影響。但是，現(xiàn)實世界中的機器人，并不像普通人們想象的那樣完美。現(xiàn)有的機器人既不像神話和文藝作品所描寫的那樣智勇雙全，也不如某些企業(yè)家和宣傳家們所宣揚的那樣多才多藝。1.1 機器人學的發(fā)展1.1.1 機器人的由來人類長期以來存在一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。這就是“機器人”出現(xiàn)的思想基礎(chǔ)。機器人的概念在人類的想象中已存在三千多年了，盡管直到40多年前，“機器人”才作為專有名詞加以引用。隨著第一次工業(yè)和科學革命的進行，各種自動機器、動力機和動力系統(tǒng)的不斷問世，機器人也開始由幻想時期轉(zhuǎn)入自動機械時期，各種精巧的機器人玩具和工藝品應(yīng)運而生。這些機器人玩具和工藝品的出現(xiàn)，標志著人類在機器人從夢想到現(xiàn)實這一漫長道路上，前進了一大步。進入20世紀之后，機器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟的母胎之中，人們含有幾分不安地期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。1920年，捷克劇作家卡雷爾·凱培克在他的幻想情節(jié)劇《羅薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“機器人”這個名詞。1950年，美國著名科學幻想小說家阿西摩夫在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”：1）機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是為人類做出犧牲。這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。

編輯推薦

《機器人學基礎(chǔ)》介紹機器人學的基本原理及其應(yīng)用，是一部比較系統(tǒng)和全面的機器人學導論性著作。全書共10章，主要內(nèi)容包括：機器人學的起源與發(fā)展、機器人學的數(shù)學基礎(chǔ)、機器人運動方程的表示與求解、機器人動力學方程、機器人的控制原則和控制方法、機器人傳感器、機器人軌跡規(guī)劃、機器人程序設(shè)計、機器人應(yīng)用等。

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