機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)

前言

機(jī)器人學(xué)作為一門高度交叉的前沿學(xué)科，引起許多具有不同專業(yè)背景人們的廣泛興趣，對其進(jìn)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(jī)器人問世以來近50年間，機(jī)器人學(xué)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(bào)告中所指出的：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化?！北緯榻B機(jī)器人學(xué)的基本原理及其應(yīng)用，是一部比較系統(tǒng)和全面的機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論性著作。全書共10章。第1章簡述機(jī)器人學(xué)的起源與發(fā)展，討論機(jī)器人學(xué)的意義，分析機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與分類，探討機(jī)器人學(xué)與人工智能的關(guān)系、機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域和人工智能爭論對機(jī)器人學(xué)的影響。第2章討論機(jī)器入學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括空間任意點(diǎn)的位置和姿態(tài)變換、坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)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(jī)器人運(yùn)動方程的表示與求解，包括機(jī)械手運(yùn)動姿態(tài)、方向角、運(yùn)動位置和坐標(biāo)的運(yùn)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(jī)器人動力學(xué)方程，著重分析機(jī)械手動力學(xué)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(jī)器人的控制原則和控制方法，包括機(jī)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(jī)器人傳感器的特點(diǎn)與分類、各種典型的機(jī)器人內(nèi)傳感器和外傳感器的工作原理。第7章討論機(jī)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(jī)器人運(yùn)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(jī)器人的程序設(shè)計(jì)，研究對機(jī)器人編程的要求和分類、機(jī)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(jī)器人語言，以及機(jī)器人的離線編程等。第9章探討機(jī)器人的應(yīng)用問題，論述應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的因素和采用機(jī)器人的步驟，分析機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，介紹工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例。第10章分析機(jī)器人學(xué)的現(xiàn)狀，展望機(jī)器人學(xué)的未來，包括國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)和市場的發(fā)展現(xiàn)狀和預(yù)測、2l世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢等，并提出克隆技術(shù)對智能機(jī)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(jī)器人學(xué)研究、開發(fā)和應(yīng)用的科技人員學(xué)習(xí)參考。在本書編寫和出版過程中，得到眾多領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授、朋友和學(xué)生的熱情鼓勵(lì)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(bào)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(dǎo)、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(jī)器人學(xué)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(shí)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(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》是一部比較系統(tǒng)和全面的機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論性著作，主要介紹機(jī)器人學(xué)的基本原理及應(yīng)用。全書共10章，主要內(nèi)容包括機(jī)器人學(xué)的起源與發(fā)展、機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)器人運(yùn)動方程的表示與求解、機(jī)器人動力學(xué)方程、機(jī)器人的控制原則和控制方法、機(jī)器人傳感器、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人的應(yīng)用等?！　　稒C(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》適合作為高校本科生教材，也適合從事機(jī)器人學(xué)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(xué)電機(jī)工程系?，F(xiàn)任中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、學(xué)位委員會主席。1983-1985年為美國普度大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)訪問學(xué)者，1988-1990年任中國科學(xué)院自動化研究所和北京大學(xué)信息科學(xué)中心客座研究員，1992-1993年任美國倫塞勒工業(yè)大學(xué)客座教授。2004年4-7月為俄羅斯科學(xué)院圣彼得堡信息學(xué)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(xué)客座教授。他曾被聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織(UNIDO)確認(rèn)為聯(lián)合國專家，是國際導(dǎo)航與運(yùn)動控制科學(xué)院院士、紐約科學(xué)院院士、首屆教育部高校國家級教學(xué)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(xué)會副理事長及智能機(jī)器人專業(yè)委員會主任、中國自動化學(xué)會理事、中國計(jì)算機(jī)學(xué)會模式識別與人工智能專業(yè)委員會委員、《智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》編委會副主任，《機(jī)器人》等雜志編委，國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)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(jī)器人研究，是我國智能控制，人工智能、機(jī)器人學(xué)諸學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人之一，被譽(yù)為“中國智能控制的奠基者”和“中國人工智能教學(xué)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(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.1.1 機(jī)器人的由來1.1.2 機(jī)器人的定義1.1.3 機(jī)器人學(xué)的進(jìn)展1.2 機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與分類1.2.1 機(jī)器人的主要特點(diǎn)1.2.2 機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.2.3 機(jī)器人的自由度1.2.4 機(jī)器人的分類1.3 機(jī)器人學(xué)與人工智能1.3.1 機(jī)器人學(xué)與人工智能的關(guān)系1.3.2 機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域1.3.3 智能機(jī)器人1.3.4 人工智能的爭論及其對機(jī)器人學(xué)的影響1.4 本書概要1.5 小結(jié)習(xí)題第2章 數(shù)學(xué)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(biāo)變換2.2.1 平移坐標(biāo)變換2.2.2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換2.3 齊次坐標(biāo)變換2.3.1 齊次變換2.3.2 平移齊次坐標(biāo)變換2.3.3 旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)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(xí)題第3章 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)3.1 機(jī)器人運(yùn)動方程的表示3.1.1 運(yùn)動姿態(tài)和方向角3.1.2 運(yùn)動位置和坐標(biāo)3.1.3 連桿變換矩陣及其乘積3.2 機(jī)械手運(yùn)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(jī)器人運(yùn)動方程3.3.1 PUMA560運(yùn)動分析3.3.2 PUMA560動綜合3.4 小結(jié)習(xí)題第4章 機(jī)器人動力學(xué)4.1 剛體動力學(xué)4.1.1 剛體的動能與位能4.1.2 動力學(xué)方程的兩種求法4.2 機(jī)械手動力學(xué)方程4.2.1 速度的計(jì)算4.2.2 動能和位能的計(jì)算4.2.3 動力學(xué)方程的推導(dǎo)4.3 機(jī)械手動力學(xué)方程實(shí)例4.4 小結(jié)習(xí)題第5章 機(jī)器人控制5．1 機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的智能控制5．4．1 智能控制系統(tǒng)的分類5．4．2 機(jī)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(xí)題第6章 機(jī)器人傳感器6．1 機(jī)器人傳感器概述6．1．1 機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)與分類6．1．2 應(yīng)用傳感器時(shí)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(jī)器人視覺裝置6．4．1 機(jī)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(xí)題第7章 機(jī)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(jì)算7．2．1 三次多項(xiàng)式插值7．2．2 過路徑點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值7．2．3 高階多項(xiàng)式插值7．2．4 用拋物線過渡的線性插值7．2．5 過路徑點(diǎn)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(shí)時(shí)生成7．5 小結(jié)習(xí)題第8章 機(jī)器人編程8．1 機(jī)器人編程要求與語言類型8．1．1 對機(jī)器人編程的要求8．1．2 機(jī)器人編程語言的類型8．2 機(jī)器人語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能8．2．1 機(jī)器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8．2．2 機(jī)器人編程語言的基本功能8．3 常用的機(jī)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(jī)器人的離線編程8．4．1 機(jī)器人離線編程的特點(diǎn)和主要內(nèi)容8．4．2 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8．5 小結(jié)習(xí)題第9章 機(jī)器人應(yīng)用9．1 應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人必須考慮的因素9．1．1 機(jī)器人的任務(wù)估計(jì)9．1．2 應(yīng)用機(jī)器人三要素9．1．3 使用機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則9．1．4 采用機(jī)器人的步驟9．2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域9．2．1 工業(yè)機(jī)器人9．2．2 探索機(jī)器人9．2．3 服務(wù)機(jī)器人9．2．4 軍事機(jī)器人9．3 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用舉例9．3．1 材料搬運(yùn)機(jī)器人9．3．2 焊接機(jī)器人9．3．3 噴漆機(jī)器人9．4 小結(jié)習(xí)題第10章 機(jī)器人學(xué)展望10．1 機(jī)器人技術(shù)和市場的現(xiàn)狀10．1．1 世界機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀10．1．2 國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀10．2 21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢10．3 應(yīng)用機(jī)器人引起的社會問題10．4 小結(jié)習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論“機(jī)器人”已是家喻戶曉的“大明星”，它迅速崛起，并對整個(gè)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(shí)世界中的機(jī)器人，并不像普通人們想象的那樣完美?，F(xiàn)有的機(jī)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(yáng)的那樣多才多藝。1.1 機(jī)器人學(xué)的發(fā)展1.1.1 機(jī)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(jī)器或人造人，以便能夠代替人去進(jìn)行各種工作。這就是“機(jī)器人”出現(xiàn)的思想基礎(chǔ)。機(jī)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(jī)器人”才作為專有名詞加以引用。隨著第一次工業(yè)和科學(xué)革命的進(jìn)行，各種自動機(jī)器、動力機(jī)和動力系統(tǒng)的不斷問世，機(jī)器人也開始由幻想時(shí)期轉(zhuǎn)入自動機(jī)械時(shí)期，各種精巧的機(jī)器人玩具和工藝品應(yīng)運(yùn)而生。這些機(jī)器人玩具和工藝品的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在機(jī)器人從夢想到現(xiàn)實(shí)這一漫長道路上，前進(jìn)了一大步。進(jìn)入20世紀(jì)之后，機(jī)器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟(jì)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(jī)器人將是個(gè)寵兒，還是個(gè)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(jī)器人》中，第一次提出了“機(jī)器人”這個(gè)名詞。1950年，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西摩夫在他的小說《我是機(jī)器人》中，提出了有名的“機(jī)器人三守則”：1）機(jī)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(jī)器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；3）機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是為人類做出犧牲。這三條守則，給機(jī)器人社會賦以新的倫理性，并使機(jī)器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。

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

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