機(jī)器人引論

前言

機(jī)器人是當(dāng)前科技領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。它屬于跨學(xué)科、綜合性的、正處于不斷發(fā)展和更新中的高科技技術(shù)。雖然機(jī)器人的概念源于20世紀(jì)20年代，但機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展是從80年代才開(kāi)始的。機(jī)器人由單純實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作的工業(yè)機(jī)器人逐步向全面模擬感知、思維和行為的智能機(jī)器人方向發(fā)展，在理論、方法和應(yīng)用上都取得了很大的進(jìn)展。特別是未來(lái)的智能機(jī)器人對(duì)環(huán)境感知與交互、知識(shí)推理和復(fù)雜行為，以及群體協(xié)作等方面有更高的要求，有很多科學(xué)問(wèn)題需要深入研究。機(jī)器人技術(shù)也面臨大量的社會(huì)需求，如危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)機(jī)器人、無(wú)人偵查機(jī)器人、無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人、養(yǎng)老助殘機(jī)器人、家庭服務(wù)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。近十年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)在中國(guó)也得到了迅速發(fā)展。它已被規(guī)劃為我國(guó)未來(lái)高科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。國(guó)內(nèi)許多高等院校和科研院所都在開(kāi)展機(jī)器人方面的研究。因此，需要大量機(jī)器人方面的人才，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)也就越來(lái)越引起人們的重視。目前，許多高等院校都在計(jì)算機(jī)專業(yè)和部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程，該課程非常受學(xué)生的歡迎。《機(jī)器人引論》作者將課堂上講授的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，匯總成為《機(jī)器人引論》內(nèi)容。這本教材與其他教材的不同點(diǎn)是它不僅使學(xué)生可以對(duì)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)有一定的了解，同時(shí)可以接觸到機(jī)器人領(lǐng)域的最新成果，擴(kuò)展對(duì)機(jī)器人技術(shù)了解的范圍。因此它兼顧了對(duì)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)的基礎(chǔ)性和先進(jìn)性。它不需要有關(guān)機(jī)器人教學(xué)的前期課程。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，只要學(xué)生具有本專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，就可以接受本課程的教學(xué)內(nèi)容。為了更好地開(kāi)展本教材的教學(xué)，我們?cè)谝呀?jīng)開(kāi)展的教學(xué)中，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)接觸一些機(jī)器人。另外，我們正在從事的科研內(nèi)容也引入到了教學(xué)中，從而擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面?！稒C(jī)器人引論》具有以下主要特點(diǎn)：1）基礎(chǔ)性：《機(jī)器人引論》詳細(xì)介紹機(jī)器人的基本概念、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及其控制方法，使讀者對(duì)機(jī)器人研究有清晰的了解。2）全面性：《機(jī)器人引論》涉及機(jī)器人領(lǐng)域各種主要研究對(duì)象及其內(nèi)容，包括工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、擬人機(jī)器人、仿生機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、空間機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)以及展望了未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展，從全方位對(duì)機(jī)器人進(jìn)行介紹。3）新穎性：《機(jī)器人引論》力求介紹機(jī)器人領(lǐng)域中最先進(jìn)的概念、方法及成果，使讀者更加了解這一領(lǐng)域的最新發(fā)展，把握機(jī)器人研究與應(yīng)用的方向。4）實(shí)用性：《機(jī)器人引論》不僅介紹了機(jī)器人的基本知識(shí)和各種典型機(jī)器人，同時(shí)列舉了大量已開(kāi)發(fā)和正在開(kāi)發(fā)的機(jī)器人實(shí)例，特別是機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，由此便于讀者了解機(jī)器人的主要功能和重要作用。對(duì)于研究者也可以了解機(jī)器人的研究方向，得到更多的啟示，發(fā)現(xiàn)更多的研究課題。5）教學(xué)性：《機(jī)器人引論》的介紹條理清楚，各章節(jié)內(nèi)容既有相關(guān)性，又各自成為一個(gè)獨(dú)立單元，便于教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃安排教學(xué)內(nèi)容，也便于學(xué)生有選擇地進(jìn)行自學(xué)。全書(shū)分成兩個(gè)部分，共有12章。第一部分介紹機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)。它包括4章，分別介紹機(jī)器人緒論、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人控制。第二部分介紹典型機(jī)器人。

內(nèi)容概要

　　《機(jī)器人引論》全面介紹了機(jī)器人的基本概念、主要技術(shù)及其應(yīng)用?！稒C(jī)器人引論》使讀者了解到當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的最新成果和這一領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向?！稒C(jī)器人引論》的主要特色之一是通過(guò)介紹多種典型機(jī)器人，使讀者對(duì)這一領(lǐng)域有更加實(shí)際和深入的了解?！　⊥ㄟ^(guò)閱讀《機(jī)器人引論》，讀者可以掌握這一領(lǐng)域的必要知識(shí)，了解如何設(shè)計(jì)和研制機(jī)器人，特別是建立機(jī)器人數(shù)字模型以及設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)各種典型機(jī)器人，不僅能夠理解機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想和方法，同時(shí)為獨(dú)立設(shè)計(jì)和運(yùn)用機(jī)器人提供了很好的范例和借鑒。因此，《機(jī)器人引論》具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性、先進(jìn)性和實(shí)用性。　　《機(jī)器人引論》可作為普通高等院校電類本科生和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課的課程教材，也可供其他大專院校及從事機(jī)器人研制、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡(jiǎn)介

張濤，博士，清華大學(xué)自動(dòng)化系副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事關(guān)于控制理論、機(jī)器人學(xué)、人工智能，飛行器控制等研究。先后從事科研項(xiàng)目20余項(xiàng).其中包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家973項(xiàng)目、國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家航空基金等項(xiàng)目。近十年來(lái)發(fā)表論文110多篇，其中SCl收錄15篇，EI收錄30余篇，ISTP收錄40余篇。出版學(xué)術(shù)譯著1部，學(xué)術(shù)著作及其章節(jié)4部。IEEE、IEICE會(huì)員、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng).中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)空間及運(yùn)動(dòng)體控制專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)生物信息學(xué)與人工生命專業(yè)委員會(huì)委員等。

書(shū)籍目錄

序前言第1部分 機(jī)器人基礎(chǔ)第1章 緒論1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介1.1.1 機(jī)器人的由來(lái)1.1.2 機(jī)器人的定義1.1.3 機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史1.3 機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)1.4 機(jī)器人的分類1.5 機(jī)器人的應(yīng)用1.6 機(jī)器人學(xué)的研究?jī)?nèi)容1.7 機(jī)器人學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀第2章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)2.1 剛體位姿的描述2.1.1 位置的描述——位置矢量2.1.2 方位的描述——旋轉(zhuǎn)矩陣2.1.3 坐標(biāo)系的描述2.1.4 機(jī)器人操作臂手爪位姿的描述2.2 點(diǎn)的映射2.2.1 坐標(biāo)平移2.2.2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)2.2.3 一般映射2.3 齊次坐標(biāo)和齊次變換2.4 變換矩陣2.4.1 平移算子2.4.2 旋轉(zhuǎn)算子2.4.3 變換算子的一般形式2.4.4 變換矩陣的運(yùn)算2.5 旋轉(zhuǎn)矩陣的導(dǎo)數(shù)2.6 連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量2.6.1 連桿描述2.6.2 連桿連接的描述2.7 連桿坐標(biāo)系2.7.1 中間連桿i的坐標(biāo)系∑2.7.2 首端連桿和末端連桿2.7.3 用連桿坐標(biāo)系規(guī)定連桿參數(shù)2.7.4 連桿坐標(biāo)系建立的步驟2.8 連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程2.8.1 相鄰兩連桿坐標(biāo)系之間的變換矩陣2.8.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立2.9 多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)2.9.1 引言2.9.2 多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)特征2.9.3 站立腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算2.9.4 擺動(dòng)腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算2.9.5 多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算2.9.6 多足步行機(jī)器人的速度和加速度計(jì)算第3章 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)3.1 動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)3.1.機(jī)器人的坐標(biāo)系3.1.2 工具的定位3.1.3 慣性張量和慣性矩陣3.1.4 連桿運(yùn)動(dòng)的傳遞3.1.5 牛頓.歐拉動(dòng)力學(xué)方程3.1.6 拉格朗日方程3.2 機(jī)器人的靜力分析3.2.1 等效關(guān)節(jié)力和力雅可比3.2.2 連桿的靜力學(xué)分析3.3 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程3.3.1 牛頓一歐拉遞推動(dòng)力學(xué)方程3.3.2 關(guān)節(jié)空間與操作空間動(dòng)力學(xué)3.3.3 拉格朗日方程的應(yīng)用3.3.4 多足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型第4章 機(jī)器人控制4.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制4.1.1 機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)4.1.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器4.2 機(jī)器人移動(dòng)軌跡控制4.2.1 路徑與軌跡4.2.2 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系4.2.3 軌跡規(guī)劃4.2.4 軌跡控制第2部分 典型機(jī)器人第5章 工業(yè)機(jī)器人5.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史5.1.1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況5.1.2 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人研制情況5.2 工業(yè)機(jī)器人的基本組成5.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.2.3 控制系統(tǒng)5.2.4 傳感系統(tǒng)5.3 工業(yè)機(jī)器人的典型機(jī)構(gòu)5.3.1 SCARA機(jī)構(gòu)5.3.2 平行桿型機(jī)構(gòu)5.3.3 多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)5.4 工業(yè)機(jī)器人的種類及應(yīng)用5.4.1 焊接機(jī)器人5.4.2 搬運(yùn)機(jī)器人5.4.3 噴漆機(jī)器人5.4.4 裝配機(jī)器人第6章 移動(dòng)機(jī)器人6.1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展6.2 移動(dòng)機(jī)器人的基本組成6.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.2.2 控制系統(tǒng)6.2.3 傳感系統(tǒng)6.3 輪式移動(dòng)機(jī)器人6.3.1 車輪形式6.3.2 車輪的配置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)6.3.3 三輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析6.3.4 輪式排爆機(jī)器人6.4 履帶式移動(dòng)機(jī)器人6.4.1 車體結(jié)構(gòu)6.4.2 越障原理6.4.3 履帶排爆機(jī)器人6.5 步行移動(dòng)機(jī)器人6.5.1 步行機(jī)器人的特點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程6.5.2 步行機(jī)器人的腿結(jié)構(gòu)6.5.3 兩足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型第7章 擬人機(jī)器人7.1 擬人機(jī)器人的發(fā)展7.1.1 擬人機(jī)器人的發(fā)展歷史7.1.2 中國(guó)擬人機(jī)器人的發(fā)展概況7.2 擬人機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)7.2.1 擬人機(jī)器人的頭部7.2.2 擬人機(jī)器人的四肢7.2.3 擬人機(jī)器人的軀體7.3 擬人機(jī)器人的主要功能7.3.1 擬人機(jī)器人的擬人行為7.3.2 擬人機(jī)器人的人機(jī)交互7.4 擬人機(jī)器人的行為控制7.4.1 步行模式生成器7.4.2 擬人機(jī)器人的雙足步行7.4.3 全身運(yùn)動(dòng)模式的生成7.5 擬人機(jī)器人的應(yīng)用第8章 仿生機(jī)器人8.1 仿生機(jī)器人的特點(diǎn)8.2 仿生機(jī)器人的研究概述8.2.1 研究現(xiàn)狀8.2.2 仿生機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題8.2.3 仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)8.3 仿生機(jī)器魚(yú)8.3.1 魚(yú)類推進(jìn)理論8.3.2 仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)8.3.3 仿生機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制8.3.4 仿生機(jī)器魚(yú)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)8.4 四足仿生機(jī)器人8.4.1 四足仿生機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案8.4.2 四足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8.4.3 四足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第9章 醫(yī)用機(jī)器人9.1 醫(yī)用機(jī)器人的特點(diǎn)9.2 醫(yī)用機(jī)器人的分類9.2.1 醫(yī)用外科機(jī)器人9.2.2 康復(fù)機(jī)器人9.2.3 醫(yī)學(xué)教育機(jī)器人9.3 醫(yī)用機(jī)器人的控制9.4 醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用9.4.1 醫(yī)用外科機(jī)器人的應(yīng)用9.4.2 康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用9.4.3 醫(yī)用機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例9.4.4 醫(yī)用機(jī)器人的研究趨勢(shì)-第10章 空間機(jī)器人10.1 空間機(jī)器人的定義和發(fā)展歷程10.1.1 空間機(jī)器人的定義10.1.2 空間機(jī)器人的發(fā)展歷程10.2 空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類10.2.1 空間機(jī)器人的特點(diǎn)10.2.2 空間機(jī)器人的分類10.3 空間機(jī)器人通信技術(shù)-10.3.1 空間機(jī)器人的深空通信10.3.2 空間機(jī)器人的深空通信的接收技術(shù)——天線組陣10.4 空間機(jī)器人的應(yīng)用10.4.1探測(cè)空間機(jī)器人10.4.2 空間機(jī)器人航天器第11章 多機(jī)器人系統(tǒng)11.1 多機(jī)器人系統(tǒng)的概述11.2 多機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)11.2.1 分層式結(jié)構(gòu)11.2.2 基于行為的混合分層式結(jié)構(gòu)11.2.3 任務(wù)級(jí)協(xié)作式結(jié)構(gòu)11.2.4 并行處理混合式結(jié)構(gòu)11.3 多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制11.3.1 協(xié)調(diào)控制策略11.3.2 協(xié)調(diào)控制平臺(tái)11.3.3 協(xié)調(diào)控制中的學(xué)習(xí)11.4 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人11.4.1 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的組成與特點(diǎn)11.4.2 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的控制11.4.3 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的應(yīng)用11.5 多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用11.5.1 機(jī)器人足球11.5.2 多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作圍捕11.5.3 多機(jī)器人協(xié)作裝配第12章 未來(lái)機(jī)器人12.1 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)12.2 未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用前景12.3 未來(lái)機(jī)器人與人類社會(huì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：擬人機(jī)器人是模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的一種外形像人的機(jī)器人，是真正字面意義上或狹義的機(jī)器人。由于擬人機(jī)器人集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體，是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志。因此，世界上發(fā)達(dá)國(guó)家都不惜投入巨資進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。其中以日本和美國(guó)的研究最為深入，日本方面?zhèn)戎赜谕庑畏抡?，美?guó)則側(cè)重用計(jì)算機(jī)模擬人腦的研究。7.1 擬人機(jī)器人的發(fā)展7.1.1 擬人機(jī)器人的發(fā)展歷史擬人機(jī)器人的研制開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末，距今已有40年的歷史。然而，擬人機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。1968年，美國(guó)的R.Smosher（通用電氣公司）試制了一臺(tái)叫“Rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人，從而揭開(kāi)了擬人機(jī)器人研制的序幕。1968年，早稻田大學(xué)加藤-郎教授在日本首先展開(kāi)了雙足機(jī)器人的研制工作。1969年研制出wAP.1（Waseda Auicmatic Pedipulator）平面自由度步行機(jī)。該機(jī)器人具有6個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝3個(gè)關(guān)節(jié)。利用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過(guò)注氣、排氣引起肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而邁步。由于氣體的可伸縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。1971年，加藤一郎又研制出了wAP.3型雙足機(jī)器人，仍采用人造肌肉驅(qū)動(dòng)，能在平地、斜坡和階梯上行走，具有11個(gè)自由度。1971年，加藤實(shí)驗(yàn)室研制出W1-5雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度，下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。該機(jī)器人重130kg，高0.9m，可載荷30kg，實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步45s的靜態(tài)步行。

編輯推薦

《機(jī)器人引論》是普通高等教育電氣工程與自動(dòng)化類“十一五”規(guī)劃教材

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