機器人學

前言

機器人的誕生和機器入學的建立，無疑是20世紀人類科學技術的重大成就。不到40年時間，機器人從無到有，現(xiàn)在已擁有“百萬大軍”，在世界經(jīng)濟各個領域和人民生活的眾多方面忠誠地為人類服務，作出不可磨滅的貢獻。展望21世紀，人類更需要機器人的和諧共處，更離不開機器人這類得力助手和可靠朋友。早在機器入學孕育于它的社會和經(jīng)濟母胎時，人類在期待機器人誕生的同時就存有幾分不安。隨著機器人技術的巨大進步，人們已適應了與機器人的共處。然而，仍然有些人對智能機器人的發(fā)展表示擔憂。實踐將再次證明，這種擔心也是不必要的。無論機器人的智能如何發(fā)展，它都是人類創(chuàng)造出來的成果，人類是這些智能機器人的真正主人。我們一定有辦法讓機器人繼續(xù)為人類造福，而不是造反，服務于人類，而不是統(tǒng)治人類。這就是我們進入21世紀時對待機器人的應有心態(tài)。我國的機器入學研究開發(fā)工作，雖然起步較晚，但在國家有關部門的支持和廣大機器人學科技和教育工作者的努力下，進展較快，已在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各個方面取得明顯成績，為我國機器入學的進一步發(fā)展奠定良好的基礎。其中，國家高技術發(fā)展計劃智能機器人主題的研究更是令人矚目，成果層出。國內(nèi)已在一些學會內(nèi)成立了機器入或智能機器人的二級學會，經(jīng)常召開全國性的機器人學研討會或?qū)W術會議，而且出版了一批機器人學的專著、教材和參考書。尤其值得一提的是，由中國自動化學會、中國機械工程學會、中國汽車工程學會、中國電子學會、中國宇航學會、中國人工智能學會、國家“863”計劃智能機器人主題專家組、國家“863”計劃空間機器人主題專家組以及中國機器人工程協(xié)會等9個單位主辦的中國機器人學術大會，自1987年以來，每2～3年召開一次，已進行5次，并即將在今年10月舉行第六屆盛會——中國2000年機器人學大會。我衷心地預祝大會圓滿成功，為推動我國機器人學的發(fā)展作出新的貢獻。在21世紀，中國的機器人學必將有更大的發(fā)展和更廣泛的應用。中國的機器人市場必將走向世界，與國際市場實現(xiàn)一體化，在國際上占有一席之地。隨著國內(nèi)外機器入學的快速發(fā)展，國內(nèi)許多大學開設了機器人學課程，一些關于機器人學的教材、著作也應運而生。12年前，在國內(nèi)急需機器入學教材的時候，一本名為《機器人原理及其應用》的著作出版了；這是國內(nèi)第一部智能機器人基礎的系統(tǒng)著作與教材。此書后被選入《中國優(yōu)秀科技圖書要覽》。這本書曾被國內(nèi)廣泛采用，成為許多從事機器人學研究、教學和應用的科教工作者的教材或重要參考書。此書也給我留下深刻而良好的印象。十分巧合的是，此書的作者和中國2000年機器入學大會主席正好是一個人，而且也是《機器人學》這部新著的作者、中國智能機器人學會理事長、中南工業(yè)大學教授、我校兼職教授蔡自興先生。他的勤奮、敬業(yè)、開拓和奉獻精神令人欽佩，20年來一直熱戀著他鐘愛的中國機器人事業(yè)，并為之作出公認的顯著貢獻。

內(nèi)容概要

本書介紹機器人學的基本原理及其應用，全面反映出國內(nèi)外機器人學研究和應用的最新進展，是一部系統(tǒng)和全面的機器人學著作和教材。本書共12章，內(nèi)容涉及機器人學的概況、數(shù)理基礎、運動學、動力學、位置和力控制、高級控制、傳感器、高層規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、程序設計、應用和展望等內(nèi)容。    該書對第一版進行較大的修訂與補充，特別是增加了“機器人傳感器”一章，把兩章“機器人控制(一、二)”改為“機器人位置和力控制”與“機器人高級控制”各一章，把“機器人規(guī)劃”一章擴展為“機器人高層規(guī)劃”和“機器人軌跡規(guī)劃”兩章。此外，增加了“機器人路徑規(guī)劃”等內(nèi)容，著重介紹了作者在機器人路徑規(guī)劃領域的研究新成果。    本書特別適合作為本科生和研究生教材，也適合從事機器人學研究、開發(fā)和應用的科技人員學習參考。

作者簡介

蔡自興，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。聯(lián)合國工業(yè)與發(fā)展組織(UNIDO)審定的聯(lián)合國專家、國際導航與運動控制科學院院士、紐約科學院院士、IEEE高級會員、首屆全國高校國家級教學名師。歷任第八屆湖南省政協(xié)副主席兼文教衛(wèi)體委員會主任，全

書籍目錄

第一章  緒論  1.1  機器人學的起源與發(fā)展    1.1.1  機器人學的起源    1.1.2  機器人學的發(fā)展  1.2  機器人的定義和特點    1.2.1  機器人的定義    1.2.2  機器人的主要特點  1.3  機器人的構成與分類    1.3.1  機器人系統(tǒng)的構成    1.3.2  機器人的自由度    1.3.3  機器人的分類  1.4  機器人學的研究領域  1.5  本書概要  1.6  小結(jié)  習題第二章  機器人的空間描述和坐標變換  2.1  位姿和坐標系描述  2.2  平移和旋轉(zhuǎn)坐標系映射  2.3  平移和旋轉(zhuǎn)齊次坐標變換  2.4  物體的變換和變換方程  2.5  通用旋轉(zhuǎn)變換  2.6  小結(jié)  習題第三章  機器人運動學  3.1  機械手運動方程的表示    3.1.1  機械手運動姿態(tài)和方向角的表示    3.1.2  平移變換的不同坐標系表示    3.1.3  A矩陣和T矩陣的表示  3.2  機械手運動方程的求解    3.2.1  歐拉變換解    3.2.2  RPY變換解    3.2.3  球面變換解  3.3  機器人運動的分析與綜合舉例    3.3.1  機器人運動分析舉例    3.3.2  機器人運動綜合舉例  3.4  機器人的雅可比公式    3.4.1  機器人的微分運動    3.4.2  雅可比矩陣的定義與求解    3.4.3  機器人雅可比矩陣計算舉例  3.5  小結(jié)  習題第四章  機器人動力學  4.1  剛體的動力學方程    4.1.1  剛體的動能與位能    4.1.2  拉格朗日方程和牛頓?歐拉方程  4.2  機械手動力學方程的計算與簡化    4.2.1  質(zhì)點速度的計算    4.2.2  質(zhì)點動能和位能的計算    4.2.3  機械手動力學方程的推導    4.2.4  機械手動力學方程的簡化  4.3  機械手動力學方程舉例    4.3.1  二連桿機械手動力學方程    4.3.2  三連桿機械手的速度和加速度方程  4.4  機器人的動態(tài)特性    4.4.1  動態(tài)特性概述    4.4.2  穩(wěn)定性    4.4.3  空間分辨度    4.4.4  精度    4.4.5  重復性  4.5  機械手的靜態(tài)特性    4.5.1  靜力和靜力矩的表示    4.5.2  不同坐標系間靜力的變換    4.5.3  關節(jié)力矩的確定    4.5.4  負荷質(zhì)量的確定  4.6  小結(jié)  習題第五章  機器人位置和力控制  5.1  機器人控制與傳動概述    5.1.1  機器人控制的分類、變量與層次    5.1.2  機器人傳動系統(tǒng)  5.2  機器人的位置控制    5.2.1  直流控制系統(tǒng)原理與數(shù)學模型    5.2.2  機器人位置控制的一般結(jié)構    5.2.3  單關節(jié)位置控制器的結(jié)構與模型    5.2.4  多關節(jié)位置控制器的耦合與補償  5.3  機器人的力和位置混合控制    5.3.1  柔順運動與柔順控制    5.3.2  主動阻力控制    5.3.3  力和位置混合控制方案和規(guī)律    5.3.4  柔順運動位移和力混合控制的計算  5.4  機器人的分解運動控制    5.4.1  分解運動控制原理    5.4.2  分解運動速度控制    5.4.3  分解運動加速度控制    5.4.4  分解運動力控制  5.5  小結(jié)  習題第六章  機器人高級控制  6.1  機器人的變結(jié)構控制    6.1.1  變結(jié)構控制的特點和原理    6.1.2  機器人的滑模變結(jié)構控制    6.1.3  機器人軌跡跟蹤滑模變結(jié)構控制  6.2  機器人的自適應控制    6.2.1  自適應控制器的狀態(tài)模型和結(jié)構    6.2.2  機器人模型參考自適應控制器    6.2.3  機器人自校正自適應控制器    6.2.4  機器人線性攝動自適應控制器  6.3  機器人的智能控制    6.3.1  智能控制與智能控制系統(tǒng)概述    6.3.2  主要智能控制系統(tǒng)簡介    6.3.3  機器人自適應模糊控制    6.3.4  多指靈巧手的神經(jīng)控制  6.4  小結(jié)  習題第七章  機器人傳感器  7.1  機器人傳感器概述    7.1.1  機器人傳感器的特點與分類    7.1.2  應用傳感器時應考慮的問題  7.2  內(nèi)傳感器    7.2.1  位移（位置）傳感器    7.2.2  速度和加速度傳感器    7.2.3  力覺傳感器  7.3  外傳感器    7.3.1  觸覺傳感器    7.3.2  應力傳感器    7.3.3  接近度傳感器    7.3.4  其他外傳感器  7.4  機器人視覺裝置    7.4.1  機器人眼    7.4.2  視頻信號數(shù)字變換器    7.4.3  固態(tài)視覺裝置  7.5  小結(jié)  習題第八章  機器人高層規(guī)劃  8.1  機器人規(guī)劃概述    8.1.1  規(guī)劃的作用與問題分解途徑    8.1.2  機器人規(guī)劃系統(tǒng)的任務與方法  8.2  積木世界的機器人規(guī)劃    8.2.1  積木世界的機器人問題    8.2.2  積木世界機器人規(guī)劃的求解  8.3  基于消解原理的機器人規(guī)劃系統(tǒng)    8.3.1  STRIPS系統(tǒng)的組成    8.3.2  STRIPS系統(tǒng)規(guī)劃過程    8.3.3  含有多重解答的規(guī)劃  8.4  基于專家系統(tǒng)的機器人規(guī)劃    8.4.1  規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構和機理    8.4.2  ROPES機器人規(guī)劃系統(tǒng)  8.5  機器人路徑規(guī)劃    8.5.1  機器人路徑規(guī)劃的主要方法和發(fā)展趨勢    8.5.2  基于近似Voronoi圖的機器人路徑規(guī)劃    8.5.3  基于模擬退火算法的機器人局部路徑規(guī)劃    8.5.4  基于免疫進化和示例學習的機器人路徑規(guī)劃    8.5.5  基于蟻群算法的機器人路徑規(guī)劃  8.6  小結(jié)  習題第九章  機器人軌跡規(guī)劃  9.1  軌跡規(guī)劃應考慮的問題  9.2  關節(jié)軌跡的插值計算  9.3  笛卡兒路徑軌跡規(guī)劃  9.4  規(guī)劃軌跡的實時生成  9.5  小結(jié)  習題第十章  機器人程序設計  10.1  機器人編程要求與語言類型    10.1.1  對機器人編程的要求    10.1.2  機器人編程語言的類型  10.2  機器人語言系統(tǒng)結(jié)構和基本功能    10.2.1  機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構    10.2.2  機器人編程語言的基本功能  10.3  常用的機器人編程語言    10.3.1  VAL語言    10.3.2  SIGLA語言    10.3.3  IML語言    10.3.4  AL語言  10.4  機器人的離線編程    10.4.1  機器人離線編程的特點和主要內(nèi)容    10.4.2  機器人離線編程系統(tǒng)的結(jié)構    10.4.3  機器人離線編程仿真系統(tǒng)HOLPSS  10.5  小結(jié)  習題第十一章  機器人應用  11.1  應用工業(yè)機器人必須考慮的因素    11.1.1  機器人的任務估計    11.1.2  應用機器人三要素    11.1.3  使用機器人的經(jīng)驗準則    11.1.4  采用機器人的步驟  11.2  機器人的應用領域    11.2.1  工業(yè)機器人    11.2.2  探索機器人    11.2.3  服務機器人    11.2.4  軍事機器人  11.3  工業(yè)機器人應用舉例    11.3.1  材料搬運機器人    11.3.2  焊接機器人    11.3.3  噴漆機器人  11.4  小結(jié)  習題第十二章  機器人學展望  12.1  機器人技術和市場的現(xiàn)狀與預測  12.2  21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢  12.3  應用機器人引起的社會問題  12.4  克隆技術對智能機器人的挑戰(zhàn)  12.5  小結(jié)  習題參考文獻英漢對照術語表

章節(jié)摘錄

插圖：（5）研究了機器人的控制原則和各種控制方法。這些方法包括機器人的位置伺服控制、柔順控制、分解運動控制、變結(jié)構控制、自適應控制和智能控制等。作為機器人智能控制的應用實例，介紹了機器人自適應模糊控制和多指靈巧手的神經(jīng)控制。這些例子提供了實際研究結(jié)果，說明各種相關智能控制方法的有效性和適用性。（6）討論機器人規(guī)劃問題。在說明機器人規(guī)劃的作用和任務之后，從積木世界的機器人規(guī)劃人手，逐步深入地開展對機器人規(guī)劃的討論。這些規(guī)劃方法有規(guī)則演繹法、邏輯演算和通用搜索法、具有學習能力的規(guī)劃以及基于專家系統(tǒng)的規(guī)劃等。此外，還介紹了機器人的軌跡規(guī)劃問題。機器人規(guī)劃是人工智能與機器人學的一個令人感興趣的結(jié)合點，也是智能機器人的一個重要研究領域。（7）闡述機器人傳感器的特點與分類，涉及機器人的感覺順序與策略、機器人傳感器的分類以及應用傳感器時應考慮的問題。接著分別討論機器人的內(nèi)傳感器和外傳感器。在內(nèi)傳感器部分，研究了位移位置傳感器、速度和加速度傳感器及力覺傳感器等。在外傳感器部分，研究了觸覺傳感器、應力覺傳感器、接近度傳感器和其他外傳感器。最后，舉例介紹了一些有代表性的機器人視覺裝置，包括機器人眼、視頻信號數(shù)字變換器和固態(tài)視覺裝置等。對于各種傳感器，著重討論它們的工作原理，并說明了應用中應該注意的問題。（8）比較概括地論述機器人的程序設計。機器人的程序設計（即編程）是機器人運動和控制的結(jié)合點，也是實現(xiàn)人與機器人通信的主要方法。首先研究對機器人編程的要求和分類；接著討論機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構和基本功能；然后介紹幾種重要的專用機器人編程語言，如VAL、SIGLA、IML和AL語言等；最后討論機器人離線編程的特點、主要內(nèi)容和系統(tǒng)結(jié)構，并列舉一個機器人離線編程仿真系統(tǒng)。（9）探討機器人應用問題。首先論述應用機器人必須考慮的因素和采用機器人的步驟；然后分析機器人的應用領域，涉及工業(yè)機器人、探索機器人、服務機器人和軍事機器人；最后介紹幾個工業(yè)機器人的應用實例，包括材料搬運機器人、焊接機器人、噴漆機器人和裝配機器人等。工業(yè)機器人占有重要地位，服務機器人是發(fā)展最快的機器人新領域，探索機器人要求具有較高的智能和性能，而軍事機器人則是造價較高和令人關注的。機器人必將在21世紀獲得更為廣泛的應用。（10）分析機器人學的現(xiàn)狀，展望機器人學的未來，包括國際機器人技術和市場的發(fā)展現(xiàn)狀及預測、國內(nèi)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀、21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢等。還探討應用機器人引起的一些社會問題，并提出克隆技術對智能機器人的挑戰(zhàn)問題。這部分內(nèi)容連貫過去、現(xiàn)在與未來，具有一定的探索性和前瞻性，值得爭論。（11）各章均附有習題，可供教師選用，作為學生課內(nèi)作業(yè)或課外練習思考題，以檢驗對各章內(nèi)容的掌握程度，并加深對所學概念、技術和方法的理解。書末附有英漢名詞術語對照，有助于學生閱讀機器人學英文文獻。本書可作為本科生和研究生的教材。當用作本科生教材時，建議刪去部分章節(jié)，如機器人的動態(tài)和靜態(tài)特性、機器人的高級控制和智能控制以及機器人高層規(guī)劃等。當用作研究生教材時，教師可以補充一些反映最新研究進展的學術論文和專題研究資料，以培養(yǎng)研究生的獨立工作能力和創(chuàng)新能力，并對專題內(nèi)容有更深入的了解。本書也可供從事機器人學研究、開發(fā)和應用的科技人員學習參考。

編輯推薦

《機器人學(第2版)》：國家級智能科學基礎系列課程教學團隊，機器人學課程配套教材，第一版獲全國普通高校優(yōu)秀教材一等獎。

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