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第1章 基础知识1

1.1引言1

1.2什么是机器人2

1.3机器人的分类3

1.4什么是机器人学3

1.5机器人的发展历史3

1.6机器人的优缺点5

1.7机器人的组成部件5

1.8机器人的自由度7

1.9机器人关节9

1.10机器人的坐标9

1.11机器人的参考坐标系10

1.12机器人的编程模式11

1.13机器人的性能指标11

1.14机器人的工作空间12

1.15机器人语言13

1.16机器人的应用15

1.17其他机器人及其应用19

1.18机器人的社会问题21

小结22

参考文献22

习题24

第2章 机器人位置运动学25

2.1引言25

2.2机器人机构25

2.3符号规范26

2.4机器人运动学的矩阵表示27

2.4.1空间点的表示27

2.4.2空间向量的表示27

2.4.3坐标系在固定参考坐标系原点的表示29

2.4.4坐标系在固定参考坐标系中的表示29

2.4.5刚体的表示30

2.5齐次变换矩阵33

2.6变换的表示33

2.6.1纯平移变换的表示33

2.6.2绕轴纯旋转变换的表示35

2.6.3复合变换的表示37

2.6.4相对于旋转坐标系的变换39

2.7变换矩阵的逆41

2.8机器人的正逆运动学44

2.9位置的正逆运动学方程45

2.9.1直角（台架）坐标45

2.9.2圆柱坐标46

2.9.3球坐标47

2.9.4链式坐标49

2.10姿态的正逆运动学方程49

2.10.1滚动角、俯仰角和偏航角49

2.10.2欧拉角52

2.10.3链式关节53

2.11位姿的正逆运动学方程54

2.12机器人正运动学方程的D-H表示54

2.13机器人的逆运动学解66

2.13.1链式机器人臂的一般解67

2.14机器人的逆运动学编程70

2.15机器人的退化和灵巧特性72

2.15.1退化72

2.15.2灵巧72

2.16 D-H表示法的基本问题73

2.17设计项目74

2.17.1 3自由度机器人75

2.17.2 3自由度移动机器人76

小结76

参考文献77

习题77

第3章 微分运动和速度86

3.1引言86

3.2微分关系86

3.3雅可比矩阵87

3.4微分运动与大范围运动89

3.5坐标系的微分运动与机器人的微分运动90

3.6坐标系的微分运动91

3.6.1微分平移91

3.6.2绕参考轴的微分旋转91

3.6.3绕一般轴q的微分旋转92

3.6.4坐标系的微分变换93

3.7微分变化的解释94

3.8坐标系之间的微分变化95

3.9机器人和机器人手坐标系的微分运动96

3.10雅可比矩阵的计算97

3.11如何建立雅可比矩阵和微分算子之间的关联100

3.12雅可比矩阵求逆102

3.13设计项目108

3.13.1 3自由度机器人108

3.13.2 3自由度移动机器人108

小结108

参考文献109

习题109

第4章 动力学分析和力112

4.1引言112

4.2拉格朗日力学的简短回顾113

4.3有效转动惯量119

4.4多自由度机器人的动力学方程120

4.4.1动能120

4.4.2势能124

4.4.3拉格朗H函数124

4.4.4机器人运动方程124

4.5机器人的静力分析130

4.6坐标系间力和力矩的变换131

4.7设计项目133

小结133

参考文献134

习题134

第5章 轨迹规划136

5.1引言136

5.2路径与轨迹136

5.3关节空间描述与直角坐标空间描述136

5.4轨迹规划的基本原理137

5.5关节空间的轨迹规划140

5.5.1三次多项式轨迹规划140

5.5.2 五次多项式轨迹规划143

5.5.3抛物线过渡的线性段143

5.5.4具有中间点及用抛物线过渡的线性段145

5.5.5高次多项式运动轨迹146

5.5.6其他轨迹149

5.6直角坐标空间的轨迹规划149

5.7连续轨迹记录152

5.8设计项目153

小结153

参考文献153

习题154

第6章 运动控制系统155

6.1引言155

6.2基本组成和术语155

6.3结构图156

6.4系统动力学156

6.5拉普拉斯变换158

6.6拉普拉斯反变换160

6.6.1 F（s）的极点无重根时的部分分式展开161

6.6.2 F（s）的极点含重根时的部分分式展开162

6.6.3 F（s）的极点含共轭复根时的部分分式展开163

6.7传递函数164

6.8结构图代数166

6.9一阶传递函数的特性168

6.10二阶传递函数的特性170

6.11特征方程：零极点分布172

6.12稳态误差173

6.13根轨迹法175

6.14比例控制器179

6.15比例积分控制器182

6.16比例加微分控制器184

6.17比例积分微分（PID）控制器186

6.18超前和滞后补偿器188

6.19伯德图和频域分析188

6.20开环和闭环表示的应用对比189

6.21多输人多输出系统190

6.22状态空间控制方法191

6.23数字控制193

6.24非线性控制系统195

6.25机电系统动力学：机器人驱动和控制196

6.26设计项目200

小结200

参考文献200

习题200

第7章 驱动器和驱动系统203

7.1引言203

7.2驱动系统的特性203

7.2.1标称特性203

7.2.2刚度和柔性204

7.2.3使用减速齿轮204

7.3驱动系统的比较207

7.4液压驱动器207

7.5气动装置213

7.6电机213

7.6.1.交流型和直流型电机的基本区别214

7.6.2直流电机216

7.6.3交流电机218

7.6.4无刷直流电机218

7.6.5直接驱动电机219

7.6.6伺服电机219

7.6.7步进电机221

7.7电机的微处理器控制232

7.7.1脉冲宽度调制233

7.7.2采用H桥的直流电机转向控制234

7.8磁致伸缩驱动器235

7.9形状记忆金属235

7.10电活性聚合物（EAP）236

7.11减速器236

7.12其他系统238

7.13设计项目239

7.13.1设计项目1239

7.13.2设计项目2239

7.13.3设计项目3240

7.13.4设计项目4241

小结241

参考文献241

习题242

第8章 传感器244

8.1引言244

8.2传感器的特性244

8.3传感器的使用246

8.4位置传感器247

8.4.1电位器247

8.4.2编码器247

8.4.3线位移差动变压器250

8.4.4旋转变压器251

8.4.5传输时间测量（磁反射）型位移传感器251

8.4.6霍尔传感器252

8.4.7其他装置252

8.5速度传感器252

8.5.1编码器252

8.5.2测速计253

8.5.3位置信号微分253

8.6加速度传感器253

8.7力和压力传感器254

8.7.1压电晶体254

8.7.2力敏电阻254

8.7.3应变片254

8.7.4防静电泡沫255

8.8力矩传感器255

8.9微动开关256

8.10可见光和红外传感器256

8.11接触和触觉传感器256

8.12接近觉传感器257

8.12.1磁感应接近觉传感器257

8.12.2光学接近觉传感器258

8.12.3超声波接近觉传感器258

8.12.4感应式接近觉传感器259

8.12.5电容式接近觉传感器259

8.12.6涡流接近觉传感器259

8.13测距仪260

8.13.1超声波测距仪260

8.13.2光测距仪261

8.13.3全球定位系统（GPS）262

8.14嗅觉传感器262

8.15味觉传感器262

8.16视觉系统263

8.17语音识别装置263

8.18语音合成器263

8.19远程中心柔顺装置264

8.20设计项目266

小结266

参考文献267

第9章 视觉系统图像处理和分析268

9.1引言268

9.2基本概念268

9.2.1图像处理与图像分析268

9.2.2二维和三维图像268

9.2.3图像的本质269

9.2.4图像的获取269

9.2.5数字图像270

9.2.6频域和空域271

9.3信号的傅里叶变换及频谱271

9.4图像的频谱：噪声和边缘273

9.5分辨率和量化274

9.6采样理论276

9.7图像处理技术278

9.8图像直方图279

9.9阈值处理280

9.10空域操作：卷积掩模282

9.11连通性285

9.12降噪287

9.12.1采用卷积掩模的邻域平均287

9.12.2图像平均289

9.12.3频域289

9.12.4中值滤波器289

9.13边缘检测290

9.14锐化图像295

9.15霍夫变换295

9.16分割298

9.17基于区域增长和区域分解的分割298

9.18二值形态操作300

9.18.1加厚操作301

9.18.2扩张操作302

9.18.3腐蚀操作302

9.18.4骨架化303

9.18.5放缩操作304

9.18.6缩放操作304

9.18.7填充操作304

9.19灰度形态操作304

9.19.1腐蚀操作305

9.19.2扩张操作305

9.20图像分析305

9.21基于特征的物体识别305

9.21.1用于物体辨识的基本特征305

9.21.2矩306

9.21.3模板匹配311

9.21.4离散傅里叶描述算子311

9.21.5计算机断层造影312

9.22视觉系统中的深度测量312

9.22.1场景分析与映射312

9.22.2距离检测和深度分析313

9.22.3 立体成像313

9.22.4利用阴影和大小进行场景分析314

9.23特殊光照314

9.24图像数据压缩315

9.24.1帧内空域技术315

9.24.2帧间编码技术316

9.24.3压缩技术316

9.25彩色图像317

9.26启发式方法317

9.27视觉系统的应用317

9.28设计项目318

小结319

参考文献319

习题320

第10章 模糊逻辑控制325

10.1引言325

10.2模糊控制需要什么326

10.3清晰值与模糊值327

10.4模糊集合：隶属度与真值度327

10.5模糊化328

10.6模糊推理规则库329

10.7清晰化331

10.7.1重心法331

10.7.2 Mamdani推理法331

10.8模糊逻辑控制器的仿真334

10.9模糊逻辑在机器人中的应用336

10.10设计项目339

小结339

参考文献339

习题340

附录A矩阵代数和三角学复习341

附录B图像采集系统347

附录C采用MATLAB的根轨迹和伯德图350

附录D利用商用软件的机器人仿真353