內容簡介

　　基於Spong和Vidyasagar所著的十分成功的經典教材《RobotDynamicsandControl》（Wiley，1989），本書對機器人領域做瞭徹底更新且十分完備的介紹。本書所介紹的基礎和高級內容不僅易讀，並且在數學推導上十分嚴謹。

目錄

譯者序
前言
第1章導論1
1.1機器人的數學模型2
1.1.1機器人的符號錶示2
1.1.2位形空間3
1.1.3狀態空間3
1.1.4工作空間3
1.2機器人作為一種機械裝置4
1.2.1機器人機械臂的分類4
1.2.2機器人係統5
1.2.3精度和重復精度5
1.2.4手腕和末端執行器6
1.3常見的運動學配置7
1.3.1關節型機械臂(RRR)7
1.3.2球坐標機械臂(RRP)7
1.3.3SCARA型機械臂(RRP)8
1.3.4圓柱型機械臂(RPP)8
1.3.5笛卡兒型機械臂(PPP)9
1.3.6並聯機械臂9
1.4本書概要10
習題14
附注與參考15
第2章剛性運動和齊次變換18
2.1位置的錶示方法18
2.2鏇轉的錶示方法19
2.2.1平麵內的鏇轉19
2.2.2三維空間內的鏇轉21
2.3鏇轉變換22
2.3.1相似變換24
2.4鏇轉的疊加25
2.4.1相對於當前坐標係的鏇轉25
2.4.2相對於固定坐標係的鏇轉26
2.4.3鏇轉變換的疊加定律26
2.5鏇轉的參數化27
2.5.1歐拉角27
2.5.2滾動角、俯仰角和偏航角29
2.5.3轉軸/角度錶示29
2.6剛性運動31
2.7齊次變換32
2.8本章總結33
習題34
附注與參考37
第3章正運動學和逆運動學38
第4章速度運動學——雅可比矩陣61
第5章路徑和軌跡規劃85
第6章獨立關節控製108
第7章動力學127
第8章多變量控製155
第9章力控製173
第10章幾何非綫性控製183
第11章計算機視覺204
第12章基於視覺的控製220

前言/序言

　　前言

　　Robot Modeling and Control自從20世紀80年代早期機器人機械臂被“吹捧”為自動化製造的終極解決方案以來，機器人領域發生瞭眾多令人興奮的變化。早期的預測是，如果必要的話未來整個工廠僅需要極少數人工操作者。有些人甚至預言連電力照明都是多餘的，因為機器人會“很高興地”在黑暗環境裏完成工作。這些預言在今天看來有些可笑，盡管如此，尋找為什麼此類預言沒有實現的原因發人深省。第一個原因可簡述如下：機器人很難代替或者在某種程度上等同於人類。人類十分擅長於自己的工作。自動化製造並不像安裝一個機器人並將工人從産品裝配綫上移走這麼簡單，它涉及復雜的係統集成問題。通常，整個工作單元需要重新設計，包括對裝配過程本身的分析、重新設計零件和設備、工作單元布局、傳感器開發、控製係統設計、軟件驗證以及大量的相互連接問題。結果是：除去如點焊、噴塗和碼垛等簡單任務，（使用機器人）所節省的人工成本並不能抵消上述開發成本。

　　因此，機器人技術在20世紀80年代晚期不再受人歡迎。現在，我們正在見證機器人技術的一次復興，不僅在製造領域，還包括很多其他領域，比如醫療機器人技術、搜索和救援、娛樂和服務機器人技術。近年來，我們看到機器人探測火星錶麵、定位沉船、搜索地雷以及尋找倒塌建築物下的災民。機器人技術被認為是更廣泛的機電一體化（mechatronics）領域的一部分。機電一體化被定義為機械、電子、控製和計算機科學的有機結閤。機器人是終極的機電一體化係統。

　　本書起初是作為由John Wiley & Sons公司於1989年齣版的《Robot Dynamics and Control》（由M. W. Spong和M. Vidyasagar所著）的第2版進行編寫的。但在編寫初期，我們發現由於第1版距今的時間跨度和本領域在此期間內的發展，本版最終將會是一本全新的書籍。我們在保留第1版的基本原理和優秀部分的基礎上，增添瞭很多新內容。本書所涉及的運動規劃、計算機視覺和視覺伺服控製都是全新的。我們重寫瞭關於控製的章節，以反映20世紀80年末期到90年代初期機器人控製領域的逐步成熟。本書的運動學和動力學基礎部分與第1版基本一緻，但從教學方麵對其進行瞭擴展和提高。

　　本書結構本書分為12章，前6章是基礎，後6章涉及高等內容。這些章節從概念上可以分為三組。在導論章節後，第2章到第5章涉及機器人運動的幾何問題。第6章到第10章涉及動力學和控製。最後，第11和12章討論瞭計算機視覺以及如何將其添加到機器人控製係統中。

　　下麵是對各章更為詳細的敘述。

　　第1章介紹機器人技術的曆史和術語，並就最通用的機器人設計和應用進行瞭討論。

　　第2章介紹剛性運動的數學知識，以及鏇轉、平移和齊次變換。

　　第3章介紹應用Denavit�睭artenberg方法對運動學進行正嚮求解，以及應用幾何方法對運動學進行逆嚮求解，該幾何方法十分適用於帶有球形手腕的機械臂。

　　第4章篇幅較長，涉及速度運動學和機械臂的雅可比矩陣。幾何雅可比矩陣由叉積形式推導得齣。我們還介紹瞭分析型雅可比矩陣，它用於後續的任務空間控製。該章還討論瞭可操作性的概念。

　　第5章介紹運動規劃和軌跡生成。該章介紹瞭有關運動規劃和避障的幾種最為流行的方法，包括人工勢場法、隨機算法以及概率路綫圖方法。我們把軌跡生成問題本質上當作多項式樣條插補問題來介紹。對於關節空間內的插補，我們推導瞭基於三次和五次多項式的軌跡生成以及梯形速度軌跡。

　　第6章介紹獨立關節的控製。我們用基於PD、PID和狀態空間的綫性控製來實現綫性驅動器和傳動係統動力學的跟蹤和抗乾擾等問題。為研究對時變參考軌跡的跟蹤問題，我們介紹瞭前饋控製的概念。

　　第7章詳細介紹瞭機器人動力學。基於第一性原理，本書推導瞭歐拉拉格朗日方程，並且詳細討論瞭其結構特性。本書還介紹瞭機器人動力學的遞推牛頓歐拉形式。

　　第8章討論多變量控製。該章綜述瞭20世紀80年代末和90年代初有關機器人控製的大多數研究，介紹瞭最通用的魯棒和自適應控製算法的簡單推導，為讀者進一步閱讀有關機器人控製的大量文獻打好基礎。

　　第9章解決力控製問題，討論瞭阻抗控製和混閤控製。

　　混閤阻抗控製方法是其他書中很少涉及的，它適用於控製阻抗，並同時對運動和力進行調控。

　　第10章介紹瞭幾何非綫性控製。相比其他章節，該章內容要高深很多，適閤研究生階段的非綫性控製和機器人學課程使用。盡管如此，該章內容在形式上可讀性好，也適閤高年級本科生閱讀。我們推導和證明瞭單輸入/單輸齣係統的局部反饋綫性化的充要條件，並將其用於柔性關節控製問題。我們也簡要討論瞭周氏定理在非完整約束控製係統問題中的應用。

　　第11章介紹計算機視覺。我們主要介紹適用於機器人應用方麵的計算機視覺，例如閾值、圖像分割和相機標定。

　　第12章討論視覺伺服控製問題，也就是利用安裝在機器人上或工作空間內的相機的反饋來控製機器人。

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