机器人学导论(原书第4版)

本书介绍机械操作的理论和工程知识。机械操作这一机器人学分学科是建立在几个传统学科基础之上的。主要的相关学科有力学、控制理论、计算机科学。在本书中，第1~8章包括机械工程和数学的主题，第9~11章为控制理论的题材，第12~13章属于计算机科学的内容。另外，本书从始至终强调通过计算解决问题，例如，与力学密切相关的每一章都有一节简要介绍计算方面的问题。

第1章是机器人学的介绍，介绍一些背景资料、基本思想和本书所使用的符号，并概述后面各章的内容。

第2章包括描述三维空间中的位置与姿态的数学知识。这是极为重要的内容：通过定义，机械操作本身与周围空间的移动物体（工件、工具、机器人自身）联系起来。我们需要用一种易于理解并且尽可能直观的方式来描述这些动作。

第3章和第4章讨论机械操作臂的几何问题，介绍机械工程学科中的运动学分支，这个分支研究运动但不考虑引起这种运动的力。在这两章里，我们讨论操作臂运动学，但把研究范围限定在静态定位问题上。

第5章我们将运动学的研究范围扩展到速度和静力方面。

第6章我们开始研究引起操作臂运动的力和力矩。这就是操作臂动力学问题。

第7章描述操作臂在空间的运动轨迹。

第8章涉及许多与操作臂的机构设计有关的问题。例如，设计多少关节是适宜的，关节的类型应是什么，它们需如何布局。

第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用计算机），使其准确地跟踪预先设定的空间轨迹。第9章研究线性控制方法，第10章将研究拓展到非线性领域。

第11章讨论操作臂的力控制，即研究如何控制由操作臂施加力，这种控制模式在操作臂接触周围环境的情况下非常重要，比如操作臂用海绵擦窗户。

第12章概述机器人编程方法，特别是机器人编程系统中所需的基本元素以及与工业机器人编程相关的特殊问题。

第13章介绍离线仿真和编程系统，其中描述人与机器人接口的进展。

移动机器人控制导论

本书针对轮式移动机器人建模、控制和导航方法进行了全面的分析和研究，它首先从移动机器人驱动和相关的运动学以及动力学模型入手，然后对各种基于模型、无模型和基于视觉的控制器进行测试，并统一证明它们的稳定性和跟踪性能，同时还解决路径、运动和任务规划以及定位和映主题的问题。这本书提供了大量的实验结果，系统和软件移动机器人控制架构的概念概述，以及轮式移动机器人和控制器在工业和生活中的应用。

移动机器人学:数学基础、模型构建及实现方法

移动机器人原理与设计

并联机器人:机构学与控制

自主移动机器人与多机器人系统

机器人操作中的力学原理

ROS机器人编程：原理与应用

现代机器人学：机构、规划与控制

人机器人交互导论

智能无线机器人:人工智能算法与应用

仿人机器人建模与控制

机器人建模和控制

基于Spong和Vidyasagar所著的十分成功的经典教材《RobotDynamicsandControl》（Wiley，1989），本书对机器人领域做了彻底更新且十分完备的介绍。本书所介绍的基础和高级内容不仅易读，并且在数学推导上十分严谨。

发展型机器人：由人类婴儿启发的机器人

本书跨越心理学、机器人学、计算机科学和神经医学等众多领域，全面且系统地论述了发展型机器人学的理论基础和研究动态。全书共9章，首先介绍基本原则和主要实验平台，随后结合儿童发展心理学理论，通过实验详细探讨了内在动机、运动技能和早期语言等机器人行为及认知功能的建模和实现，后展望了未来的研究方向。本书旨在为跨学科的发展型机器人研究者提供帮助，也可作为高等院校机器人相关研究方向的教学用书。

机器人系统实施: 制造业中的机器人、自动化和系统集成 

本书主要研究工业机器人，首先讲解机器人和周边设备的总体技术问题，继而讨论机器人应用项目的管理和实施，为工业机器人系统的实际应用提供指导。主要内容包括：机器人和自动化技术的发展史；机器人类型和使用机器人的好处；重要的机器人周边设备；机器人的典型应用领域；如何设计机器人应用方案；如何制作机器人项目的用户需求说明书；如何对机器人应用进行经济性评价；如何成功实施机器人应用项目；最后总结了机器人系统实施流程，讨论了自动化战略并提出了未来展望。本书适合高等院校机械、自动化、电子和计算机等专业的高年级本科生阅读，也适合正在研究工业机器人的教师和研究生作为参考书目，还值得正在从事工业机器人产品研发的工程师和企业管理人员借鉴。

目录

机器人建模和控制

Robot Modeling and Control

译者序

前言

第1章导论1

11机器人的数学模型2

111机器人的符号表示2

112位形空间3

113状态空间3

114工作空间3

12机器人作为一种机械装置4

121机器人机械臂的分类4

122机器人系统5

123精度和重复精度5

124手腕和末端执行器6

13常见的运动学配置7

131关节型机械臂(RRR)7

132球坐标机械臂(RRP)7

133SCARA型机械臂(RRP)8

134圆柱型机械臂(RPP)8

135笛卡儿型机械臂(PPP)9

136并联机械臂9

14本书概要10

习题14

附注与参考15

第2章刚性运动和齐次变换18

21位置的表示方法18

22旋转的表示方法19

221平面内的旋转19

222三维空间内的旋转21

23旋转变换22

231相似变换24

24旋转的叠加25

241相对于当前坐标系的旋转25

242相对于固定坐标系的旋转26

243旋转变换的叠加定律26

25旋转的参数化27

251欧拉角27

252滚动角、俯仰角和偏航角29

253转轴/角度表示29

26刚性运动31

27齐次变换32

28本章总结33

习题34

附注与参考37

第3章正运动学和逆运动学38

31运动链38

32DenavitHartenberg约定39

321存在和唯一性问题40

322坐标系的配置42

323实例43

33逆运动学49

331一般的逆运动学问题49

332运动解耦50

333逆向位置：一种几何方法51

334关节型位形52

335球坐标型位形54

336逆向姿态55

34本章总结57

习题58

附注与参考60

第4章速度运动学——雅可比矩阵61

41角速度：固定转轴情形61

42反对称矩阵62

421反对称矩阵的性质63

422旋转矩阵的导数63

43角速度：一般情况64

44角速度求和65

45移动坐标系上点的线速度66

46雅可比矩阵的推导67

461角速度67

462线速度68

463线速度和角速度雅可比矩阵的叠加69

47工具速度71

48分析雅可比矩阵72

49奇点73

491奇点解耦74

492手腕奇点75

493手臂奇点75

410静态力/力矩关系77

411逆速度和加速度78

412可操作性79

413本章总结81

习题82

附注与参考84

第5章路径和轨迹规划85

51位形空间85

52基于势场的路径规划88

521引力场88

522斥力场90

523将工作空间力映射到关节力矩91

524梯度下降规划93

53逃离局部最小值94

54概率路线图方法95

541位形空间内的采样96

542连接位形对96

543增强97

544路径光滑化97

55轨迹规划97

551点到点运动的轨迹98

552通过中间点确定的轨迹103

56本章总结105

习题106

附注与参考106

第6章独立关节控制108

61驱动器的动力学109

62独立关节模型110

63设定点跟踪111

631比例微分补偿控制器111

632比例积分微分补偿控制器113

633饱和与柔性的影响114

64前馈控制115

65传动系统的动力学116

66状态空间设计119

661状态反馈控制120

662观测器121

67本章总结123

习题124

附注与参考126

第7章动力学127

71欧拉拉格朗日方程127

711动机127

712完整约束和虚功129

713达朗贝尔原理131

72动能和势能133

721惯性张量133

722n连杆机器人的动能134

723n连杆机器人的势能135

73运动方程135

74一些常见位形136

75机器人动力学方程的性质142

751反对称性和无源性143

752惯性矩阵的界限144

753参数的线性化144

76牛顿欧拉方法145

761重温平面肘型机械臂149

77本章总结151

习题153

附注与参考154

第8章多变量控制155

81重温PD控制155

811关节柔性的影响157

82逆动力学158

821关节空间内的逆动力学158

822任务空间内的逆动力学160

83鲁棒和自适应运动控制161

831鲁棒逆运动学161

832自适应逆运动学164

84基于无源性的运动控制165

841基于无源性的鲁棒控制166

842基于无源性的自适应控制167

85本章总结168

习题171

附注与参考171

第9章力控制173

91坐标系和约束173

911对偶基174

912自然约束和人工约束175

92网络模型和阻抗176

921阻抗操作符177

922阻抗操作符的分类177

923戴维南和诺顿等效177

93任务空间内的动力学和控制178

931任务空间内的动力学178

932阻抗控制178

933混合阻抗控制179

94本章总结181

习题182

附注与参考182

第10章几何非线性控制183

101背景介绍183

1011流形、向量场和分布183

1012弗罗贝尼乌斯定理186

102反馈线性化187

103单输入系统188

104n连杆机器人的反馈线性化193

105非完整系统195

1051对合和完整性196

1052无碛控制系统196

1053非完整系统实例197

106周氏定理199

107无碛系统的控制200

108本章总结201

习题202

附注与参考203

第11章计算机视觉204

111成像几何204

1111相机坐标系204

1112透视投影205

1113成像平面和传感器阵列205

112相机标定206

1121相机的外部参数206

1122相机的内部参数206

1123确定相机参数207

113阈值分割208

1131简略的统计回顾209

1132自动选择阈值210

114连通区域213

115位置和方向214

1151图像矩215

1152物体的质心和中心矩215

1153物体的方向215

116本章总结217

习题217

附注与参考219

第12章基于视觉的控制220

121设计要点220

1211相机位形220

1212基于图像的方法与基于位置的方法221

122相机运动和交互作用矩阵221

123点特征的交互作用矩阵222

1231固定点相对于移动相机的速度223

1232构建交互作用矩阵224

1233点间交互作用矩阵的性质225

1234多点的交互作用矩阵226

124基于图像的控制律226

1241计算相机运动227

1242比例控制方案227

1243基于图像的视觉伺服系统的表现228

125末端执行器和相机的运动230

126划分方法231

127运动感知233

128本章总结234

习题235

附注与参考236

附录A三角函数237

附录B线性代数238

附录C动态系统243

附录D李雅普诺夫稳定性245

参考文献250

索引259

机器人与数字人：基于MATLAB的建模与控制

A Journey from Robot to Digital Human: Mathematical Principles and Applications with MATLAB Programming

译者序

前言

第1章机器人和数字人建模概述1

11机器人的发展历程: 过去、现在和未来1

12数字人建模：历史、成就和新挑战5

13借助机器人分析方法进行数字人建模7

参考文献8

第2章数学基础10

21向量、坐标变换和空间描述10

22李群和李代数13

23指数映射和k过程15

24对偶数、对偶向量及代数形式19

241对偶环微积分21

242对偶向量和对偶矩阵23

243单位旋量和特殊正交对偶矩阵25

25外代数简介27

习题29

参考文献31

第3章刚体运动的表示32

31平移和旋转32

32线速度和角速度38

33位置和方向的统一表示42

34切空间和雅可比矩阵变换48

习题52

参考文献54

第4章机器人运动学和静力学55

41DH法55

42刚体运动的齐次变换57

43运动学反解62

44雅可比矩阵和微分运动68

45对偶变换73

46机器人静力学77

47计算机仿真实践85

471斯坦福机器人运动85

472工业机器人模型及其运动86

习题87

参考文献90

第5章冗余机器人和混联机器人系统91

51广义逆矩阵91

52冗余机器人93

53混联机器人系统105

54并联机构的运动学建模110

541Stewart平台110

542雅可比方程和对偶原理117

5433＋3自由度混联机器人手臂建模和分析124

55计算机仿真实践132

习题134

参考文献136

第6章机器人手臂数字样机和3D动画138

61MATLAB中的基本曲面绘制和数据结构138

62机器人手臂的数字化建模和装配145

63运动规划和3D动画149

习题152

参考文献153

第7章机器人动力学：建模和方程154

71机器人动力学的几何解释154

72牛顿欧拉算法157

73拉格朗日方程162

74惯性矩阵的确定163

75位形流形和等距嵌入171

751度量分解和流形嵌入172

752位形流形的等距嵌入178

753组合等距嵌入和结构矩阵180

754最小等距嵌入和等距化181

76简洁动力学方程191

习题193

参考文献193

第8章机器人系统控制196

81路径规划和轨迹跟踪196

82独立关节伺服控制199

83输入/输出映射和系统可逆性203

831输入/输出映射和相对度的概念203

832系统的可逆性及应用207

84精确线性化和可线性化理论208

841对合性和完全可积性209

842输入状态线性化过程210

843输入/输出线性化过程213

844输入/输出通道的动态扩展217

845线性子系统和内部动态220

846零动态和最小相位系统222

85机器人系统动态控制232

851李雅普诺夫稳定性理论233

852设定点稳定性和轨迹跟踪控制策略237

86多级联系统反推控制器设计239

861李雅普诺夫直接法控制器设计239

862反推递推法控制器设计242

87机器人自适应控制系统248

88计算机仿真实践260

8813关节类斯坦福机器人手臂动力学建模和控制260

882欠驱动机器人系统建模和控制261

883并联机器人动力学建模和控制262

习题263

参考文献266

第9章数字人建模：运动学和静力学268

91局部与全局运动学模型和运动类型268

92五点模型的局部和全局雅可比矩阵280

93运动范围和力的范围284

931人体结构体系基本概念284

932人体运动系统概述285

933运动范围和关节舒适区287

934关节力的范围289

94数字人静力学293

941关节力矩分布和平衡法则293

942由重力产生的关节力矩分布300

95姿态优化准则304

951关节舒适准则305

952对接关节力矩分布准则305

953最小做功的目标312

习题312

参考文献313

第10章数字人建模：三维实体模型和运动生成315

101利用MATLAB建立人体模型315

102手部模型和数字传感325

103运动规划和定量描述334

104人体基本运动分析：行走、奔跑和跳跃342

105数字人现实运动生成344

习题358

参考文献358

第11章数字人建模：动力学和交互式控制360

111动力学模型、算法及实现360

112δ力激励和步态动力学364

113模拟汽车碰撞中的数字人动力学运动366

114简易爆炸装置中的人体模型动力学建模和分析372

115车辆主动系统的动态交互式控制376

1151车辆主动约束系统建模和控制377

1152主动悬挂系统模型和人机交互控制383

116数字人建模展望384

习题386

参考文献386

索引388

机器人系统实施: 制造业中的机器人、自动化和系统集成 

译者序

致谢

作者简介

第1章简介 

1.1本书范围．    

1.2自动化引论 

1.3机器人演变 

1.4机器人应用的发展 

1.4.1汽车工业 

1.4.2汽车零部件 

1.4.3其他领域 

1.4.4未来的增长点 

1.5机器人与就业 

第2章工业机器人 

2.1机器人的结构 

2.1.1  关节臂型 

2.1.2   SCARA型 

2.1.3  直角坐标型 

2.1.4并联型 

2.1.5  圆柱坐标型 

2.2机器人的性能 

2.3机器人的选型 

2.4机器人的好处 

2.4.1对系统集成商的好处

2.4.2对终端用户的

好处 

第3章  自动化系统组件 

3.1搬运设备 

3.1.1输送机

3.1.2  离散输送车 

3.1.3工件喂料设备 

3.2视觉系统 

3.3工艺设备

3.3.1焊接 

3.3.2啧涂 

3.3.3  粘接和密封 

3.3.4切削和材料去除 

3.4抓手和工具转换器 

3.5工装与夹具 

3.6装配自动化组件 

3.7系统控制 

3.8安全与防护 

3.9小结 

第4章典型应用 

4.1焊接 

4.1.1弧焊 

4.1.2点焊 

4.1.3激光焊接 

4.2调配 

4.2.1喷涂 

4.2.2涂胶和密封 

4.3加工 

4.3.1机械切割 

第5章机器人的方案设计

第6章说明书的准备

第7章经济性评价

第8章成功实施

第9章定论

参考文献