1.內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)地介紹了空間機構(gòu)的基本組成原理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和機器人設(shè)計方法。全書共分9章：第1章介紹空間機構(gòu)組成原理和自由度計算；第2章介紹圖論和坐標變換數(shù)學(xué)方法；第3章介紹空間機構(gòu)運動學(xué)和數(shù)學(xué)方程求解；第4章介紹空間機構(gòu)的微分運動；第5章介紹空間機構(gòu)動力學(xué)與靜力學(xué)；第6章論述機器人機構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；第7章介紹機器人運動路徑設(shè)計原理和軌跡規(guī)劃方法；第8章介紹機器人相關(guān)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動器、傳感器和機器視覺的基本原理；第9章介紹機器人控制原理、模糊控制方法及在機器人中的應(yīng)用。
本書可作為機械工程專業(yè)研究生教材，也可作為從事機器人及智能裝備研究的科技人員參考用書。
2.出版前言
隨著機器人和智能機械技術(shù)的發(fā)展，空間機構(gòu)學(xué)得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用。相對于平面機構(gòu)而言，空間機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)和運動的復(fù)雜性以及數(shù)學(xué)計算的實時性等特點；機器人機構(gòu)學(xué)作為傳統(tǒng)空間機構(gòu)學(xué)的重要分支，推動了空間機構(gòu)學(xué)與自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和先進制造技術(shù)的高度融合，形成了多學(xué)科滲透和交叉的新學(xué)科。機構(gòu)的創(chuàng)新是機器人和智能機械系統(tǒng)自主創(chuàng)新的源泉，空間機構(gòu)學(xué)則是機器人和智能機械系統(tǒng)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。本書的出版希望能對研究生的機器人課程教學(xué)有所幫助，讓研究生能比較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)空間機構(gòu)學(xué)和機器人設(shè)計的基本理論和方法，在機器人和智能機械系統(tǒng)的研究和應(yīng)用中面臨機遇，迎接挑戰(zhàn)。
根據(jù)工信部研究生教材征集計劃的要求，作為南京理工大學(xué)研究生教育優(yōu)秀工程項目，在多屆研究生課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，編者總結(jié)了空間機構(gòu)學(xué)與機器人學(xué)方面的研究成果，編寫了本書。本書分為空間機構(gòu)學(xué)與機器人設(shè)計方法兩篇，共九章內(nèi)容。第一篇為空間機構(gòu)學(xué)，側(cè)重于機構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，主要編寫內(nèi)容包括空間機構(gòu)運動學(xué)、微分運動、動力學(xué)與靜力學(xué)等。第二篇為機器人設(shè)計方法，主要編寫內(nèi)容涵蓋了機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器人軌跡規(guī)劃、運動驅(qū)動與傳感器設(shè)計原理、智能控制原理等。
參加本書編寫的有張龍博士、張慶博士、祖莉博士和閆興坤碩士。本書包含了由沈守范教授編寫的《機構(gòu)學(xué)的教學(xué)工具》中的“圖論”章節(jié)的內(nèi)容，在此深表謝意。
本書可作為高等院校機械工程或機器人專業(yè)的研究生教材，或機械類本科生高年級選修課程教材。由于編者的水平和時間有限，難免存在誤漏疏虞之處，竭誠歡迎讀者和專家批評指正。 編者
于南京理工大學(xué)
2018年6月 3.目錄
第一篇空間機構(gòu)學(xué)
1空間機構(gòu)組成原理3
1.1概述3
1.2機構(gòu)自由度7
1.2.1空間開鏈機構(gòu)自由度計算8
1.2.2空間單閉鏈機構(gòu)自由度計算8
1.2.3空間多閉鏈機構(gòu)自由度計算11
1.3空間機構(gòu)組成原理12
1.3.1空間單閉鏈機構(gòu)的組成13
1.3.2空間多閉鏈機構(gòu)的組成15
1.3.3空間開鏈機構(gòu)的組成18
習(xí)題20
2空間機構(gòu)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)21
2.1概述21
2.2圖論21
2.2.1圖與子圖21
2.2.2通路的集合和最短通路27
2.2.3樹理論31
2.2.4割集和斷集37
2.2.5圖的矩陣表示39
2.2.6平面圖47
2.3坐標變換矩陣50
2.3.1構(gòu)件的位置和姿態(tài)表示方法51
2.3.2坐標軸變換矩陣53
2.3.3齊次坐標變換54
2.3.4齊次坐標變換的逆變換59
2.3.5繞任意軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣61
2.3.6等效轉(zhuǎn)軸與等效轉(zhuǎn)角63
2.4旋轉(zhuǎn)變換矩陣性質(zhì)與運算法則64
2.4.1旋轉(zhuǎn)變換矩陣的性質(zhì)64
2.4.2旋轉(zhuǎn)變換矩陣的運算法則65
2.5多項式方程解法66
2.5.1對分區(qū)間法67
2.5.2迭代法67
2.5.3牛頓法67
2.6非線性方程組解法68
習(xí)題69
3空間機構(gòu)運動學(xué)71
3.1概述71
3.2構(gòu)件位置和姿態(tài)的矩陣表示方法71
3.2.1構(gòu)件的位置和姿態(tài)72
3.2.2用歐拉角表示的構(gòu)件姿態(tài)72
3.2.3用橫滾角、俯仰角和偏轉(zhuǎn)角表示的構(gòu)件姿態(tài)73
3.2.4用柱面坐標表示構(gòu)件的位置74
3.2.5用球面坐標表示構(gòu)件的位置75
3.3坐標變換解76
3.3.1歐拉變換解76
3.3.2RPY變換解79
3.3.3柱面坐標變換解80
3.3.4球面坐標變換解81
3.3.5位移方程解82
3.4DH坐標與運動分析83
3.4.1DH坐標表示的位置和姿態(tài)矩陣83
3.4.2空間閉鏈機構(gòu)位姿方程86
3.4.3空間閉鏈機構(gòu)位移分析88
3.4.4空間閉鏈機構(gòu)速度與加速度分析91
3.5典型空間機構(gòu)運動學(xué)方程及解93
3.5.1運動學(xué)方程93
3.5.2運動學(xué)方程逆解97
3.6運動學(xué)方程編程方法100
3.7空間機構(gòu)的退化與靈巧特性101
習(xí)題101
4空間機構(gòu)的微分運動107
4.1概述107
4.2微分關(guān)系107
4.3雅可比矩陣108
4.4直角坐標系的微分運動110
4.4.1微分平移111
4.4.2微分旋轉(zhuǎn)111
4.4.3繞任意軸的微分旋轉(zhuǎn)112
4.4.4坐標系的微分變換112
4.5不同坐標系之間的微分運動114
4.5.1微分運動的等價變換114
4.5.2坐標系之間的微分關(guān)系117
4.6雅可比矩陣的計算120
4.6.1矢量積法120
4.6.2微分變換法121
4.7雅可比矩陣的逆124
習(xí)題126
5空間機構(gòu)動力學(xué)與靜力學(xué)128
5.1概述128
5.2平面機構(gòu)動力學(xué)方程129
5.2.1質(zhì)點系的拉格朗日動力學(xué)方程131
5.2.2質(zhì)點系的牛頓歐拉動力學(xué)方程133
5.2.3構(gòu)件系統(tǒng)的拉格朗日動力學(xué)方程135
5.3空間機構(gòu)動力學(xué)方程136
5.3.1構(gòu)件的速度和加速度137
5.3.2構(gòu)件的動能和勢能138
5.3.3動力學(xué)方程的推導(dǎo)141
5.3.4動力學(xué)方程的簡化143
5.3.5二連桿機構(gòu)動力學(xué)方程146
5.4機器人機構(gòu)的動態(tài)特性148
5.4.1機構(gòu)動態(tài)特性概述148
5.4.2機構(gòu)穩(wěn)定性149
5.4.3空間分辨率149
5.4.4機構(gòu)精度分析150
5.4.5重復(fù)定位問題152
5.5空間機構(gòu)靜力學(xué)153
5.5.1力和力矩的表示方法153
5.5.2不同坐標系間的靜力變換154
5.5.3關(guān)節(jié)力矩計算156
5.5.4有效載荷計算157
習(xí)題158
第二篇機器人設(shè)計方法
6機器人機構(gòu)設(shè)計方法165
6.1概述165
6.2機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計165
6.2.1手臂的結(jié)構(gòu)形式165
6.2.2手腕的結(jié)構(gòu)形式166
6.2.3手臂和手腕的機構(gòu)學(xué)關(guān)系167
6.2.4構(gòu)件的姿態(tài)167
6.2.5機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法168
6.3機器人機構(gòu)的尺寸設(shè)計170
6.3.1基于末桿位姿的構(gòu)件參數(shù)設(shè)計170
6.3.2基于末桿活動空間的構(gòu)件參數(shù)設(shè)計175
習(xí)題178
7軌跡規(guī)劃方法179
7.1概述179
7.2路徑與軌跡179
7.3關(guān)節(jié)空間與直角坐標空間180
7.4軌跡規(guī)劃的基本原理181
7.5關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃183
7.5.1三次多項式軌跡規(guī)劃184
7.5.2五次多項式軌跡規(guī)劃186
7.5.3拋物線過渡的線性運動軌跡187
7.5.4具有中間點及用拋物線過渡的線性運動軌跡190
7.5.5高次多項式運動軌跡190
7.5.6其他軌跡193
7.6直角坐標空間軌跡規(guī)劃194
7.7連續(xù)軌跡設(shè)計197
習(xí)題197
8機器人驅(qū)動與傳感器設(shè)計原理199
8.1概述199
8.2驅(qū)動器原理和減速器設(shè)計199
8.2.1液壓驅(qū)動器199
8.2.2氣動驅(qū)動器203
8.2.3電動機203
8.2.4磁致伸縮驅(qū)動器和位移傳感器219
8.2.5形狀記憶金屬驅(qū)動器221
8.2.6精密減速器224
8.3傳感器設(shè)計226
8.3.1機器人傳感器分類與特性226
8.3.2位移傳感器227
8.3.3力和力矩傳感器231
8.3.4觸覺傳感器233
8.3.5接近覺傳感器237
8.4機器視覺基本原理239
8.4.1圖像與圖像信號239
8.4.2圖像處理基礎(chǔ)248
8.4.3圖像分析概述262
習(xí)題268
9機器人智能控制原理269
9.1概述269
9.2智能控制的概念269
9.2.1自動控制發(fā)展趨勢269
9.2.2智能控制發(fā)展歷程270
9.2.3智能控制概念272
9.2.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論273
9.3智能控制系統(tǒng)的分類275
9.3.1遞階控制系統(tǒng)275
9.3.2專家控制系統(tǒng)276
9.3.3模糊控制系統(tǒng)277
9.3.4學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)278
9.3.5神經(jīng)控制系統(tǒng)279
9.3.6進化控制系統(tǒng)280
9.4模糊數(shù)學(xué)邏輯282
9.4.1模糊集合與隸屬度函數(shù)282
9.4.2模糊集合的表示方法283
9.4.3模糊集合的基本運算及其法則284
9.4.4模糊集合與普通集合的關(guān)系285
9.4.5模糊集合的隸屬函數(shù)285
9.5模糊邏輯控制288
9.5.1模糊化方法288
9.5.2模糊推理規(guī)則庫290
9.5.3解模糊化方法291
9.5.4模糊邏輯控制器293
9.5.5模糊邏輯在機器人控制中的應(yīng)用296
9.6工業(yè)機器人控制系統(tǒng)簡介299
9.6.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點299
9.6.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本功能300
9.6.3工業(yè)機器人的控制方式301
9.6.4工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本組成302
習(xí)題303
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