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第一篇 空间机构学 3

1 空间机构组成原理 3

1.1 概述 3

1.2 机构自由度 7

1.2.1 空间开链机构自由度计算 8

1.2.2 空间单闭链机构自由度计算 8

1.2.3 空间多闭链机构自由度计算 11

1.3 空间机构组成原理 12

1.3.1 空间单闭链机构的组成 13

1.3.2 空间多闭链机构的组成 15

1.3.3 空间开链机构的组成 18

习题 20

2 空间机构的数学基础 21

2.1 概述 21

2.2 图论 21

2.2.1 图与子图 21

2.2.2 通路的集合和最短通路 27

2.2.3 树理论 31

2.2.4 割集和断集 37

2.2.5 图的矩阵表示 39

2.2.6 平面图 47

2.3 坐标变换矩阵 50

2.3.1 构件的位置和姿态表示方法 51

2.3.2 坐标轴变换矩阵 53

2.3.3 齐次坐标变换 54

2.3.4 齐次坐标变换的逆变换 59

2.3.5 绕任意轴旋转的变换矩阵 61

2.3.6 等效转轴与等效转角 63

2.4 旋转变换矩阵性质与运算法则 64

2.4.1 旋转变换矩阵的性质 64

2.4.2 旋转变换矩阵的运算法则 65

2.5 多项式方程解法 66

2.5.1 对分区间法 67

2.5.2 迭代法 67

2.5.3 牛顿法 67

2.6 非线性方程组解法 68

习题 69

3 空间机构运动学 71

3.1 概述 71

3.2 构件位置和姿态的矩阵表示方法 71

3.2.1 构件的位置和姿态 72

3.2.2 用欧拉角表示的构件姿态 72

3.2.3 用横滚角、俯仰角和偏转角表示的构件姿态 73

3.2.4 用柱面坐标表示构件的位置 74

3.2.5 用球面坐标表示构件的位置 75

3.3 坐标变换解 76

3.3.1 欧拉变换解 76

3.3.2 RPY变换解 79

3.3.3 柱面坐标变换解 80

3.3.4 球面坐标变换解 81

3.3.5 位移方程解 82

3.4 D-H坐标与运动分析 83

3.4.1 D-H坐标表示的位置和姿态矩阵 83

3.4.2 空间闭链机构位姿方程 86

3.4.3 空间闭链机构位移分析 88

3.4.4 空间闭链机构速度与加速度分析 91

3.5 典型空间机构运动学方程及解 93

3.5.1 运动学方程 93

3.5.2 运动学方程逆解 97

3.6 运动学方程编程方法 100

3.7 空间机构的退化与灵巧特性 101

习题 101

4 空间机构的微分运动 107

4.1 概述 107

4.2 微分关系 107

4.3 雅可比矩阵 108

4.4 直角坐标系的微分运动 110

4.4.1 微分平移 111

4.4.2 微分旋转 111

4.4.3 绕任意轴的微分旋转 112

4.4.4 坐标系的微分变换 112

4.5 不同坐标系之间的微分运动 114

4.5.1 微分运动的等价变换 114

4.5.2 坐标系之间的微分关系 117

4.6 雅可比矩阵的计算 120

4.6.1 矢量积法 120

4.6.2 微分变换法 121

4.7 雅可比矩阵的逆 124

习题 126

5 空间机构动力学与静力学 128

5.1 概述 128

5.2 平面机构动力学方程 129

5.2.1 质点系的拉格朗日动力学方程 131

5.2.2 质点系的牛顿-欧拉动力学方程 133

5.2.3 构件系统的拉格朗日动力学方程 135

5.3 空间机构动力学方程 136

5.3.1 构件的速度和加速度 137

5.3.2 构件的动能和势能 138

5.3.3 动力学方程的推导 141

5.3.4 动力学方程的简化 143

5.3.5 二连杆机构动力学方程 146

5.4 机器人机构的动态特性 148

5.4.1 机构动态特性概述 148

5.4.2 机构稳定性 149

5.4.3 空间分辨率 149

5.4.4 机构精度分析 150

5.4.5 重复定位问题 152

5.5 空间机构静力学 153

5.5.1 力和力矩的表示方法 153

5.5.2 不同坐标系间的静力变换 154

5.5.3 关节力矩计算 156

5.5.4 有效载荷计算 157

习题 158

第二篇 机器人设计方法 165

6 机器人机构设计方法 165

6.1 概述 165

6.2 机器人机构的结构设计 165

6.2.1 手臂的结构形式 165

6.2.2 手腕的结构形式 166

6.2.3 手臂和手腕的机构学关系 167

6.2.4 构件的姿态 167

6.2.5 机器人机构的结构设计方法 168

6.3 机器人机构的尺寸设计 170

6.3.1 基于末杆位姿的构件参数设计 170

6.3.2 基于末杆活动空间的构件参数设计 175

习题 178

7 轨迹规划方法 179

7.1 概述 179

7.2 路径与轨迹 179

7.3 关节空间与直角坐标空间 180

7.4 轨迹规划的基本原理 181

7.5 关节空间轨迹规划 183

7.5.1 三次多项式轨迹规划 184

7.5.2 五次多项式轨迹规划 186

7.5.3 抛物线过渡的线性运动轨迹 187

7.5.4 具有中间点及用抛物线过渡的线性运动轨迹 190

7.5.5 高次多项式运动轨迹 190

7.5.6 其他轨迹 193

7.6 直角坐标空间轨迹规划 194

7.7 连续轨迹设计 197

习题 197

8 机器人驱动与传感器设计原理 199

8.1 概述 199

8.2 驱动器原理和减速器设计 199

8.2.1 液压驱动器 199

8.2.2 气动驱动器 203

8.2.3 电动机 203

8.2.4 磁致伸缩驱动器和位移传感器 219

8.2.5 形状记忆金属驱动器 221

8.2.6 精密减速器 224

8.3 传感器设计 226

8.3.1 机器人传感器分类与特性 226

8.3.2 位移传感器 227

8.3.3 力和力矩传感器 231

8.3.4 触觉传感器 233

8.3.5 接近觉传感器 237

8.4 机器视觉基本原理 239

8.4.1 图像与图像信号 239

8.4.2 图像处理基础 248

8.4.3 图像分析概述 262

习题 268

9 机器人智能控制原理 269

9.1 概述 269

9.2 智能控制的概念 269

9.2.1 自动控制发展趋势 269

9.2.2 智能控制发展历程 270

9.2.3 智能控制概念 272

9.2.4 智能控制的结构理论 273

9.3 智能控制系统的分类 275

9.3.1 递阶控制系统 275

9.3.2 专家控制系统 276

9.3.3 模糊控制系统 277

9.3.4 学习控制系统 278

9.3.5 神经控制系统 279

9.3.6 进化控制系统 280

9.4 模糊数学逻辑 282

9.4.1 模糊集合与隶属度函数 282

9.4.2 模糊集合的表示方法 283

9.4.3 模糊集合的基本运算及其法则 284

9.4.4 模糊集合与普通集合的关系 285

9.4.5 模糊集合的隶属函数 285

9.5 模糊逻辑控制 288

9.5.1 模糊化方法 288

9.5.2 模糊推理规则库 290

9.5.3 解模糊化方法 291

9.5.4 模糊逻辑控制器 293

9.5.5 模糊逻辑在机器人控制中的应用 296

9.6 工业机器人控制系统简介 299

9.6.1 工业机器人控制系统的特点 299

9.6.2 工业机器人控制系统的基本功能 300

9.6.3 工业机器人的控制方式 301

9.6.4 工业机器人控制系统的基本组成 302

习题 303