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| 內容簡介： |
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本书重点阐述机器人系统动力学和控制的基本原理，并展示了如何计算和使用分析工具（如matlab、mathematica和maple）来进行机器人系统设计。
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译者序前言第1章 绪论1 1.1 写作目的1 1.2 机器人系统的起源3 1.3 机器人系统的总体结构4 1.4 机械手5 1.4.1 机械手的典型结构6 1.4.2 机械手的分类7 1.4.3 机械手示例9 1.4.4 球形手腕12 1.4.5 关节型机器人13 1.5 移动机器人13 1.5.1 仿人机器人13 1.5.2 自主地面车辆14 1.5.3 无人机15 1.5.4 自主海上航行器15 1.6 机器人动力学与控制问题概述16 1.6.1 正向运动学17 1.6.2 逆向运动学18 1.6.3 正向动力学18 1.6.4 逆向动力学和反馈控制19 1.6.5 机器人车辆的动力学与控制20 1.7 本书主要内容20 1.8 习题21第2章 运动学基础23 2.1 基和坐标系23 2.1.1 N-元组和M×N阵列24 2.1.2 向量、基和坐标系25 2.2 旋转矩阵31 2.3 旋转矩阵的参数化33 2.3.1 单轴旋转34 2.3.2 旋转矩阵的级联36 2.3.3 欧拉角37 2.3.4 轴角度参数化42 2.4 位置、速度和加速度44 2.5 角速度和角加速度49 2.5.1 角速度49 2.5.2 角加速度53 2.6 运动学理论53 2.6.1 角速度的加法53 2.6.2 相对速度55 2.6.3 相对加速度56 2.6.4 常见坐标系58 2.7 习题60 2.7.1 关于N-元组和M×N数组的习题60 2.7.2 关于向量、基和坐标系的习题61 2.7.3 关于旋转矩阵的习题62 2.7.4 关于位置、速度和加速度的习题65 2.7.5 关于角速度的习题65 2.7.6 关于运动学理论的习题66 2.7.7 关于相对速度和加速度的习题66 2.7.8 关于常见坐标系的习题68第3章 机器人系统运动学69 3.1 齐次变换与刚体运动69 3.2 理想关节73 3.2.1 移动关节74 3.2.2 转动关节74 3.2.3 其他理想关节75 3.3 Denavit-Hartenberg约定77 3.3.1 DH约定中的运动链与编号77 3.3.2 DH约定中坐标系的定义78 3.3.3 DH约定中的齐次变换78 3.3.4 DH步骤80 3.3.5 DH约定中的角速度与速度84 3.4 正向运动学的递归O(N)公式87 3.4.1 速度和角速度的递归计算89 3.4.2 效率和计算成本91 3.4.3 加速度和角加速度的递归计算94 3.5 逆向运动学104 3.5.1 可解性104 3.5.2 解析法106 3.5.3 优化方法115 3.5.4 逆速度运动学119 3.6 习题120 3.6.1 关于齐次变换的习题120 3.6.2 关于理想关节及约束的习题121 3.6.3 关于DH约定的习题122 3.6.4 关于运动链角速度和速度的习题122 3.6.5 关于逆向运动学的习题125第4章 牛顿欧拉方程126 4.1 刚体的线性动量126 4.2 刚体的角动量129 4.2.1 基本原理129 4.2.2 角动量和惯性133 4.2.3 惯性矩阵的计算136 4.3 牛顿欧拉方程146 4.4 刚体的欧拉方程149 4.5 机械系统的运动方程150 4.5.1 总体方法150 4.5.2 受力图151 4.6 控制方程的结构：牛顿欧拉方程164 4.6.1 微分代数方程164 4.6.2 常微分方程166 4.7 递归牛顿欧拉方程167 4.8 运动方程的递归推导173 4.9 习题175 4.9.1 关于线性动量的习题175 4.9.2 关于质心的习题177 4.9.3 关于惯性矩阵的习题179 4.9.4 关于角动量的习题180 4.9.5 关于牛顿欧拉方程的习题181第5章 分析力学182 5.1 哈密顿原理182 5.1.1 广义坐标182 5.1.2 泛函与变分法183 5.1.3 保守系统的哈密顿原理186 5.1.4 刚体的动能191 5.2 保守系统的拉格朗日方程194 5.3 哈密顿扩展原理196 5.4 用于机器人系统的拉格朗日方程207 5.4.1 自然系统207 5.4.2 拉格朗日方程和D-H约定210 5.5 约束系统212 5.6 习题215 5.6.1 关于哈密顿原理的习题215 5.6.2 关于拉格朗日方程的习题217 5.6.3 关于哈密顿扩展原理的习题217 5.6.4 关于约束系统的习题221第6章 机器人系统的控制222 6.1 控制问题的结构222 6.1.1 定点和跟踪反馈控制问题223 6.1.2 开环和闭环控制223 6.1.3 线性与非线性控制223 6.2 稳定性理论的基础224 6.3 先进稳定性理论技术229 6.4 李雅普诺夫直接方法230 6.5 不变性原则232 6.6 动态逆或计算力矩方法236 6.7 近似动态逆和模糊性243 6.8 基于无源性的控制器253 6.9 执行器模型256 6.9.1 电动
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本书为研究机器人系统的动力学和控制提供了现代、系统、全面的理论背景。书中强调了动力学和控制的基本原理，这些原理可用于各种当代应用中。因此，本书的目标是不仅详细介绍机器人学的原理，而且还提供适用于现实机器人系统的方法论。这些机器人系统包括：经典的工业机械臂、仿人机器人、自主地面车辆、自主航空器、自主航海器、机器人手术助手、太空飞行器和数控铣床。现代机器人系统本质上是复杂的，其动力学表达和控制分析也很复杂。创作本书的主要动力之一，是展示现代计算和分析工具如何扩展和提高我们解决机器人问题的能力。即使在几年前，现代机器人系统的复杂性也使得除了简单的例子之外，所有的人工方法都难以实现。常见机器人系统的动力学模型建立曾经过于烦琐，不适合在课堂教学。在过去的几十年里，符号、数值和通用计算引擎的出现与本书所要解决的问题尤为相关。随着MATLAB、Mathematica、Maple等更高层次的计算环境和类似程序的出现，本科生和研究生可以解决的问题范围急剧扩大。这些工具使学生能够把注意力集中在原理和理论上，并把他们从乏味的代数训练中解放出来，因为这些训练事实上分散了对技术基础的注意力。我们认为，关键是使学生更集中精力于系统地应用基本原理。本书是作者根据多年来教授动力学、控制和机器人学课程的积累撰写的。这些课程已经在美国的几所大学教授过，同时，授课内容和方法也在不断发展。本书可作为高年级本科生或研究生一年级的动力学、控制和机器人学课程的两个学期教材。为本科生高年级开设的课程可以侧重于应用于机器人系统的运动学和动力学基础。学期可主要从第2章、第3章和第4章中的主题来展开，并少许涉及第5章中的内容。第二学期可以重点学习第5章的分析力学和第6章机器人系统的控制理论。特定的高级主题，如第3章和第4章中的N阶递归公式或第7章中基于视觉的控制方法，也可以在第二学期中涉及。作者试图努力证明，通过使用现代计算和分析工具，机器人系统的各种设计和分析问题都变得更加容易解决。为此，书中包含了大量的例子和问题。许多例子或问题的求解都是利用MATLAB、Simulink或Mathematica，或它们的结合进行的。重要的是，使用本书的学生要认识到，作者并不是在提倡使用某种特定的计算工具，而是在倡导一种共同的理念。对于本书中的几乎每一个问题，计算工具都是可以互换的：学生可以使用自己熟悉的任何软件包，但理论基础是不可替代的，它是解决任何具体问题的共同语言。本书的配套资源MATLAB Workbook for DCRS，可以访问华章图书官网http:www. hzbook.com，通过注册并登录个人账号下载。致谢感谢William S.Rone对本书内容的审阅和对书中图表的奉献，感谢Jessica G.Gregory对本书的审阅。
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