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第1章 引言1

1.1 机器人学1

1.2 机器人机械结构3

1.2.1 机器人机械手3

1.2.2 移动机器人7

1.3 工业机器人学10

1.4 先进机器人学18

1.4.1 野外机器人18

1.4.2 服务机器人19

1.5 机器人建模、规划与控制22

1.5.1 建模22

1.5.2 规划22

1.5.3 控制23

参考资料24

第2章 运动学28

2.1 刚体的姿态28

2.2 旋转矩阵29

2.2.1 基本旋转29

2.2.2 向量的表示30

2.2.3 向量的旋转32

2.3 旋转矩阵的合成32

2.4 欧拉角34

2.4.1 ZYZ角35

2.4.2 RPY角36

2.5 角和轴37

2.6 单位四元数39

2.7 齐次变换40

2.8 正运动学41

2.8.1 开链43

2.8.2 Denavit-Hartenberg法44

2.8.3 闭链46

2.9 典型机械手结构运动学49

2.9.1 三连杆平面臂49

2.9.2 平行四边形臂51

2.9.3 球形臂53

2.9.4 拟人臂54

2.9.5 球形腕55

2.9.6 斯坦福机械手56

2.9.7 带球形腕的拟人臂57

2.9.8 DLR机械手59

2.9.9 类人机械手61

2.10 关节空间与操作空间62

2.10.1 工作空间64

2.10.2 运动学冗余65

2.11 运动学标定66

2.12 逆运动学问题67

2.12.1 三连杆平面臂的求解68

2.12.2 带球形腕机械手的求解70

2.12.3 球形臂的求解71

2.12.4 拟人臂的求解71

2.12.5 球形腕的求解74

参考资料74

习题74

第3章 微分运动学和静力学77

3.1 几何雅可比矩阵77

3.1.1 旋转矩阵求导78

3.1.2 连杆速度79

3.1.3 雅可比矩阵计算81

3.2 典型机械手结构的雅可比矩阵83

3.2.1 三连杆平面臂83

3.2.2 拟人臂84

3.2.3 斯坦福机械手85

3.3 运动学奇点85

3.3.1 奇点解耦87

3.3.2 腕奇点87

3.3.3 臂奇点88

3.4 冗余分析89

3.5 逆微分运动学91

3.5.1 冗余机械手91

3.5.2 运动学奇点93

3.6 分析雅可比矩阵94

3.7 逆运动学算法97

3.7.1 （广义-）逆雅可比矩阵98

3.7.2 雅可比矩阵转置99

3.7.3 方向误差101

3.7.4 二阶算法104

3.7.5 逆运动学算法之间的对比105

3.8 静力学108

3.8.1 运动静力学二元性109

3.8.2 速度和力变换110

3.8.3 闭链111

3.9 可操纵性椭球体112

参考资料116

习题116

第4章 轨迹规划118

4.1 路径和轨迹118

4.2 关节空间轨迹119

4.2.1 点对点运动119

4.2.2 通过系列点的运动123

4.3 操作空间轨迹131

4.3.1 路径基元132

4.3.2 位置134

4.3.3 指向136

参考资料137

习题138

第5章 执行器与传感器139

5.1 关节执行系统139

5.1.1 传动装置140

5.1.2 伺服发动机140

5.1.3 功率放大器。143

5.1.4 能源143

5.2 驱动144

5.2.1 电气驱动144

5.2.2 液压驱动147

5.2.3 传动装置影响148

5.2.4 位置控制150

5.3 本体传感器152

5.3.1 位置传感器152

5.3.2 速度传感器155

5.4 外部传感器155

5.4.1 力传感器155

5.4.2 距离传感器158

5.4.3 视觉传感器162

参考资料166

习题166

第6章 控制体系167

6.1 功能体系167

6.2 编程环境170

6.2.1 示教171

6.2.2 面向机器人编程172

6.3 硬件体系173

参考资料175

习题175

第7章 动力学177

7.1 拉格朗日公式177

7.1.1 动能计算178

7.1.2 势能计算182

7.1.3 运动方程183

7.2 动力学模型的典型性质184

7.2.1 矩阵阵？-2C的反对称性184

7.2.2 动力学参数的线性性186

7.3 简单机械手结构的动力学模型189

7.3.1 两连杆笛卡儿臂189

7.3.2 两连杆平面臂190

7.3.3 平行四边形臂198

7.4 动力学参数辨识202

7.5 牛顿-欧拉公式204

7.5.1 连杆加速度206

7.5.2 递归算法207

7.5.3 示例209

7.6 动力学正解与逆解问题211

7.7 轨迹的动态标度213

7.8 操作空间动力学模型214

7.9 动力学可操作椭球216

参考资料217

习题218

第8章 运动控制220

8.1 控制问题220

8.2 关节空间控制221

8.3 分散控制224

8.3.1 独立关节控制225

8.3.2 分散前馈补偿232

8.4 计算转矩前馈控制235

8.5 集中控制237

8.5.1 重力补偿PD控制238

8.5.2 逆动力学控制239

8.5.3 鲁棒控制241

8.5.4 自适应控制246

8.6 操作空间控制249

8.6.1 总体方案249

8.6.2 重力补偿PD控制250

8.6.3 逆动力学控制252

8.7 不同控制方案的比较253

参考资料263

习题263

第9章 力控制265

9.1 机械手与外部环境的交互265

9.2 柔量控制266

9.2.1 被动柔量266

9.2.2 主动柔量267

9.3 阻抗控制271

9.4 力控制275

9.4.1 包含内位置回路的力控制276

9.4.2 包含内速度回路的力控制277

9.4.3 并联力／位置控制277

9.5 约束运动280

9.5.1 刚性环境280

9.5.2 柔性环境283

9.6 自然约束与人工约束284

9.6.1 任务分析285

9.7 混合力／力矩控制288

9.7.1 柔性环境289

9.7.2 刚性环境292

参考资料294

习题294

第10章 视觉伺服系统296

10.1 用于控制的视觉296

10.1.1 视觉系统配置297

10.2 图像处理298

10.2.1 图像分割298

10.2.2 图像解释301

10.3 位姿估计303

10.3.1 解析解303

10.3.2 相互作用矩阵307

10.3.3 算法解310

10.4 立体视觉314

10.4.1 核面几何314

10.4.2 三角测量315

10.4.3 绝对定向316

10.4.4 根据平面单应性实现的3D重建317

10.5 相机标定318

10.6 视觉伺服问题320

10.7 基于位置的视觉伺服322

10.7.1 重力补偿PD控制323

10.7.2 速度分解控制323

10.8 基于图像的视觉伺服325

10.8.1 重力补偿PD控制325

10.8.2 速度分解控制326

10.9 不同控制方案之间的比较328

10.10 复合视觉伺服333

参考资料337

习题337

第11章 移动机器人339

11.1 非完整约束339

11.1.1 可积性条件341

11.2 运动学模型344

11.2.1 独轮车345

11.2.2 两轮车346

11.3 链式系统348

11.4 动力学模型351

11.5 规划353

11.5.1 规划和时间律354

11.5.2 平滑输出355

11.5.3 路径规划356

11.5.4 轨迹规划360

11.5.5 最优轨迹361

11.6 运动控制363

11.6.1 轨迹跟踪364

11.6.2 校正369

11.7 里程定位372

参考资料374

习题375

第12章 运动规划377

12.1 问题的规范描述377

12.2 位形空间378

12.2.1 距离379

12.2.2 障碍380

12.2.3 障碍举例380

12.3 基于回缩的路径规划383

12.4 基于单元分解的路径规划386

12.4.1 精确分解386

12.4.2 近似分解388

12.5 概率规划390

12.5.1 PRM方法390

12.5.2 双向RRT方法391

12.6 基于人工势场的规划方法393

12.6.1 引力势场393

12.6.2 斥力势场394

12.6.3 总势场396

12.6.4 规划方法396

12.6.5 局部极小值问题397

12.7 机器人机械手情形399

参考资料401

习题401

附录A 线性代数403

A.1 定义403

A.2 矩阵运算404

A.3 向量运算407

A.4 线性变换409

A.5 特征值与特征向量410

A.6 双线性型与二次型411

A.7 广义逆412

A.8 奇异值分解413

参考资料414

附录B 刚体力学415

B.1 运动学415

B.2 动力学416

B.3 功与能419

B.4 约束系统419

参考资料421

附录C 反馈控制422

C.1 线性系统单输入／单输出控制422

C.2 非线性机械系统的控制426

C.3 李亚普诺夫直接法427

参考资料429

附录D 微分几何430

D.1 向量场与李氏括号430

D.2 非线性可控性432

参考资料434

附录E 图搜索算法435

E.1 复杂度435

E.2 广度优先搜索和深度优先搜索436

E.3 A算法436

参考资料437

参考文献438

索引453