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第1章 概论 1

1.1 机器人的概念 1

1.2 机器人发展历史 2

1.2.1 机器人发展概况 2

1.2.2 中国研制机器人情况 6

1.2.3 机器人技术的发展方向 7

1.3 机器人的分类 9

1.4 机器人技术的应用 9

【思考题】 10

第2章 机器人的总体和机械结构设计 11

2.1 机器人的基本组成及技术参数 11

2.1.1 机器人的基本组成 11

2.1.2 机器人技术参数 12

2.2 机器人总体设计 15

2.2.1 系统分析 15

2.2.2 技术设计 15

2.2.3 仿真分析 19

2.3 机器人机械系统设计 19

2.4.1 关节 23

2.4 传动部件设计 23

2.4.2 传动件的定位和消隙 26

2.4.3 机器人传动机构 29

2.5 行走机构设计 36

2.5.1 车轮式行走机器人 37

2.5.2 脚式行走机器人 38

2.5.3 履带式行走机器人 40

2.5.4 其他行走机器人 41

2.5.5 行走机构设计应注意的问题 41

2.6.1 机身的典型结构 42

2.6 机身设计 42

2.6.2 机身驱动力(力矩)计算 44

2.6.3 机身设计要注意的问题 46

2.7 臂部设计 46

2.7.1 臂部设计的基本要求 46

2.7.2 臂部的典型机构 47

2.7.3 臂部运动驱动力计算 48

2.8 手腕设计 49

2.8.1 手腕的自由度和设计时应注意的问题 49

2.8.2 腕部的曲型结构 50

2.8.3 腕部驱支力矩的计算 52

2.9.1 机器人手部的功能 53

2.9.2 手部的分类及工作原理 53

2.9 手部设计 53

2.9.3 空气负压式手部的吸力计算 58

【思考题】 58

第3章 机器人运动学 60

3.1 刚体的位姿描述 60

3.1.1 位置的描述 60

3.1.2 方位的描述 60

3.1.4 手爪坐标系 61

3.1.3 位姿的描述 61

3.2 坐标变换 62

3.3 齐次坐标和齐次变换 63

3.3.1 齐次坐标 63

3.3.2 齐次变换 63

3.4 齐次变换矩阵的运算 65

3.5 机器人常用坐标系及变换方程 67

3.6 欧拉变换与RPY变换 68

3.6.1 欧拉角与欧拉变换 68

3.6.2 RPY角与RPY变换 69

3.6.3 机械手欧拉腕和RPY腕 70

3.7 机器人连杆参数及其D-H坐标变换 71

3.7.1 连杆参数 71

3.7.2 连杆坐标系及连杆的D-H坐标变换 72

3.8 机器人运动学方程 74

3.8.1 运动学方程 74

3.8.2 典型机器人运动学方程 75

3.9.1 机器人运动学逆解有关问题 84

3.9.2 典型臂运动学逆解 84

3.9 机器人逆运动学 84

3.9.3 机器人运动学逆解 87

【思考题】 90

第4章 微分运动和雅可比矩阵 93

4.1 雅可比矩阵的定义 93

4.2 微分运动与广义速度 94

4.3 雅可比矩阵的构造法 96

4.3.1 矢量积法 97

4.3.2 微分变换法 97

4.4 PUMA560机器人的雅可比矩阵 98

4.5 斯坦福机器人的雅可比矩阵 100

4.6 逆雅可比矩阵及广义逆雅可比矩阵 101

4.6.1 逆雅可比矩阵 101

4.6.2 广义逆(伪逆)雅可比矩阵 101

4.6.3 雅可比矩阵的奇异性 103

4.7 力雅可比 103

4.8 加速度关系 104

【思考题】 104

第5章 机器人动力学 106

5.1 牛顿--欧拉运动方程 106

5.2 拉格朗日动力学 110

5.3 关节空间和操作空间动力学 112

【思考题】 113

第6章 轨迹规划和生成 114

6.1 机器人规划的基本概念 114

6.2 关节空间法 116

6.2.1 三次多项式函数插值 116

6.2.2 抛物线连接的线性函数插值 120

6.3 直角坐标空间法 125

6.3.1 线性函数插值 125

6.3.2 圆弧插值 127

6.4 轨迹的实时生成 129

6.3.3 与关节空间法的比较 129

6.4.1 采用关节空间法时的轨迹生成 130

6.4.2 采用直角坐标空间法的轨迹生成 131

6.5 路径的描述 132

6.6 进一步的规划研究 133

6.6.1 利用动力学模型的轨迹规划 133

6.6.2 任务规划 133

【思考题】 134

7.1.1 机器人控制系统的特性和基本要求 135

第7章 机器人控制 135

7.1 机器人控制综述 135

7.1.2 机器人控制方法的分类 136

7.2 机器人控制系统的一般构成 141

7.2.1 机器人控制的分层概念 141

7.2.2 机器人控制系统的硬件构成 142

7.2.3 机器人软件伺服控制器 144

7.3 机器人独立关节控制 146

7.3.1 以直流伺服电动机为驱动器的单关节控制 146

7.3.2 以交流电机为驱动器的单关节控制 150

7.4 速度控制 152

7.5 加速度控制 153

7.6 机器人的力控制技术 155

7.7 机器人作业示教控制法 157

7.7.1 示教法的分类 158

7.7.2 示教信息的使用方法 163

【思考题】 165

8.1 传感器基本分类 167

第8章 机器人传感器 167

8.2 内传感器 168

8.3 外传感器 177

8.3.1 视觉传感器 177

8.3.2 触觉传感器 180

8.3.3 力觉传感器 185

8.3.4 接近觉传感器 188

【思考题】 190

第9章 机器人视觉技术 191

9.1 机器人视觉系统的基本原理 191

9.2.1 摄像机的几何模型 192

9.2 摄像机的图像生成模型 192

9.2.2 摄像机的光学模型 195

9.3 图像的初级处理 197

9.3.1 图像的预处理 197

9.3.2 图像的分离方法 199

9.3.3 图像的重心位置及惯性矩计算 202

9.4 机器人视觉系统实例 203

【思考题】 206

10.1 机器人在制造业中的应用 207

10.1.1 焊接机器人 207

第10章 机器人的应用 207

10.1.2 喷漆机器人 213

10.1.3 装配机器人 216

10.1.4 检查、测量机器人 221

10.1.5 净化机器人与真空机器人 224

10.1.6 移动式搬运机器人 227

10.2 非制造业用机器人的开发现状和技术课题 230

10.2.1 现状 230

10.2.2 未来的方向 233

附录 235

参考文献 249

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