機器人學基礎 第4版

蔡自興 IEEE院士和IEEE終身院士（Fellow）、國際導航與運動控制科學院院士、紐約科學院院士、聯合國專家，中南大學教授、博士生導師，湖南省自興人工智能研究院首席科學家。首屆全國高校國家級教學名師獎、吳文俊人工智能科技獎成就獎、徐特立教育獎、寶鋼全國優秀教師獎特等獎獲得者。歷任第八屆湖南省政協副主席和全國政協第九屆和第十屆委員會委員，兼任中國人工智能學會副理事長及智能機器人專業委員會創會主任、IEEE計算智能學會評獎委員會委員和IEEE CIS進化計算技術委員會委員等。我國人工智能、智能控制、機器人學諸學科的學術帶頭人之一，被譽為“中國人工智能教育第一人”、“中國智能機器人學科創始人”和“中國智能控制奠基者”

代序
前言

第1章　緒論1
　1.1　機器人學的發展1
　　　1.1.1　機器人的由來1
　　　1.1.2　機器人的定義2
　　　1.1.3　國際機器人學的進展2
　　　1.1.4　中國機器人學的進展3
　1.2　機器人學的學科結構及機器人與人類的關系6
　1.3　機器人的特點、結構與分類7
　　　1.3.1　機器人的主要特點7
　　　1.3.2　機器人系統的結構7
　　　1.3.3　機器人的自由度8
　　　1.3.4　機器人的分類9
　1.4　機器人學與人工智能12
　　　1.4.1　機器人學與人工智能的關系12
　　　1.4.2　機器人學的研究領域和智能機器人13
　1.5　機器人學的應用領域15
　　　1.5.1　工業機器人15
　　　1.5.2　探索機器人15
　　　1.5.3　服務機器人16
　　　1.5.4　軍用機器人17
　　　1.5.5　具身機器人17
　1.6　機器人技術的現狀和趨勢20
　　　1.6.1　國內外機器人市場20
　　　1.6.2　中國工業機器人市場21
　1.7　本書概要22
　1.8　本章小結23
　習題23

第2章　數理基礎25
　2.1　位置和姿態的表示25
　　　2.1.1　位置描述25
　　　2.1.2　方位描述25
　　　2.1.3　位姿描述26
　2.2　坐標變換27
　　　2.2.1　平移坐標變換27
　　　2.2.2　旋轉坐標變換27
　2.3　齊次坐標變換28
　　　2.3.1　齊次變換28
　　　2.3.2　平移齊次坐標變換30
　　　2.3.3　旋轉齊次坐標變換31
　2.4　物體的變換及逆變換32
　　　2.4.1　物體位置描述32
　　　2.4.2　齊次變換的逆變換33
　　　2.4.3　變換方程初步35
　2.5　通用旋轉變換36
　　　2.5.1　通用旋轉變換公式36
　　　2.5.2　等效轉角與轉軸37
　2.6　本章小結38
　習題39

第3章　機器人運動學41
　3.1　機器人運動方程的表示41
　　　3.1.1　運動姿態和方向角42
　　　3.1.2　運動位置和坐標44
　　　3.1.3　連桿變換矩陣及其乘積45
　3.2　機械手運動方程的求解48
　　　3.2.1　歐拉變換解48
　　　3.2.2　滾仰偏變換解51
　　　3.2.3　球面變換解52
　3.3　PUMA 560機器人運動方程53
　　　3.3.1　PUMA 560運動分析54
　　　3.3.2　PUMA 560運動綜合57
　3.4　本章小結60
　習題61

第4章　機器人動力學65
　4.1　剛體動力學65
　　　4.1.1　剛體的動能與位能66
　　　4.1.2　動力學方程的兩種求法68
　4.2　機械手動力學方程72
　　　4.2.1　速度的計算73
　　　4.2.2　動能和位能的計算74
　　　4.2.3　動力學方程的推導77
　4.3　本章小結78
　習題78

第5章　機器人控制81
　5.1　機器人的基本控制原則81
　　　5.1.1　基本控制原則81
　　　5.1.2　伺服控制系統舉例84
　5.2　機器人的位置控制85
　　　5.2.1　直流傳動系統的建模86
　　　5.2.2　位置控制的基本結構89
　　　5.2.3　單關節位置控制器90
　　　5.2.4　多關節位置控制器97
　5.3　機器人的力和位置混合控制100
　　　5.3.1　力和位置混合控制方案100
　　　5.3.2　力和位置混合控制系統的控制規律102
　5.4　機器人的智能控制106
　　　5.4.1　智能控制系統的分類106
　　　5.4.2　多指靈巧手的神經控制111
　5.5　基於深度學習的機器人控制114
　　　5.5.1　基於深度學習的機器人控制概述114
　　　5.5.2　基於深度學習的機器人控制示例116
　5.6　本章小結119
　習題119

第6章　機器人傳感器122
　6.1　機器人傳感器概述122
　　　6.1.1　機器人傳感器的特點與分類122
　　　6.1.2　應用傳感器時應考慮的因素123
　6.2　內傳感器124
　　　6.2.1　位移/位置傳感器124
　　　6.2.2　速度和加速度傳感器127
　　　6.2.3　力覺傳感器128
　6.3　外傳感器130
　　　6.3.1　觸覺傳感器130
　　　6.3.2　應力傳感器133
　　　6.3.3　接近度傳感器134
　6.4　機器人視覺裝置136
　　　6.4.1　機器人眼136
　　　6.4.2　視頻信號數字變換器137
　　　6.4.3　固態視覺裝置139
　　　6.4.4　激光雷達141
　6.5　本章小結143
　習題143

第7章　機器人軌跡規劃145
　7.1　軌跡規劃應考慮的問題145
　7.2　關節軌跡的插值計算146
　　　7.2.1　三次多項式插值147
　　　7.2.2　過路徑點的三次多項式插值148
　　　7.2.3　高階多項式插值149
　　　7.2.4　用拋物線過渡的線性插值150
　　　7.2.5　過路徑點用拋物線過渡的線性插值151
　7.3　笛卡兒路徑軌跡規劃152
　7.4　規劃軌跡的實時生成158
　7.5　本章小結161
　習題161

第8章　機器人編程163
　8.1　對機器人編程的要求163
　8.2　機器人語言系統的結構和基本功能164
　　　8.2.1　機器人語言系統的結構164
　　　8.2.2　機器人語言系統的基本功能165
　8.3　機器人操作系統166
　8.4　解釋型腳本語言Python169
　　　8.4.1　Python語言的基本數據結構170
　　　8.4.2　選擇結構和循環結構172
　　　8.4.3　Python的函數173
　8.5　基於MATLAB的機器人學仿真174
　　　8.5.1　齊次坐標變換175
　　　8.5.2　機器人對象構建176
　　　8.5.3　機器人運動學求解178
　　　8.5.4　軌跡規劃179
　8.6　機器人的離線編程180
　　　8.6.1　機器人離線編程的特點和主要內容180
　　　8.6.2　機器人離線編程系統的結構182
　8.7　本章小結184
　習題185

參考文獻188