机器人学导论(英文版.第4版)

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内容简介: 《机器人学导论》一直是国外大学教育机器人教学的主要教材,曾作为美国斯坦福大学机器人学导论的教材。本书(原书第4版)在第3版的基础上进行了修订,除了系统地讲解操作臂运动学、操作臂运动学、轨迹生成、操作比的线性/非线性控制等理论知识,还在各章末尾增加了编程习题和MATLAB作业,并就目前人-机接口的新进展进行了描述。本书可作为高年级本科生或者低年级研究生的课程用书,也可供机器人学领域的机械工程师、研发工程师、电气工程师参考。

目录:
1 概述1
2 空间描述和变换21
3 操作臂运动学67
4 操作臂逆运动学109
5 雅克比:速度和静力145
6 操作臂动力学177
7 轨迹生成215
8 操作臂的机构设计245
9 操作臂的线性控制285
10 操作臂的非线性控制315
11 操作臂的力控制351
12 机器人编程语言及编程系统375
13 离线编程系统389
附录A 三角恒等式409
附录B 24种角度组合411
附录C 运动学公式415
精选习题答案417
Contents
1Introduction1
2 Spatial Descriptions and Transformations21
3 Manipulator Kinematics67
4 Inverse Manipulator Kinematics109
5 Jacobians: Velocities and Static Forces145
6 Manipulator Dynamics177
7 Trajectory Generation215
8 Manipulator-Mechanism Design245
9 Linear Control of Manipulators285
10 Nonlinear Control of Manipulators315
11 Force Control of Manipulators351
12 Robot Progrmming Languages and Systems375
13 Off-Line Programming Systems389
A Trigonometric Identities409
B The 24 Angle-Set Conventions411
C Some Inverse-Kinematic Formulas415
Solutions to Selected Exercises417

前言: 前  言科学家们常会感到自己通过研究工作能够不断地认识自我。物理学家认识到了这一点,同样,心理学家和化学家也认识到了这一点。在机器人学的研究中,研究领域和研究者自身之间的关系尤为明显。与仅追求分析的自然科学不同,当前机器人学所追求的是倾向于综合的工程学科。也许正是这个原因,这个领域才让我们当中的许多人为之着迷。
机器人学研究的是怎样综合运用机械、传感器、驱动器和计算机来实现人类某些方面的功能。显然,这是一项庞大的任务,它必然需要运用各种“传统”领域的研究思想。
现今,机器人学诸方面的研究工作都是由不同领域的专家们进行的。通常没有一个人能够完全掌握机器人领域的所有知识。因此,自然有必要对这个研究领域进行划分。在更高的层次上,可把机器人学划分为四个主要领域:机械操作、移动、计算机视觉和人工智能。
本书介绍机械操作的理论和工程知识。这是机器人学的分支学科,它是建立在几个传统学科基础之上的。主要的相关学科有力学、控制理论和计算机科学。在本书中,第1~8章介绍机械工程和数学的主题,第9~11章为控制理论的题材,第12章和第13章属于计算机科学的内容。另外,本书始终强调通过计算解决问题,例如,与力学密切相关的每一章都有一节简要介绍计算方面的问题。
本书源于斯坦福大学1983~1985年秋季学期的“机器人学导论”课程的讲稿。前3版在1986~2016年期间为许多大学所采用。第4版得益于这些教材的广泛应用,并且根据多方面的反馈意见做了修正和改进。在此,向对本书作者提出修正意见的所有人表示感谢。
本书适用于高年级本科生或者低年级研究生课程。选修此课程的学生如果学过静力学和动力学这两门基础课程,同时学习过线性代数,并且能够使用计算机高级语言编程,将有助于他们的学习。此外,虽然不必先修控制理论方面的入门课程,但学过这门课程也是有益的。本书的目标之一是以简单、直观的方式介绍机器人学的知识。特别需要指出的是,虽然本书很多内容选自机械工程领域,但并不要求本书的读者一定得是机械工程师。在斯坦福大学,很多电气工程师、计算机科学家、数学家都认为本书具有很强的可读性。
虽然本书直接由机器人系统的研发工程师使用,但是任何将要从事机器人研究工作的人,应将本书内容看作重要的背景资料。同样,至少从事过某种硬件的软件开发人员以及不直接参与机器人的机械和控制的研究人员,应当具备一些本书提供的背景知识。
与第3版一样,第4版分为13章。本书的材料适合于用一学期的时间来讲授,如果要在半学期内讲授,教师需要略去一些章节。即便如此,仍然无法深入讲解所有专题。本书在编写时从某些方面考虑了这一点,例如,多数章节只采用一种方法去解决常见的问题。编写本书的主要问题之一就是尽量在限定的教学时间内为每个主题合理地分配时间。为此,我的办法是只考虑那些直接影响机器人机械操作学习的材料。
在每章的最后都有一组习题。每道习题题号后的方括号中给出了习题的难度系数。难度系数在[00]和[50]之间。[00]是最简单的题目,[50]是尚未解决的研究性问题。当然,一个人认为困难的问题在另一个人看来可能会觉得容易,因此,一些读者会发现那些难度系数在某些情况下会引起误解。不过,我们尽力评价了这些习题的难度。
每章的末尾都有一个编程作业,学生可以把相应章节的知识应用到一个简单的三关节平面操作臂中。这个简单的操作臂足以用来证明大多数一般操作臂的所有原理,而不必使学生陷入过于复杂的问题中。每个编程作业都建立在前一个作业的基础上,到课程结束时,学生就会得到一个完整的操作臂软件程序库。
第1~9章共有12道使用MATLAB的习题。这些习题由俄亥俄大学的Robert L. Williams II教授编写,我对他所作的贡献深表感谢。这些习题可以配合澳大利亚CSIRO首席研究科学家Peter Corke编写的MATLAB Robotics Toolbox使用。
第1章是机器人学的概述,介绍一些背景资料、基本思想和本书所使用的符号,并预览后面各章的内容。
第2章包括描述三维空间中位置与方法的数学知识。这是极为重要的内容:通过定义机械操作本身与周围空间的移动物体(工件、工具、机器人自身)联系起来。我们需要用一种易于理解并且尽可能直观的方式来描述这些动作。
第3章和第4章讨论机械操作臂的几何问题。介绍机械工程学科中的运动学分支,这个分支研究运动但不考虑引起这种运动的力。在这两章里,我们讨论操作臂运动学,但把研究范围限定在静态定位问题上。
第5章将运动学的研究范围扩展到速度和静力方面。
第6章开始研究引起操作臂运动的力和力矩。这就是操作臂动力学问题。
第7章描述操作臂在空间的运动轨迹。
第8章涉及许多与操作臂机械设计有关的问题。例如,设计多少关节是适宜的、关节的类型应是什么以及如何对它们进行布局。
第9章和第10章研究操作臂的控制方法(通常利用计算机),以准确地跟踪预先设定的空间轨迹。第9章研究线性控制方法,第10章将研究拓展到非线性领域。
第11章讨论操作臂的主动力控制。也就是研究如