机器人技术与应用

本书为高等工科院校“机器人技术与应用”课程教材。主要内容包括：机器人及其技术的概论，机器人坐标变换及运动学与动力学建模方法，机器人的控制理论与技术，机器人感知和智能，机器人设计技术，工业机器人和特种机器人的具体应用。 本书适用于高等院校机械工程和其他工程类专业师生和从事机器人科学与系统研究、设计、制造和应用的工程技术人员学习和参考。

各种机器人的创造一直是人类的梦想和追求，也是21世纪科技发展的热点之一，其发展具有创新和战略性，对国民经济和国家安全具有巨大影响。 机器人技术建立在多学科发展的基础之上，具有应用领域广、技术新、学科综合与交叉性强等特点。传统的机器人技术涉及机械学、电子学、自动控制等学科；现代机器人技术则综合了更加广泛的学科和技术领域，如计算机技术、仿生学、生物工程、人工智能、材料、微机械、信息工程、遥感等。各种各样的机器人不但已经成为现代高科技的应用载体，而且自身也迅速发展成为一个相对独立的研究与交叉技术领域，形成了特有的理论研究和学术发展方向，具有鲜明的学科特色。 基于机器人技术的特色与发展，随着清华大学教学改革的深入，清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所在2004年秋季将机器人基础理论与技术类课程引入本科教学课程体系，第一次面向全校工程类学生开设“机器人技术与应用”课程。开设这门新课程的目的是使学生在掌握机器人学科基本理论与技术知识的同时，强化交叉学科知识，开阔眼界，提高实践能力、想象力和创造力，培养创新精神。 为配合这门新课程的教学，编者结合现代机器人技术的新发展，融入编者近年的科学研究成果，在经过了两届课程讲义试用的基础上，正式编写出版了这本教材。 本教材力图在精练地阐述机器人基础理论与技术方法的基础上，通过大量典型机器人系统实例和例题的分析与讨论，将机器人学科理论与技术进行系统的融合与贯通，以利于读者完整和具体地了解与掌握机器人理论和技术知识基础体系，为所学知识的应用、扩展和深化奠定扎实的基础。 全书由陈恳、刘莉和杨向东主编，其中第1章、第3章、第5章、第6章由陈恳、付成龙、宋章军编写，第2章由杨向东、杨东超和熊璟编写，第4章由刘莉编写。张伯鹏教授审阅了书稿。清华大学精密仪器与机械学系机器人及其自动化研究室的其他同事和研究生也对稿件的完成提供了无私的支持和帮助。由于机器人技术及其相关学科发展迅速，限于作者水平，本书难免存在不足，在此恳请读者提出宝贵意见。 编著者 2006年6月于清华园

1绪论1 1.1机器人的发展与概念1 1.1.1机器人及其技术的发展历史1 1.1.2基本术语、定义与概念6 1.1.3未来展望8 1.2机器人的分类与组成9 1.2.1基本分类9 1.2.2结构组成及其功能11 1.2.3执行机构的自由度布置形式13 1.3机器人学的相关理论与技术16 1.3.1基础理论17 1.3.2技术与方法17 1.4本书主要内容17 习题18 2机器人学的基础理论19 2.1刚体的位姿描述19 2.1.1刚体旋转运动19 2.1.2旋转矩阵20 2.1.3坐标变换与齐次坐标27 2.1.4刚体的位姿描述29 2.2机器人运动学与静力学31 2.2.1Denavit-Hartenberg描述方法与连杆坐标系建立31 2.2.2操作臂运动学方程34 2.2.3可解耦操作臂的逆运动学问题36 2.2.4串联操作臂速度和加速度分析44 2.2.5操作臂的奇异性48 2.2.6串联操作臂的静力学分析50 2.2.7操作性能指标50 2.3机器人动力学52 2.3.1操作臂的牛顿\|欧拉方程52 2.3.2操作臂的拉格朗日方程56 习题57 3机器人控制理论与技术61 3.1机器人控制问题61 3.1.1前言61 3.1.2控制系统组成结构63 3.1.3控制性能要求64 3.2机器人的轨迹控制65 3.2.1问题描述66 3.2.2单关节轨迹控制66 3.2.3多关节的计算力矩控制70 3.2.4多关节的PD控制72 3.2.5工作空间控制72 3.3机器人的力控制74 3.3.1问题描述74 3.3.2阻抗控制76 3.3.3混合控制77 3.4机器人的高级智能动态控制78 3.4.1问题描述78 3.4.2自适应控制79 3.4.3学习控制83 3.5机器人的生物控制86 3.5.1行为主义控制理论86 3.5.2中枢模式发生器87 3.5.3仿生遗传算法控制89 3.6多机器人控制91 3.6.1多机器人体系结构91 3.6.2多机器人的通信92 3.6.3多机器人的学习93 3.6.4多机器人的协调93 3.7机器人控制系统94 3.7.1工业机器人控制系统94 3.7.2仿人机器人控制系统96 3.7.3特种机器人控制系统102 习题104 4机器人感知与智能106 4.1基本概念与相关理论106 4.1.1机器人信息检测与分析方法106 4.1.2机器人感知系统108 4.1.3多传感器系统与信息融合111 4.1.4机器人与人工智能111 4.2机器人感觉与传感器112 4.2.1力觉与传感器112 4.2.2触觉与传感器116 4.2.3接近觉与传感器120 4.2.4听觉与传感器122 4.2.5视觉与传感器123 4.2.6嗅觉与传感器127 4.3机器人信息识别、表达与融合127 4.3.1触觉信息识别127 4.3.2视觉信息识别129 4.3.3语音合成与识别133 4.3.4多传感器信息融合理论与算法135 4.4机器人智能136 4.4.1环境模型的描述137 4.4.2基于传感信息的规划问题137 4.4.3学习与推理138 4.4.4人机交互139 4.5感知与智能应用系统实例139 4.5.1多传感器智能手爪与作业139 4.5.2机器人情感表达系统143 4.5.3仿人机器人智能行走系统146 习题158 5机器人设计技术159 5.1设计方法与设计原则159 5.1.1一般设计技术方法159 5.1.2仿生设计技术方法165 5.2一般工业机器人系统设计167 5.2.1设计参数与指标167 5.2.2系统总体功能和结构方案设计169 5.2.3分系统详细设计及实现169 5.2.4系统内外部接口设计172 5.3特种机器人系统设计172 5.3.1通风管道清扫机器人设计173 5.3.2仿人机器人设计180 5.3.3油罐检测爬壁机器人设计185 5.3.4ZXPJ01型消防机器人设计196 习题201 6机器人及其技术应用202 6.1机器人的应用概况202 6.1.1全球机器人应用概况202 6.1.2我国机器人应用概况203 6.2工业机器人的应用205 6.2.1机器人制造系统205 6.2.2工业机器人系统应用实例207 6.3特种机器人的应用218 6.3.1特种机器人系统218 6.3.2特种机器人系统应用实例218 习题225 参考文献226