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现代机器人学:机构、规划与控制

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标签: 机器人

机器人

本书系统地介绍了机器人学的基础理论知识,重心放在机器人机构、规划与控制三个方面,为机器人学的入门教材,可纳入到机器人导论的范畴。

全书以现代数学分支之一——旋量理论为工具和桥梁,衔接全书知识体系。这既是书名定为《现代机器人学:机构、规划与控制》的主要依据,也是本书区别其他机器人导论类教材的重要特征。

全书总共13章,第1章为绪论。第2章主要介绍与机器人机构有关的若干基本概念,第3章作为全书的理论基础,详细讨论如何应用旋量理论构建刚体运动模型的过程;第4~7章主要讲述有关机器人运动学方面的基础内容,包括开链机器人正向运动学(第4章)、一阶运动学与静力学(第5章)、逆向运动学(第6章)和并联机器人运动学(第7章)。第8~11章主要讲述有关机器人动力学、规划与控制方面的基础内容,包括开链机器人动力学建模(第8章)、轨迹生成(第9章)与运动规划算法(第10章)以及经典的机器人控制方法等(第11章)。第12~13章主要介绍机器人的两种典型形态—操作手与移动机器人的基础知识与原理。此外,作为正文的补充,增加了4个附录内容,包括全书重要结论、刚体姿态描述方法、D-H参数法以及优化算法等。

本书可作为高年级机器人工程专业本科专业教材或研究生教材,也可作为相关科研人员与工程技术人员参考用书。

译者序

序一

序二

前言

作译者简介

第1章 绪论  1

第2章 位形空间  8

2.1 刚体的自由度  9

2.2 机器人的自由度  10

2.3 位形空间:拓扑与表达  15

2.4 位形与速度约束  18

2.5 任务空间与工作空间  21

2.6 本章小结  23

2.7 推荐阅读  24

习题  24

第3章 刚体运动  34

3.1 平面内的刚体运动  36

3.2 旋转与角速度  40

3.3 刚体运动与运动旋量  53

3.4 力旋量  67

3.5 本章小结  68

3.6 软件  69

3.7 推荐阅读  70

习题  71

第4章 正向运动学  84

4.1 指数积公式  86

4.2 通用机器人的描述格式  94

4.3 本章小结  98

4.4 软件  99

4.5 推荐阅读  99

习题  99

第5章 一阶运动学与静力学  106

5.1 机器人雅可比  110

5.2 开链机器人的静力学  118

5.3 奇异性分析  119

5.4 可操作度  122

5.5 本章小结  124

5.6 软件  125

5.7 推荐阅读  125

习题  125

第6章 逆运动学  134

6.1 逆运动学的解析求解  135

6.2 逆运动学的数值求解  138

6.3 逆向速度运动学  142

6.4 有关闭环的一点说明  143

6.5 本章小结  144

6.6 软件  144

6.7 推荐阅读  144

习题  145

第7章 闭链运动学  150

7.1 正、逆运动学  151

7.2 微分运动学  154

7.3 奇异  157

7.4 本章小结  160

7.5 推荐阅读  160

习题  161

第8章 开链动力学  164

8.1 拉格朗日方程  165

8.2 单刚体动力学  172

8.3 牛顿–欧拉逆动力学  178

8.4 封闭形式的动力学方程  181

8.5 开链机器人的正向动力学  183

8.6 任务空间中的动力学  184

8.7 受约束动力学  185

8.8 URDF中的机器人动力学  187

8.9 驱动、传动和摩擦  187

8.10 本章小结  194

8.11 软件  197

8.12 推荐阅读  199

习题  199

第9章 轨迹生成  202

9.1 定义  202

9.2 点到点的轨迹  202

9.3 多项式中间点的轨迹  208

9.4 时间的时间标度  209

9.5 本章小结  215

9.6 软件  216

9.7 推荐阅读  217

习题  217

第10章 运动规划  221

10.1 运动规划概述  221

10.2 基础知识  224

10.3 完整路径规划器  231

10.4 网格方法  232

10.5 采样方法  239

10.6 虚拟势场  244

10.7 非线性优化  248

10.8 平滑  249

10.9 本章小结  250

10.10 推荐阅读  251

习题  253

第11章 机器人控制  255

11.1 控制系统概述  255

11.2 误差动力学  256

11.3 速度输入的运动控制  261

11.4 力或力矩输入的运动控制  267

11.5 力控制  276

11.6 运动–力混合控制  278

11.7 阻抗控制  281

11.8 底层的关节力/力矩控制  283

11.9 其他议题  285

11.10 本章小结  286

11.11 软件  287

11.12 推荐阅读  288

习题  288

第12章 抓握和操作  294

12.1 接触运动学  295

12.2 接触力和摩擦力  309

12.3 操作  316

12.4 本章小结  321

12.5 推荐阅读  321

习题  322

第13章 轮式移动机器人  328

13.1 轮式移动机器人的类型  328

13.2 全向轮式移动机器人  329

13.3 非完整轮式移动机器人  333

13.4 里程计测距  350

13.5 移动操作  352

13.6 本章小结  354

13.7 推荐阅读  355

习题  356

附录A 重要公式汇总  363

附录B 转动的其他表示方法  369

附录C D-H参数法  376

附录D 优化和拉格朗日乘子  383

参考文献  385

索引  394

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机构、规划与控制
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机器人学译丛
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[美½凯文.M.林奇(½≤ev½∩M.[γ∩c∩)
美½西北大学
[韩½朴钟宇(「『a∩代C.尸a「促)
韩½首尔大学
于靖军贾振中译
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现代机器人学
机构½规划与控制
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●斟½蔑删畏鹏
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图书在版编目(c½尸)数据
现代机器人学:机构、规划与控制/(美)凯文。M林奇(KevjnMLynch),(韩)朴钟宇
(FrankC.Park)著;于靖军,贾振中译.—北京:机械工业出版社, 2019.1()
(机器人学译丛)
书名原文:ModernRobotlcs;Mechanics’Planning’andControl
ISBN978_7-111-63984-8
I.现… IIˉO凯…@朴…O于…@贾… IⅡˉ机器人学
中½版本匿书馆CIP数据核字(2019)第224742号
本书版权登记号:图字0½ˉ20↑9ˉ0729
IV,TP24
This isaSimplifiedˉChineseeditionof thefollowingtitlepublishedbyCambridge
UnjversjtyPress:
½
KevinMLynch, FrankC° Park,ModernRobotlcs:Mechanics, Pla∏ning, a∏dControl
(978ˉ1-316-6O984-2).
◎Kevi∏MLynchandFrankC。Park2017。
ThisSjmplified-Chineseeditlonfor thePeople,sRepublicofChina(excludingHong
Kong,MacauandTaiwan)ispublishedbyarrangeme∏twiththePressSyndlcateof
the
UniversltyofCambridge’Cambridge’UnltedKingdom.
◎CambridgeUniversityPressandChinaMachinePressln202O
ThlsSimplified_ChineseeditionisauthorizedforsalelnthePeople,sRepublicofChina
(excludingHongKong’MacauandTaiwan)only.Unauthorizedexportof
thissimplified
ChineseisaviolationoftheCopyrlghtAct.Nopartofthlspublicationmaybereproduced
ordistributedbyanymeans’ orstoredjnadatabaseorretrieval system,withouttheprior
wrlttenpermlssionofCambrjdgeUniversityPressandChinaMachlnePress.
本书原版由剑桥大学出版社出版。
本书简½字中文版由剑桥大学出版社与机械工业出版社合½出版.未经出版者预先书面许可’不得
以任问方式复制或抄袭本书的任½部分°
此版本仅限在中华人民共和½境内(不包括香港、澳门特别行政区及台湾地区)销售°
本书系统地介绍了机器人学的基础理论知识’重心放在机器人机构、规划与控制3个方面,为机器
人学的人门教材’可纳人机器人导论的范畴°
全书以现代数学分支之_—旋量理论为工具和桥梁,衔接全书知识½系°这既是书名定为现代机
器人学的主要依据’也是本书区别干其他机器人导论类教材的重要特征°
全书总共13章°第1章为绪论;第2章主要介绍与机器人机构有关的若干基本概念;第3章½为
全书的理论基础’详细讨论如½应用旋量理论构建刚½运动模型;第4½7章主要讲述有关机器人运
动学方面的基础内容’包括开链机器人正向运动学(第4章)、_阶运动学与静力学(第5章)、逆运动
学(第6章)剐闭链机器人运动学(第7章)
;第8½11章主要讲述有关机器人动力学、规划与控制方
面的基础内容’包括开链机器人动力学建模(第8章)、½迹生成(第9章)与运动规划算法(第10章)
以及经典的机器人控制方法(第11章)
;第12½13章主要介绍机器人的两种典型½态—操½手与
移动机器人的基础知识与原理°此外’本书还提供4个附½½为正文的补充’包括书中的重要公式、刚
½姿态描述方法、D—H叁数法以及优化算法等°
本书可½为机器人工程专业本科生或砰究生教材’也可½为相关科研人员与工程技术人员的参考用书·
出版发行:机械丁\½
½′出版社(北京市西城区百万庄大街22号
责任编辑:李永泉
刷:北京市荣盛½色印刷有限公司
本:
185mm×260mm
1/16
号;
ISBN978—7—111-63984ˉ8
客服电话:
(010〉88361066
华章½站:wwwˉhzbook.com
版权所有。侵权必究
封底尤防伪标均为盗版
邮政编码l00037)
责任校对:殷虹
次; 2020年1月第1版第1次印刷
张: 25。75
价: 139.0O元
88379833
66326294
投稿热线:(010)88379604
读者信箱: hzjs」@hzbook。com
½
本书法律顾问:北京大戍律师本务所韩光/邹晓东
½
½
½译者序
ModemRobotics:Mechanjcs,Planning’andContTol
2l世纪是机器人的时代。从学术研究到工程应用’机器人引起了学界和工业界越来
越多的关注和兴趣°这种日益浓厚的兴趣也来源于机器人学½为_门综合性学科的多学
科交叉特征’后者是创新的源泉’给社会发展带来了动力°随之而来的是大量科研文献
的产生’如教材、专著和学术论文等°
最近30年’½内外先后出版了多本机器人学导论方面的人门级教材’其中不乏经
典之½。如Craig教授所著的《机器人学导论》已到第4版’½内熊有伦院士等所著
的《机器人学》也½响了很多学者°不过’这些教材目前多½为相关专业的研究生教
科书。
½
随着近几年‘机器人工程’,成为新工科热门专业’与之配套的教材建设便成为½务
之急’尤其是适合本科中½高年级½用的导论性教材’还极其僵乏。
本书就是—本可以为本科生½用的’系统讲授机器人机构、规划与控制等方面基础
知识的教材,也是两½½者历经多年科研与教学实践的呕心之½°Lynch教授与Park教
授½是½前机器人学领域享誉世界的资深学者和知名专家’IEEE机器人学与自动化学会
的资深讲师。
½
类似于大多数机器人学导论教材’本书选取了机器人学中最为经典也最为基础的几
个主题(机构学、½迹生成、运动规划与控制)进行阐述。½译者的感受是,与其他同
类教材不½相同’本书以旋量理论这_现代数学工具½为主线’串连起机器人机构½规
划与控制等主题,既½直观地反映机器人本质特性(学生容易学懂)’又½抓½学科的前
沿’本书书名(现代机器人学)大抵也源于此。此外’本书还具有优秀教材的共同特点:
不仅提供了反映最新学科进展的大量研究型题目,还提供了可免费下½½的½件和讲课视
½
频。不过’在译者看来’本书最可贵的地方在于对机器人基本概念及经典理论的解读非
常细致翔实’而且深人浅出—这点很方便学生自学°
全书总共l3章’按内容可分为4部分。第l章为绪论’也是全书的总论。第2½8
章为机器人机构学基础’其中第2½6章介绍机器人运动学基础知识’也是全书的理论
基础’而第7½8章是对前面内容的补充’涵盖闭链机器人运动学与开链机器人动力学
方面的基础知识°第9½1l章是有关机器人规划与控制方面的概述,侧重算法方面的介
绍°第
l2、l3两章为应用篇’介绍两个重要的典型机器人分支—机器人操½手与移动
机器人的基本原理。
本书可½为机器人工程专业本科生或研究生教材’也可½为相关科研人员与工程技
术人员的参考用书°
本书的两½译者均为从事机器人学研究的中青年学者’也½具有编著及翻译机器人
方面教材和专著的经验°
值得说明的是’本书的翻译工½也是在Lynch教授的大力支持
下开展
并完成的。
IV
本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持’翻译工½同时得到了½家自然科学
基金会(项目编号: 5l5750l7)的大力资助°在此_并表示诚挚的谢意!
在翻译过程中’为了½量保持原文的风格和科学的严谨性’部分语句可½有直译的
痕迹。如有不妥或错误之处’敬请读者和专家批评指正。
读者信箱: hZjSj@hzbook.com。
译者
20l9年6月20日
½
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