机器人建模与控制

内容概要

作者：（美国）马克W.斯庞（Mark W.Spong） （美国）赛斯·哈钦森（Seth Hutchinson） （美国）M.维德雅萨加（M.Vidyasagar） 译者：贾振中

马克W.斯庞（Mark W.Spong），美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）的Donald Biggar Willettl程学教授（原书出版时，2006年）。Spong博士于2005年担任IEEE控制系统协会（IEEE Control Systems Society）主席，他曾担任《IEEE控制系统技术汇刊》（IEEE Transactions on Control Systems Technology）的主编。Spong博士现为得克萨斯大学达拉斯分校工程和计算机科学学院院长。

赛斯·哈钦森（Seth Hutchinson），现为美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）教授。他是《IEEE机器人学与自动化汇刊》（IEEE Transactions on Robotics and Automation）的高级编辑，在机器人和计算机视觉方面发表了多篇论文。Hutchinson博士曾担任《IEEE机器人学汇刊》（IEEE Transactions on Robotics）的主编，该期刊是由IEEE机器人学和自动化协会（IEEE Robotics and Automation Society，RAS）主办的机器人领域的顶尖期刊之一。

M.维德雅萨加（M.Vidyasagar），现为印度IT公司——塔塔咨询服务公司（Tata Consultancy Services，TCS）主管高新技术的执行副主席。Vidyasagart尊士曾担任印度国防部下属的人工智能和机器人研究中心（Centre for Artificial Intelligence and Robotics，CAIR）主任，于2000年获得IEEE控制领域至高奖——Bode Lecture Prize。

书籍目录

目录

译者序

前言

第1章导论

1.1机器人的数学模型

1.1.1机器人的符号表示

1.1.2位形空间

1.1.3状态空间

1.1.4工作空间

1.2机器人作为一种机械装置

1.2.1机器人机械臂的分类

1.2.2机器人系统

1.2.3精度和重复精度

1.2.4手腕和末端执行器

1.3常见的运动学配置

1.3.1关节型机械臂（RRR）

1.3.2球坐标机械臂（RRP）

1.3.3SCARA型机械臂（RRP）

1.3.4圆柱型机械臂（RPP）

1.3.5笛卡儿型机械臂（PPP）

1.3.6并联机械臂

1.4本书概要

习题

附注与参考

第2章刚性运动和齐次变换

2.1位置的表示方法

2.2旋转的表示方法

2.2.1平面内的旋转

2.2.2三维空间内的旋转

2.3旋转变换

2.3.1相似变换

2.4旋转的叠加

2.4.1相对于当前坐标系的旋转

2.4.2相对于固定坐标系的旋转

2.4.3旋转变换的叠加定律

2.5旋转的参数化

2.5.1欧拉角

2.5.2滚动角、俯仰角和偏航角

2.5.3转轴／角度表示

2.6刚性运动

2.7齐次变换

2.8本章总结

习题

附注与参考

第3章正运动学和逆运动学

3.1运动链

3.2Denavit—Hartenberg约定

3.2.1存在和唯 一性问题

3.2.2坐标系的配置

3.2.3实例

3.3逆运动学

3.3.1一般的逆运动学问题

3.3.2运动解耦

3.3.3逆向位置：一种几何方法

3.3.4关节型位形

3.3.5球坐标型位形

3.3.6逆向姿态

3.4本章总结

习题

附注与参考

第4章速度运动学——雅可比矩阵

4.1角速度：固定转轴情形

4.2反对称矩阵

4.2.1反对称矩阵的性质

4.2.2旋转矩阵的导数

4.3角速度：一般情况

4.4角速度求和

4.5移动坐标系上点的线速度

4.6雅可比矩阵的推导

4.6.1角速度

4.6.2线速度

4.6.3线速度和角速度雅可比矩阵的叠加

4.7工具速度

4.8分析雅可比矩阵

4.9奇点

4.9.1奇点解耦

4.9.2手腕奇点

4.9.3手臂奇点

4.10静态力／力矩关系

4.11逆速度和加速度

4.12可操作性

4.13本章总结

习题

附注与参考

第5章路径和轨迹规划

5.1位形空间

5.2基于势场的路径规划

5.2.1引力场

5.2.2斥力场

5.2.3将工作空间力映射到关节力矩

5.2.4梯度下降规划

5.3逃离局部最小值

5.4概率路线图方法

5.4.1位形空间内的采样

5.4.2连接位形对

5.4.3增强

5.4.4路径光滑化

5.5轨迹规划

5.5.1点到点运动的轨迹

5.5.2通过中间点确定的轨迹

5.6本章总结

习题

附注与参考

第6章独立关节控制

6.1驱动器的动力学

6.2独立关节模型

6.3设定点跟踪

6.3.1比例—微分补偿控制器

6.3.2比例—积分—微分补偿控制器

6.3.3饱和与柔性的影响

6.4前馈控制

6.5传动系统的动力学

6.6状态空间设计

6.6.1状态反馈控制

6.6.2观测器

6.7本章总结

习题

附注与参考

第7章动力学

7.1欧拉—拉格朗日方程

7.1.1动机

7.1.2完整约束和虚功

7.1.3达朗贝尔原理

7.2动能和势能

7.2.1惯性张量

7.2.2n—连杆机器人的动能

7.2.3n—连杆机器人的势能

7.3运动方程

7.4一些常见位形

7.5机器人动力学方程的性质

7.5.1反对称性和无源性

7.5.2惯性矩阵的界限

7.5.3参数的线性化

7.6牛顿—欧拉方法

7.6.1重温平面肘型机械臂

7.7本章总结

习题

附注与参考

第8章多变量控制

8.1重温PD控制

8.1.1关节柔性的影响

8.2逆动力学

8.2.1关节空间内的逆动力学

8.2.2任务空间内的逆动力学

8.3鲁棒和自适应运动控制

8.3.1鲁棒逆运动学

8.3.2自适应逆运动学

8.4基于无源性的运动控制

8.4.1基于无源性的鲁棒控制

8.4.2基于无源性的自适应控制

8.5本章总结

习题

附注与参考

第9章力控制

9.1坐标系和约束

9.1.1对偶基

9.1.2自然约束和人工约束

9.2网络模型和阻抗

9.2.1阻抗操作符

9.2.2阻抗操作符的分类

9.2.3戴维南和诺顿等效

9.3任务空间内的动力学和控制

9.3.1任务空间内的动力学

9.3.2阻抗控制

9.3.3混合阻抗控制

9.4本章总结

习题

附注与参考

第10章几何非线性控制

10.1背景介绍

10.1.1流形、向量场和分布

10.1.2弗罗贝尼乌斯定理

10.2反馈线性化

10.3单输入系统

10.4n—连杆机器人的反馈线性化

10.5非完整系统

10.5.1对合和完整性

10.5.2无碛控制系统

10.5.3非完整系统实例

10.6周氏定理

10.7无碛系统的控制

10.8本章总结

习题

附注与参考

第11章计算机视觉

11.1成像几何

11.1.1相机坐标系

11.1.2透视投影

11.1.3成像平面和传感器阵列

11.2相机标定

11.2.1相机的外部参数

11.2.2相机的内部参数

11.2.3确定相机参数

11.3阈值分割

11.3.1简略的统计回顾

11.3.2自动选择阈值

11.4连通区域

11.5位置和方向

11.5.1图像矩

11.5.2物体的质心和中心矩

11.5.3物体的方向

11.6本章总结

习题

附注与参考

第12章基于视觉的控制

12.1设计要点

12.1.1相机位形

12.1.2基于图像的方法与基于位置的方法

12.2相机运动和交互作用矩阵

12.3点特征的交互作用矩阵

12.3.1固定点相对于移动相机的速度

12.3.2构建交互作用矩阵

12.3.3点间交互作用矩阵的性质

12.3.4多点的交互作用矩阵

12.4基于图像的控制律

12.4.1计算相机运动

12.4.2比例控制方案

12.4.3基于图像的视觉伺服系统的表现

12.5末端执行器和相机的运动

12.6划分方法

12.7运动感知

12.8本章总结

习题

附注与参考

附录A三角函数

附录B线性代数

附录C动态系统

附录D李雅普诺夫稳定性

参考文献

索引

作者简介

基于Spong和Vidyasagar所著的十分成功的经典教材《RobotDynamicsandControl》（Wiley，1989），本书对机器人领域做了彻底更新且十分完备的介绍。本书所介绍的基础和高级内容不仅易读，并且在数学推导上十分严谨。

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