本書系統(tǒng)、深入地介紹了機器人控制的關鍵技術、方法以及實際應用。全書共8章,內容包括機器人的機械、機器人的硬件、機器人的電源系統(tǒng)、機器人的信息獲取、機器視覺、機器人的底層控制、機器人的空間坐標變換、機器人運動學建模、動力學建模、機器人的路徑規(guī)劃以及機器人的操作系統(tǒng)ROS。本書內容新穎,注重理論與實際應用相結合,每個章節(jié)基本配有實例,力求使讀者能較快地掌握與應用機器人的控制技術。
本書可作為高等院校自動化、機械工程、機電一體化、系統(tǒng)工程、信息工程、計算機等相關專業(yè)本科生、研究生教材,也可以作為工程技術人員與科研工作者的參考書。
內容新穎,每個章節(jié)基本配有實例,注重理論與實際應用相結合;
系統(tǒng)、深入地介紹了機器人控制的關鍵技術、方法以及實際應用
2014年6月9日,習近平總書記在兩院院士大會的報告中提到,機器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠,其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。機器人時代的到來,將變革現(xiàn)有生產制造模式以及人類生活方式。美國麻省理工學院的埃里克·布萊恩約弗森教授稱之為第二次機器革命:海量的智能機器和互聯(lián)互通的智慧大腦結合在一起,將徹底顛覆之前的世界。
工業(yè)和信息化部前副部長毛偉明表示,工業(yè)是立國之本,制造業(yè)是一個國家核心競爭力的重要標志,我國已經是制造業(yè)的第一大國,從2010年開始,我國制造業(yè)占全球的比重已經達到第一位。特別是近年來,我國工業(yè)機器人需求呈現(xiàn)井噴態(tài)勢,據(jù)CRIA與IFR聯(lián)合統(tǒng)計,2015年全球工業(yè)機器人銷量為248萬臺,其中中國工業(yè)機器人市場銷量繼續(xù)增長,全年累計銷售68459臺,占全球工業(yè)機器人市場份額超過1/4,中國自2013年起連續(xù)三年成為全球最大的工業(yè)機器人消費市場。雖然我國已是機器人第一大市場,但自主品牌機器人遠遠不能滿足國民經濟各領域的需求。據(jù)統(tǒng)計,2015年國產工業(yè)機器人累計銷售22257臺,而且主要是中低端機器人,高端機器人還主要依賴進口,如何在裝備領域和市場領域實現(xiàn)雙贏,是下一步發(fā)展的重點。
基于此,國內出現(xiàn)了機器人熱,如每年舉行的機器人高峰論壇、中國國際工業(yè)博覽會(上海)、世界機器人大會(北京)等。全球也正進入到智能機器人的研究發(fā)展新時代,如德國工業(yè)40、中國制造2025等。本書正是迎合時代特點,拋磚引玉,為智能機器人控制的研究添磚加瓦。
機器人控制是一門多學科交叉的科學,其領域涉及機械設計與制造、多傳感器、運動控制、電力電子、圖像采集、圖像處理、圖像識別、知識工程、專家系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃、自組織與自學習理論、多智能體協(xié)調、機器人學、機電一體化、無線通信、精密儀器、實時數(shù)字信號處理、自動控制和數(shù)據(jù)融合等。
本書是作者在上海大學教學、科研過程中的成果總結,吸收并借鑒了國內外期刊論文的最新研究成果及相關書籍編著而成的,較為系統(tǒng)地敘述了機器人控制技術的相關理論與制作實例等。本書對機器人的機械、傳感器、驅動與機器人的底層控制部分進行了分章節(jié)敘述,對機器人的坐標變換、運動分析、路徑規(guī)劃以及機器人的上層控制部分也進行了分章節(jié)敘述。
本書從理論介紹到制作實例,體現(xiàn)了理論聯(lián)系實際,也是本書的一大特色。尤其是本書增補了機器人的操作系統(tǒng)(ROS),使機器人控制技術的內容更加全面,爭取給國內更多的大學生與機器人愛好者提供幫助。
本書共8章。第1章闡述了機器人的產生以及機器人在國內外的發(fā)展、機器人的結構與分類、機器人控制的主要內容與基本要求等;第2章敘述了機器人的本體,包括機器人的機械、機器人的硬件和機器人的電源系統(tǒng),并舉例說明小型足球機器人與中型足球機器人的機械制作;第3章敘述了機器人的信息獲取,介紹了機器人的常用傳感器與特殊傳感器,傳感器的應用,機器人的信息處理方法,以及機器視覺的原理、工作與應用等;第4章綜合介紹了機器人的底層控制,包括機器人中使用的電動機的選擇與慣量計算、典型的PWM驅動原理與電路實現(xiàn)、運動控制與PID、PID參數(shù)的智能整定,并舉例說明了小型足球機器人與中型足球機器人的底層控制;第5章對機器人的運動進行了分析,分別介紹了輪式移動機器人與工業(yè)機器人的空間坐標變換、機器人運動學建模和動力學建模,并以六自由度機械臂進行運動分析舉例;第6章介紹了機器人的路徑規(guī)劃,包括離線路徑規(guī)劃、在線路徑規(guī)劃和智能規(guī)劃(柵格建模法、人工勢場法、遺傳算法),并對人工勢場法、遺傳算法進行優(yōu)化舉例;第7章介紹了機器人的上層控制(用戶層),即機器人的操作系統(tǒng)ROS,包括ROS的基本概念、系統(tǒng)架構、系統(tǒng)工具,以及ROS在移動底座、導航與路徑規(guī)劃、語音識別、機器視覺等方面的應用舉例;第8章對機器人與機器人的控制技術的發(fā)展進行了展望。
選用本書作為教材的學校,建議40學時作為理論教學,另外40學時作為實踐或課程設計等。上海大學開設了機器人控制技術課程教學以及課程設計,總學時為80。
本書由上海大學機電工程與自動化學院、上海大學大學生科技創(chuàng)新實驗中心負責人、中國自動化學會機器人競賽工作委員會副主任陳萬米高級工程師(上海大學特級技術總監(jiān))編寫第1、8章,劉振參編第2章,杜映峰參編第3章,張志松參編第4章,范彬彬參編第5章,賀永祥參編第6章,汪洋參編第7章,全書由陳萬米統(tǒng)稿。
本書的編寫工作和出版得到了上海大學、上海大學機電工程與自動化學院相關領導的大力支持。特別感謝上海大學費敏銳教授、王小靜教授、徐昱琳副教授在本書成稿過程中給予的幫助。
機器人控制技術內容十分廣泛,涉及諸多學科領域。由于編者的水平所限、經驗不足,書中不足之處在所難免,敬請讀者批評指正。作者聯(lián)系郵箱:wanmic@163com。
前言
第1章緒論
1.1機器人的定義及發(fā)展歷史
1.1.1什么是機器人
1.1.2為什么要制造機器人
1.1.3機器人的發(fā)展歷史
1.2機器人的結構與分類
1.2.1機器人的結構
1.2.2機器人的分類
1.3機器人控制的基本要求
1.3.1機器人控制的主要內容
1.3.2機器人控制的學習要求
習題
第2章機器人的本體
2.1機器人的機械
2.1.1上肢臂部、腕部、手部
2.1.2下肢移動機構
2.1.3軀干機身
2.1.4關節(jié)傳動機構
2.2機器人的硬件
2.2.1處理控制系統(tǒng)
2.2.2驅動器系統(tǒng)
2.2.3傳感器系統(tǒng)
2.3機器人的電源系統(tǒng)
2.3.1電池的種類
2.3.2直流穩(wěn)壓電源
2.3.3充電裝置
2.4機器人機械制作實例
2.4.1智能小型足球機器人二輪機械結構制作實例
2.4.2智能小型足球機器人四輪全向移動機械設計實例
2.4.3智能中型足球機器人的機械設計實例
習題
第3章機器人的信息獲取
3.1機器人的傳感器
3.1.1常用傳感器
3.1.2特殊傳感器
3.1.3傳感器應用實例
3.2機器人的信息處理
3.2.1常用的數(shù)字濾波方法
3.2.2小波變換在數(shù)字濾波中的應用
3.3機器視覺
3.3.1機器視覺的組成
3.3.2機器視覺的工作原理
3.3.3機器視覺應用實例
習題
第4章機器人的底層控制
4.1電動機的選擇與慣量計算
4.1.1電動機選擇
4.1.2步進電動機
4.1.3舵機與轉向控制
4.1.4慣量計算實例
4.2典型驅動PWM
4.2.1典型驅動
4.2.2PWM驅動原理
4.2.3PWM驅動機器人實例
4.3運動控制與PID
4.3.1電動機正反轉分析
4.3.2經典PID控制
4.4智能PID參數(shù)整定
4.5機器人底層控制設計實例
4.5.1智能小型足球機器人的底層控制設計實例
4.5.2智能中型足球機器人的底層控制設計實例
習題
第5章機器人的運動分析
5.1輪式機器人的空間描述和坐標變換
5.1.1位置方位表示與坐標系描述
5.1.2平移和旋轉坐標系
5.1.3機器人運動模型
5.1.4齊次變換及運算
5.1.5機器人傳感器的觀測模型
5.2運動學建模
5.2.1機器人坐標系
5.2.2雙輪差速移動機器人運動學建模實例
5.2.3全方位移動機器人運動學建模實例
5.3動力學建模
5.3.1雙輪差速移動機器人動力學模型
5.3.2全方位移動機器人動力學模型
5.4舞動的機器臂工業(yè)機器人
5.4.1剛體的描述
5.4.2坐標變換
5.5機器人運動學方程的建立
5.5.1連桿參數(shù)和連桿坐標系
5.5.2連桿變換
5.6六自由度機械臂運動分析實例
5.6.1機械臂運動方程的建立
5.6.2運動學逆解的求解方法
5.6.3運動學逆解的實驗驗證
習題
第6章機器人的路徑規(guī)劃
6.1機器人路徑規(guī)劃方法
6.1.1離線路徑規(guī)劃
6.1.2在線路徑規(guī)劃
6.2智能規(guī)劃
6.2.1柵格建模法
6.2.2人工勢場法
6.2.3遺傳算法
6.2.4神經網(wǎng)絡算法
6.3機器人路徑規(guī)劃改進與實例
6.3.1人工勢場法的改進與實例
6.3.2遺傳算法的改進
習題
第7章機器人的上層控制
7.1機器人操作系統(tǒng)概述
7.1.1ROS的基本介紹
7.1.2ROS系統(tǒng)架構
7.1.3ROS系統(tǒng)工具
7.1.4ROS的安裝與回顧
7.2ROS的應用舉例
7.2.1控制移動底座
7.2.2導航、路徑規(guī)劃和SLAM
7.2.3語音識別及語音合成
7.2.4機器人的視覺系統(tǒng)
習題
第8章發(fā)展與展望
8.1機器人的發(fā)展與展望
8.2機器人的應用舉例與展望
8.2.1老牌制造業(yè)大國德國的新兵
8.2.2日本服務型機器人嶄露頭角
8.2.3在手術臺上大顯身手的英國機器人醫(yī)生
8.2.4機器人的未來面向家庭
8.2.5機器人離我們還有多遠
8.3機器人控制技術的發(fā)展
8.3.1機器人技術的發(fā)展
8.3.2機器人控制技術的發(fā)展與展望
8.4機器人的情感與倫理展望
習題
參考文獻