本書基于Spong和Vidyasagar所著的十分成功的經(jīng)典教材《RobotDynamicsandControl》(Wiley,1989),本書對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域做了徹底更新且十分完備的介紹。本書所介紹的基礎(chǔ)和高級(jí)內(nèi)容不僅易讀,并且在數(shù)學(xué)推導(dǎo)上十分嚴(yán)謹(jǐn)。
前言
Robot Modeling and Control自從20世紀(jì)80年代早期機(jī)器人機(jī)械臂被“吹捧”為自動(dòng)化制造的終極解決方案以來,機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)生了眾多令人興奮的變化。早期的預(yù)測是,如果必要的話未來整個(gè)工廠僅需要極少數(shù)人工操作者。有些人甚至預(yù)言連電力照明都是多余的,因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)“很高興地”在黑暗環(huán)境里完成工作。這些預(yù)言在今天看來有些可笑,盡管如此,尋找為什么此類預(yù)言沒有實(shí)現(xiàn)的原因發(fā)人深省。第一個(gè)原因可簡述如下:機(jī)器人很難代替或者在某種程度上等同于人類。人類十分擅長于自己的工作。自動(dòng)化制造并不像安裝一個(gè)機(jī)器人并將工人從產(chǎn)品裝配線上移走這么簡單,它涉及復(fù)雜的系統(tǒng)集成問題。通常,整個(gè)工作單元需要重新設(shè)計(jì),包括對(duì)裝配過程本身的分析、重新設(shè)計(jì)零件和設(shè)備、工作單元布局、傳感器開發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件驗(yàn)證以及大量的相互連接問題。結(jié)果是:除去如點(diǎn)焊、噴涂和碼垛等簡單任務(wù),(使用機(jī)器人)所節(jié)省的人工成本并不能抵消上述開發(fā)成本。
因此,機(jī)器人技術(shù)在20世紀(jì)80年代晚期不再受人歡迎。現(xiàn)在,我們正在見證機(jī)器人技術(shù)的一次復(fù)興,不僅在制造領(lǐng)域,還包括很多其他領(lǐng)域,比如醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)、搜索和救援、娛樂和服務(wù)機(jī)器人技術(shù)。近年來,我們看到機(jī)器人探測火星表面、定位沉船、搜索地雷以及尋找倒塌建筑物下的災(zāi)民。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是更廣泛的機(jī)電一體化(mechatronics)領(lǐng)域的一部分。機(jī)電一體化被定義為機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)科學(xué)的有機(jī)結(jié)合。機(jī)器人是終極的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
本書起初是作為由John Wiley & Sons公司于1989年出版的《Robot Dynamics and Control》(由M. W. Spong和M. Vidyasagar所著)的第2版進(jìn)行編寫的。但在編寫初期,我們發(fā)現(xiàn)由于第1版距今的時(shí)間跨度和本領(lǐng)域在此期間內(nèi)的發(fā)展,本版最終將會(huì)是一本全新的書籍。我們?cè)诒A舻?版的基本原理和優(yōu)秀部分的基礎(chǔ)上,增添了很多新內(nèi)容。本書所涉及的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、計(jì)算機(jī)視覺和視覺伺服控制都是全新的。我們重寫了關(guān)于控制的章節(jié),以反映20世紀(jì)80年末期到90年代初期機(jī)器人控制領(lǐng)域的逐步成熟。本書的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)部分與第1版基本一致,但從教學(xué)方面對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展和提高。
本書結(jié)構(gòu)本書分為12章,前6章是基礎(chǔ),后6章涉及高等內(nèi)容。這些章節(jié)從概念上可以分為三組。在導(dǎo)論章節(jié)后,第2章到第5章涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何問題。第6章到第10章涉及動(dòng)力學(xué)和控制。最后,第11和12章討論了計(jì)算機(jī)視覺以及如何將其添加到機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
下面是對(duì)各章更為詳細(xì)的敘述。
第1章介紹機(jī)器人技術(shù)的歷史和術(shù)語,并就最通用的機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了討論。
第2章介紹剛性運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)知識(shí),以及旋轉(zhuǎn)、平移和齊次變換。
第3章介紹應(yīng)用DenavitHartenberg方法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行正向求解,以及應(yīng)用幾何方法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行逆向求解,該幾何方法十分適用于帶有球形手腕的機(jī)械臂。
第4章篇幅較長,涉及速度運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械臂的雅可比矩陣。幾何雅可比矩陣由叉積形式推導(dǎo)得出。我們還介紹了分析型雅可比矩陣,它用于后續(xù)的任務(wù)空間控制。該章還討論了可操作性的概念。
第5章介紹運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡生成。該章介紹了有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和避障的幾種最為流行的方法,包括人工勢場法、隨機(jī)算法以及概率路線圖方法。我們把軌跡生成問題本質(zhì)上當(dāng)作多項(xiàng)式樣條插補(bǔ)問題來介紹。對(duì)于關(guān)節(jié)空間內(nèi)的插補(bǔ),我們推導(dǎo)了基于三次和五次多項(xiàng)式的軌跡生成以及梯形速度軌跡。
第6章介紹獨(dú)立關(guān)節(jié)的控制。我們用基于PD、PID和狀態(tài)空間的線性控制來實(shí)現(xiàn)線性驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的跟蹤和抗干擾等問題。為研究對(duì)時(shí)變參考軌跡的跟蹤問題,我們介紹了前饋控制的概念。
第7章詳細(xì)介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué);诘谝恍栽,本書推導(dǎo)了歐拉拉格朗日方程,并且詳細(xì)討論了其結(jié)構(gòu)特性。本書還介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的遞推牛頓歐拉形式。
第8章討論多變量控制。該章綜述了20世紀(jì)80年代末和90年代初有關(guān)機(jī)器人控制的大多數(shù)研究,介紹了最通用的魯棒和自適應(yīng)控制算法的簡單推導(dǎo),為讀者進(jìn)一步閱讀有關(guān)機(jī)器人控制的大量文獻(xiàn)打好基礎(chǔ)。
第9章解決力控制問題,討論了阻抗控制和混合控制。
混合阻抗控制方法是其他書中很少涉及的,它適用于控制阻抗,并同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行調(diào)控。
第10章介紹了幾何非線性控制。相比其他章節(jié),該章內(nèi)容要高深很多,適合研究生階段的非線性控制和機(jī)器人學(xué)課程使用。盡管如此,該章內(nèi)容在形式上可讀性好,也適合高年級(jí)本科生閱讀。我們推導(dǎo)和證明了單輸入/單輸出系統(tǒng)的局部反饋線性化的充要條件,并將其用于柔性關(guān)節(jié)控制問題。我們也簡要討論了周氏定理在非完整約束控制系統(tǒng)問題中的應(yīng)用。
第11章介紹計(jì)算機(jī)視覺。我們主要介紹適用于機(jī)器人應(yīng)用方面的計(jì)算機(jī)視覺,例如閾值、圖像分割和相機(jī)標(biāo)定。
第12章討論視覺伺服控制問題,也就是利用安裝在機(jī)器人上或工作空間內(nèi)的相機(jī)的反饋來控制機(jī)器人。
譯者序
前言
第1章導(dǎo)論1
1.1機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型2
1.1.1機(jī)器人的符號(hào)表示2
1.1.2位形空間3
1.1.3狀態(tài)空間3
1.1.4工作空間3
1.2機(jī)器人作為一種機(jī)械裝置4
1.2.1機(jī)器人機(jī)械臂的分類4
1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)5
1.2.3精度和重復(fù)精度5
1.2.4手腕和末端執(zhí)行器6
1.3常見的運(yùn)動(dòng)學(xué)配置7
1.3.1關(guān)節(jié)型機(jī)械臂(RRR)7
1.3.2球坐標(biāo)機(jī)械臂(RRP)7
1.3.3SCARA型機(jī)械臂(RRP)8
1.3.4圓柱型機(jī)械臂(RPP)8
1.3.5笛卡兒型機(jī)械臂(PPP)9
1.3.6并聯(lián)機(jī)械臂9
1.4本書概要10
習(xí)題14
附注與參考15
第2章剛性運(yùn)動(dòng)和齊次變換18
2.1位置的表示方法18
2.2旋轉(zhuǎn)的表示方法19
2.2.1平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)19
2.2.2三維空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)21
2.3旋轉(zhuǎn)變換22
2.3.1相似變換24
2.4旋轉(zhuǎn)的疊加25
2.4.1相對(duì)于當(dāng)前坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)25
2.4.2相對(duì)于固定坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)26
2.4.3旋轉(zhuǎn)變換的疊加定律26
2.5旋轉(zhuǎn)的參數(shù)化27
2.5.1歐拉角27
2.5.2滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角29
2.5.3轉(zhuǎn)軸/角度表示29
2.6剛性運(yùn)動(dòng)31
2.7齊次變換32
2.8本章總結(jié)33
習(xí)題34
附注與參考37
第3章正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)38
第4章速度運(yùn)動(dòng)學(xué)——雅可比矩陣61
第5章路徑和軌跡規(guī)劃85
第6章獨(dú)立關(guān)節(jié)控制108
第7章動(dòng)力學(xué)127
第8章多變量控制155
第9章力控制173
第10章幾何非線性控制183
第11章計(jì)算機(jī)視覺204
第12章基于視覺的控制220