現(xiàn)代機器人控制理論、方法與技術(shù)

第1章緒論——機器人控制概論001
1.1機器人的概念及其分類001
1.1.1機器人的定義001
1.1.2機器人的分類002
1.1.3如何認識各類機器人的控制問題003
1.1.4對基于模型的機器人控制問題的總體認識006
1.2機器人控制方法007
1.2.1第1代～第2代——機器人的控制方法007
1.2.2第3代——智能機器人的控制方法008
1.3基于模型的機器人控制方法與本書內(nèi)容安排008
1.3.1機器人學基礎(chǔ)008
1.3.2機器人最基本的控制方法（運動學控制法和位置軌跡追蹤控制法）009
1.3.3考慮不確定量的控制法（自適應(yīng)控制和魯棒控制）010
1.3.4力控制與力位混合控制法011
1.3.5機器人運動最優(yōu)化與最優(yōu)控制011
1.3.6柔性機器人操作臂建模與控制012
1.3.7多機器人的協(xié)調(diào)控制012
1.3.8主從機器人控制013
1.3.9移動/操作機器人控制013
1.4如何學好用好基于模型的機器人控制理論、方法與技術(shù)013
1.4.1打好工科先修課基礎(chǔ)013
1.4.2客觀看待作為被控對象的機器人并努力提高專業(yè)認知水平014
1.5關(guān)于“控制論”“控制理論”與“控制工程”017
1.5.1關(guān)于維納的控制論及“控制”017
1.5.2控制理論與控制工程018
【思考題與習題】020
第2章被控對象——機器人系統(tǒng)的組成與控制問題021
2.1機器人系統(tǒng)總體構(gòu)成021
2.1.1人類處理核廢料的作業(yè)問題與機器人概念簡介021
2.1.2機器人系統(tǒng)的一般組成024
2.1.3機器人系統(tǒng)一般組成的實例說明038
2.2工業(yè)機器人操作臂機械系統(tǒng)、機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)040
2.2.1工業(yè)機器人操作臂系統(tǒng)PUMA262/562040
2.2.2MOTOMAN K系列工業(yè)機器人操作臂044
2.3移動機器人系統(tǒng)、機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)050
2.3.1足式移動機器人系統(tǒng)及雙足機器人機構(gòu)與結(jié)構(gòu)050
2.3.2四足機器人機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)052
2.3.3多移動方式的足式機器人系統(tǒng)、機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)056
2.3.4多移動方式仿猿雙臂手機器人系統(tǒng)、機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)061
2.3.5輪式移動機器人的系統(tǒng)、機構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)069
2.3.6小結(jié)071
2.4關(guān)于機器人控制的實際問題071
2.4.1機器人控制上的有界性與自身機構(gòu)約束和奇異問題071
2.4.2機器人精度以及從控制上能否補償機械精度不足的問題072
2.4.3關(guān)于機器人軌跡控制與力控制的實際問題073
2.4.4腿式、輪式移動機器人控制的實際問題074
2.5本章小結(jié)074
【思考題與習題】075
第3章機器人運動控制的機構(gòu)學基礎(chǔ)077
引言——為什么要研究機器人機構(gòu)運動學與動力學077
3.1機器人機構(gòu)與位置、姿態(tài)表示077
3.1.1何謂機器人機構(gòu)以及機器人機構(gòu)的分類077
3.1.2機器人的自由度與關(guān)節(jié)082
3.1.3從工業(yè)機器人操作臂的應(yīng)用來談機器人機構(gòu)中的數(shù)學問題090
3.1.4何謂機器人運動學？092
3.1.5機器人操作臂的坐標系表示與常用的臂部機構(gòu)構(gòu)型094
3.1.6作為工業(yè)機器人操作臂構(gòu)形比較基準的初始構(gòu)形（機構(gòu)的初始位姿）095
3.1.7安裝在工業(yè)機器人操作臂末端機械接口處的末端操作器的姿態(tài)表示096
3.2坐標系與坐標變換098
3.2.1物體和坐標系098
3.2.2物體間相對運動坐標變換的解析幾何分析與齊次坐標變換矩陣102
3.3機器人機構(gòu)正運動學解法及其解的用途116
3.3.1機器人機構(gòu)的坐標系建立116
3.3.2機器人機構(gòu)的桿件及關(guān)節(jié)的D-H參數(shù)表示法117
3.3.3機器人機構(gòu)的正運動學求解方法與示例119
3.3.4機器人機構(gòu)的正運動學求解方法與解的用途122
3.4機器人機構(gòu)的逆運動學求解方法123
3.4.1逆運動學問題的一般解法123
3.4.2逆運動學問題的解析幾何解法124
3.5機器人機構(gòu)的雅可比矩陣133
3.5.1微小位移與雅可比矩陣133
3.5.2水平面內(nèi)運動的2-DOF機械臂的雅可比矩陣135
3.5.3通用的雅可比矩陣表示135
3.5.4力與關(guān)節(jié)力矩間的關(guān)系138
3.5.5力的坐標變換關(guān)系139
3.6機器人機構(gòu)的動力學141
3.6.1機器人機構(gòu)的運動學與動力學問題的數(shù)學描述141
3.6.2矢量分析與矩陣變換在剛體或質(zhì)點系運動學中的應(yīng)用142
3.6.3從矢量表示的拉格朗日方程到用矩陣表示的拉格朗日方程147
3.6.4牛頓-歐拉法多剛體系統(tǒng)運動方程151
3.7機器人機構(gòu)的運動方程的一般形式及其應(yīng)用156
3.7.1多剛體系統(tǒng)運動方程156
3.7.2多剛體機器人系統(tǒng)的運動方程的一般形式157
3.8腿足式步行機器人機構(gòu)及其運動學158
3.8.1關(guān)于腿足式步行機器人機構(gòu)與運動學問題158
3.8.2關(guān)于腿足式步行機器人基本步態(tài)160
3.8.3腿足式步行機器人機構(gòu)的運動學及步行樣本生成方法161
3.9輪式移動機器人機構(gòu)及其運動學與力學166
3.9.1輪式移動機器人概述166
3.9.2轉(zhuǎn)向操縱型車輪的轉(zhuǎn)向操縱原理166
3.9.3獨立驅(qū)動型車輪的轉(zhuǎn)向操縱原理169
3.9.4帶有轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的移動機器人小車轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)彎半徑及曲率169
3.9.5帶有獨立轉(zhuǎn)向型車輪的移動機器人小車轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)彎半徑及曲率170
3.9.6輪式移動機器人走行所需的驅(qū)動力171
3.9.7考慮含有回轉(zhuǎn)部分慣性矩的驅(qū)動力情況172
3.10本章小結(jié)173
【思考題與習題】173
第4章機器人參數(shù)識別176
4.1為什么要進行機器人參數(shù)識別？176
4.2機器人運動方程與物理參數(shù)177
4.3機器人運動的限幅隨機驅(qū)動與參數(shù)識別的基本思想178
4.3.1機器人運動的限幅隨機驅(qū)動178
4.3.2機器人參數(shù)識別的基本思想和原理179
4.4機器人運動方程與基底參數(shù)的選擇180
4.4.1機器人運動方程與參數(shù)180
4.4.2基底參數(shù)的定義及其選擇182
4.5參數(shù)識別的原理和算法182
4.5.1逐次識別法182
4.5.2同時識別法185
4.5.3逐次識別法與同時識別法的優(yōu)缺點討論186
4.6參數(shù)識別實驗前需考慮的實際問題186
4.7雙足機器人參數(shù)識別與實驗187
4.7.1基于足底力和關(guān)節(jié)位置/速度數(shù)據(jù)的機器人參數(shù)識別187
4.7.2參數(shù)識別的通用模型與求解算法187
4.7.3雙足機器人的參數(shù)識別問題建模188
4.7.4雙足機器人的參數(shù)識別實驗與結(jié)果分析190
4.8本章小結(jié)192
【思考題與習題】193
第5章機器人位置/軌跡追蹤控制194
5.1機器人機構(gòu)學與位置/軌跡追蹤控制的總論194
5.1.1機器人運動學與動力學之間的關(guān)系194
5.1.2機器人位置/軌跡追蹤控制的總論195
5.2機器人位置/軌跡追蹤控制的基本概念與分類197
5.2.1機器人位置/軌跡追蹤控制的一些基本概念197
5.2.2以焊接機器人操作臂為例對實際的位置/軌跡追蹤控制中的軌跡進行說明198
5.2.3機器人位置/軌跡追蹤控制方法的分類199
5.3機器人位置/軌跡追蹤控制的PID控制200
5.3.1PID控制的數(shù)學與力學基本原理200
5.3.2機器人位置軌跡追蹤控制的PID控制器202
5.3.3機器人位置軌跡追蹤控制的PD控制系統(tǒng)與控制技術(shù)202
5.4動態(tài)控制204
5.4.1何謂機器人的動態(tài)控制204
5.4.2機器人的前饋動態(tài)控制204
5.5前饋 PD反饋的動態(tài)控制206
5.5.1何謂機器人的前饋 PD反饋的動態(tài)控制？206
5.5.2前饋 PD反饋的動態(tài)控制器及其控制系統(tǒng)構(gòu)成206
5.6計算力矩控制法206
5.6.1何謂機器人動態(tài)控制的計算力矩控制法？206
5.6.2計算力矩控制法的控制器及其控制系統(tǒng)構(gòu)成207
5.7加速度分解控制法208
5.7.1為什么需要加速度分解控制？208
5.7.2何謂機器人動態(tài)控制的加速度分解控制法208
5.7.3加速度分解控制法的控制器及其控制系統(tǒng)構(gòu)成209
5.7.4機器人作業(yè)空間內(nèi)有位姿軌跡外部測量系統(tǒng)的加速度分解控制系統(tǒng)209
5.8本章小結(jié)211
【思考題與習題】212
第6章機器人力控制213
6.1機器人作業(yè)的分類與力控制基本概念213
6.2用于機器人力控制的力傳感器及其應(yīng)用215
6.2.1六維力與六維力傳感器215
6.2.2JR3六維力/力矩傳感器系統(tǒng)及其在力控制系統(tǒng)的應(yīng)用216
6.2.3六維力/力矩傳感器測得的力/力矩數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和力學原理217
6.2.4關(guān)于機器人受到來自于環(huán)境作用的外力的處理方法與力反饋方式220
6.3機器人操作臂與作業(yè)環(huán)境的數(shù)學和力學建模221
6.3.1平面內(nèi)機器人與作業(yè)環(huán)境或作業(yè)對象物的建模221
6.3.2n自由度機器人與作業(yè)環(huán)境或作業(yè)對象物的通用模型221
6.3.3關(guān)于機器人與環(huán)境力學模型的使用222
6.4基于位置控制的力控制系統(tǒng)223
6.4.1基于位置控制的力控制的概念和力控制方法的分類223
6.4.2剛度控制（stiffness control）的力控制系統(tǒng)224
6.4.3阻尼控制（damping control）的力控制系統(tǒng)226
6.4.4阻抗控制（impedance control）的力控制系統(tǒng)228
6.4.5假想柔順控制（compliance control）的力控制系統(tǒng)229
6.4.6基于位置控制的力控制小結(jié)及自然思考229
6.5基于力矩控制的力控制系統(tǒng)230
6.5.1基于力矩控制的力控制系統(tǒng)的概念及分類230
6.5.2無動力學補償?shù)闹苯亲鴺讼祪?nèi)基于JT和PD控制的力控制系統(tǒng)及穩(wěn)定性分析231
6.5.3無動力學補償?shù)幕旌峡刂品椒ㄅc力控制系統(tǒng)232
6.5.4有動力學補償?shù)牧刂品椒?33
6.5.5有動力學補償?shù)膭討B(tài)混合力控制方法234
6.6基于位置控制的力控制與基于力矩控制的力控制系統(tǒng)和方法的比較234
6.7本章小結(jié)234
【思考題與習題】235
第7章機器人模型參數(shù)不確定下的動態(tài)控制——魯棒控制和自適應(yīng)控制236
7.1機器人模型的不確定性與動態(tài)控制問題236
7.1.1機器人模型及模型參數(shù)的不確定性236
7.1.2機器人動態(tài)控制問題238
7.1.3何謂機器人的魯棒控制239
7.1.4何謂機器人的自適應(yīng)控制240
7.2機器人動力學特征及動力學方程的不確定量240
7.2.1動力學特征240
7.2.2機器人模型存在的不確定量表示241
7.3基于逆動力學的基本控制方式和不確定性的影響241
7.3.1基于逆動力學的基本控制方式——公稱控制241
7.3.2基于逆動力學的公稱控制的增益矩陣Kp、Kv及閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定響應(yīng)242
7.3.3不確定量對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的分析243
7.4基于李雅普諾夫方法的魯棒控制243
7.5基于被動特性的魯棒控制244
7.5.1基于被動特性的魯棒控制的基本控制方式——公稱控制244
7.5.2基于被動特性的魯棒控制——基本控制方式下的不確定性影響246
7.5.3采用李雅普諾夫方法的魯棒控制——基于被動特性的魯棒控制及其改進版247
7.6機器人的自適應(yīng)控制248
7.6.1自適應(yīng)控制及其控制系統(tǒng)類型248
7.6.2機器人操作臂系統(tǒng)線性化的自適應(yīng)控制應(yīng)用問題249
7.6.3考慮機器人操作臂構(gòu)造的自適應(yīng)控制系統(tǒng)構(gòu)成249
7.6.4自適應(yīng)控制方法中的機器人操作臂系統(tǒng)的模型化問題250
7.6.5機器人系統(tǒng)模型化、基底參數(shù)和自適應(yīng)控制控制律（控制算法）251
7.7本章小結(jié)254
【思考題與習題】254
第8章機器人最優(yōu)控制與最短時間控制256
8.1最優(yōu)控制的基本概念和形式化256
8.1.1變分法的基本問題、概念及其發(fā)展256
8.1.2最優(yōu)控制的基本概念257
8.1.3定常系統(tǒng)與非定常系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題及問題的轉(zhuǎn)換258
8.2變分法在最優(yōu)控制問題的應(yīng)用259
8.2.1乘子向量λ（t）、哈密爾頓（Hamilton）函數(shù)H（x， u，λ）與歐拉（Euler）方程組259
8.2.2變分法用于最優(yōu)控制問題時邊界條件的規(guī)范化形式260
8.3最優(yōu)控制中自由端點問題的最大值原理262
8.3.1自由端點問題的提法262
8.3.2最大值原理262
8.4最優(yōu)控制中tf可動時的自由端點問題的最大值原理262
8.5最優(yōu)控制中終端狀態(tài)帶有約束的最大值原理263
8.6機器人最優(yōu)控制及其最優(yōu)控制輸入求解問題的最優(yōu)化表達264
8.6.1機器人最優(yōu)控制的實際問題264
8.6.2機器人最優(yōu)控制輸入求解問題的最優(yōu)化表達264
8.7機器人最優(yōu)控制問題的最優(yōu)控制輸入求解方法266
8.7.1求解機器人最優(yōu)控制輸入問題的梯度法266
8.7.2梯度法求解機器人最優(yōu)控制輸入的數(shù)值解法算法與流程267
8.8機器人最短時間控制268
8.8.1機器人最短時間控制的形式化268
8.8.22-DOF平面機器人最短時間控制的實驗及結(jié)果270
8.9本章小結(jié)275
【思考題與習題】275
第9章機器人柔性臂的建模與控制277
9.1柔性臂建?；A(chǔ)277
9.1.1從剛性的工業(yè)機器人操作臂到機器人柔性臂277
9.1.2機器人柔性臂的類型及基本原理278
9.1.3剛性關(guān)節(jié)-彈性桿件串聯(lián)機器人柔性臂的坐標系與坐標變換279
9.1.4剛性關(guān)節(jié)-彈性桿件串聯(lián)機器人柔性臂的正運動學方程280
9.2柔性臂動力學建模及其運動方程式282
9.2.1機器人柔性臂動力學建模的拉格朗日法282
9.2.21桿機器人柔性臂的動力學建模285
9.3機器人柔性臂的控制理論與方法289
9.3.1狀態(tài)方程式和輸出方程式289
9.3.2機器人柔性臂的魯棒穩(wěn)定控制291
9.4機器人柔性臂控制仿真結(jié)果293
9.4.1機器人柔性臂模型及物理參數(shù)293
9.4.2機器人柔性臂控制仿真結(jié)果與分析293
9.5本章小結(jié)295
【思考題與習題】295
第10章機器人協(xié)調(diào)控制296
10.1引言——單臺機器人與多機器人協(xié)調(diào)問題296
10.1.1如何看待多機器人協(xié)調(diào)問題？296
10.1.2關(guān)于多機器人協(xié)調(diào)控制的根本問題297
10.2多機器人操作的作業(yè)對象物的運動和內(nèi)力298
10.2.1作業(yè)對象物的運動與坐標系定義298
10.2.2被操作的作業(yè)對象物所受的“內(nèi)力”301
10.3多機器人操作作業(yè)對象物的協(xié)調(diào)控制問題與方法302
10.3.1引言——多機器人操作臂操作物體需要考慮的問題302
10.3.2物體的運動與內(nèi)力的控制303
10.3.3關(guān)于負載的分配問題304
10.4基于阻抗控制的協(xié)調(diào)控制305
10.4.1引言305
10.4.2操持單個物體的柔順控制問題與虛擬阻抗305
10.4.3操持單個物體的各機器人操作臂的阻抗控制306
10.4.4兩臺機器人操作臂協(xié)調(diào)進行裝配作業(yè)的阻抗控制307
10.5本章小結(jié)310
【思考題與習題】311
第11章主從機器人系統(tǒng)的主從控制312
11.1引言——主從機器人概念與發(fā)展概況312
11.1.1何謂主從機器人系統(tǒng)和主從機器人操作臂系統(tǒng)312
11.1.2主從機器人發(fā)展概況313
11.1.3關(guān)于本章的特別說明314
11.2基本的雙向控制315
11.2.1基本的雙向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)315
11.2.21-自由度系統(tǒng)的模型化315
11.2.3對稱型雙向主從控制317
11.2.4力反射型雙向主從控制318
11.2.5力歸還型雙向主從控制318
11.2.6雙向控制系統(tǒng)的統(tǒng)一表示319
11.3主從機器人操作臂系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性320
11.4以系統(tǒng)穩(wěn)定為目標的主從控制320
11.4.1并聯(lián)（并行）型控制法（parallel control method）主從控制320
11.4.2基于假想（虛擬）內(nèi)部模型的主從控制321
11.4.3主從操作的動態(tài)控制323
11.4.4主從操作的阻抗控制323
11.5主從機器人異構(gòu)的主從控制324
11.5.1主從機器人系統(tǒng)操作存在的問題與主從異構(gòu)的概念324
11.5.2在公共坐標系內(nèi)進行的主從雙向控制325
11.5.3在臂坐標系內(nèi)進行的雙向控制326
11.6本章小結(jié)326
【思考題與習題】327
第12章移動機器人控制的基礎(chǔ)理論、方法與技術(shù)328
12.1移動機器人控制概論328
12.1.1移動和移動方式及移動機器人分類328
12.1.2移動機器人技術(shù)發(fā)展概論328
12.1.3移動機器人控制的理論與實際問題335
12.2輪式移動機器人軌跡追蹤控制336
12.2.1由與位移成比例的操縱機構(gòu)操縱的直線移動軌跡控制336
12.2.2由與位移、速度成比例的操縱方法操縱的直線行走337
12.2.3獨立二輪驅(qū)動型移動機器人的直線行走控制339
12.2.4輪式移動機器人直線行走控制方法的總結(jié)339
12.2.5輪式移動機器人軌跡追蹤控制與電機電流控制340
12.3輪式機器人非完整約束系統(tǒng)與非線性控制342
12.3.1非線性控制與可積性342
12.3.2什么是非完整約束和非完整約束系統(tǒng)344
12.3.3非完整約束控制和欠驅(qū)動機械系統(tǒng)控制345
12.3.4非完整約束控制系統(tǒng)和欠驅(qū)動機械的幾何模型347
12.3.5速度約束為非完整約束的車輛模型349
12.4輪式移動機器人的欠驅(qū)動控制與奇異點問題356
12.4.1引言356
12.4.2車輛控制和奇異點問題356
12.4.3車輛的軌跡追蹤問題359
12.4.4車輛的目標軌跡追蹤控制361
12.5輪式移動機器人的移動穩(wěn)定性與穩(wěn)定移動控制361
12.5.1輪式移動機器人的移動穩(wěn)定性問題361
12.5.2雙擺桿可變擺長倒立擺小車模型的動力學運動行為特性分析364
12.5.3載臂輪式移動機器人基于倒立擺小車模型的失穩(wěn)恢復與穩(wěn)定移動控制374
12.6腿足式步行移動機器人的穩(wěn)定步行控制與全域自穩(wěn)定器391
12.6.1關(guān)于腿足式步行移動機器人的穩(wěn)定步行控制理論與方法概論391
12.6.2腿足式步行機器人用傳感器原理與使用393
12.6.3ZMP概念及基于ZMP的穩(wěn)定步行控制原理與技術(shù)404
12.6.4本田技研P2、P3型以及ASIMO等全自立仿人機器人的步行控制原理與技術(shù)407
12.6.5基于強化學習和并聯(lián)機構(gòu)訓練平臺的腿足式機器人全域自穩(wěn)定器獲得方法與實驗411
12.6.6本節(jié)小結(jié)428
12.7本章小結(jié)428
【思考題與習題】428
附錄430
參考文獻441