《機(jī)器人建模與控制仿真(微課視頻版)》在介紹機(jī)器人發(fā)展、系統(tǒng)組成和分類、機(jī)器人坐標(biāo)系、運(yùn)動學(xué)建模方法及動力學(xué)建模方法的基礎(chǔ)上,著重介紹各種不同類型機(jī)器人的模型特性、建模方法、控制器設(shè)計及仿真平臺與環(huán)境。全書共9章,內(nèi)容涉及機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)建模方法、氣動肌肉機(jī)器人、AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人、四旋翼飛行機(jī)器人、足式移動機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人建模與仿真、工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)技術(shù)、機(jī)器人仿真平臺ADAMS簡介和Webots仿真環(huán)境介紹等。 《機(jī)器人建模與控制仿真(微課視頻版)》注重理論與應(yīng)用的結(jié)合,通過多種類型機(jī)器人專題的介紹,力求使讀者盡快掌握機(jī)器人技術(shù)及先進(jìn)控制器的設(shè)計和分析方法,了解機(jī)器人技術(shù)的主要研究方向。本書的突出特色是工業(yè)機(jī)器人、仿生機(jī)器人、飛行機(jī)器人等的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、運(yùn)動軌跡控制及其相應(yīng)的仿真一體化呈現(xiàn),都是真實(shí)案例,可以直接導(dǎo)入個人計算機(jī)運(yùn)行調(diào)試。同時本書配套微課視頻、教學(xué)課件(PPT)、程序代碼、習(xí)題答案、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷等資源,便于讀者學(xué)習(xí)和教師教學(xué)。 《機(jī)器人建模與控制仿真(微課視頻版)》可作為自動化、電氣工程及其自動化、機(jī)械工程、電子信息工程等專業(yè)的本科生和研究生教材,也適合從事機(jī)器人研究、開發(fā)和應(yīng)用的有關(guān)科技人員學(xué)習(xí)參考。
機(jī)器人既是目前的技術(shù)研究熱點(diǎn),也是工科類高校教育教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。機(jī)器人研究涉及交叉學(xué)科,且運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模理論性強(qiáng)、運(yùn)動控制難度大,相關(guān)仿真平臺多且雜。在總結(jié)教學(xué)團(tuán)隊(duì)豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從機(jī)器人的運(yùn)動仿真角度出發(fā),闡述工業(yè)、服務(wù)、仿生等多種類型機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建;靖拍、運(yùn)動控制算法和控制器設(shè)計方法。通過典型的機(jī)器人建模、控制、仿真一體化案例分析和真實(shí)的案例加深學(xué)生的理解。
本書力爭從科學(xué)前沿的高度,培養(yǎng)邏輯思維和創(chuàng)新思維能力,提高分析、解決實(shí)際機(jī)器人工程問題的能力。
? 易教易學(xué) 運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、運(yùn)動軌跡控制及其相應(yīng)的仿真一體化呈現(xiàn),都是真實(shí)案例,可以直接導(dǎo)入個人計算機(jī)運(yùn)行調(diào)試。
? 科教融合 通過將作者科研項(xiàng)目成果中的機(jī)器人建模與仿真內(nèi)容,用通俗易懂的語言描述,實(shí)現(xiàn)了科研成果向教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化,科研促進(jìn)教學(xué)。
? 能力提升 通過對建模方法的講解和仿真實(shí)驗(yàn)解析,加深讀者對相關(guān)理論的理解,并有效地提高讀者機(jī)器人建模與仿真能力。
? 技術(shù)前沿 介紹機(jī)器人研究中近些年的進(jìn)展,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,啟迪創(chuàng)新思想。
? 觸類旁通 本書所提供的建模與仿真方法、經(jīng)驗(yàn)技巧,也可為讀者在其他控制系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域提供借鑒。
隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,機(jī)器人在功能和技術(shù)上都有了很大的提高。機(jī)器人應(yīng)用已在工業(yè)檢測、航空航天、環(huán)境探測、軍事偵察、公安防暴等領(lǐng)域受到了廣泛的重視,并取得了眾多成就。當(dāng)前,在控制科學(xué)與工程、人工智能、仿生學(xué)等新興學(xué)科的推動下,機(jī)器人正在向著更高、更深層次發(fā)展。
機(jī)器人建模與仿真是針對性和實(shí)踐性很強(qiáng),同時需要堅實(shí)的理論基礎(chǔ)的學(xué)科。本書緊扣讀者需求,采用循序漸進(jìn)的敘述方式,深入淺出地論述了機(jī)器人系統(tǒng)的分類、組成、運(yùn)動學(xué)建模方法、動力學(xué)建模方法以及不同類型機(jī)器人系統(tǒng)的特性及建模方法,仿真應(yīng)用實(shí)例、控制解決方案,詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)技術(shù)、機(jī)器人仿真平臺ADAMS簡介和Webots仿真環(huán)境介紹等相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展前沿; 此外,本書還分享了大量的程序代碼并附有詳細(xì)的注解,錄制了微課視頻,有助于讀者加深對機(jī)器人建模與仿真相關(guān)原理的理解和快速入門。
本書根據(jù)編者多年從事機(jī)器人建模方法教學(xué)、科研的經(jīng)驗(yàn),詳細(xì)介紹了氣動肌肉機(jī)器人、AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人、四旋翼飛行機(jī)器人、足式移動機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等建模方法和仿真實(shí)驗(yàn)。
本書特色
運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、運(yùn)動軌跡控制及其相應(yīng)的仿真一體化呈現(xiàn),基于真實(shí)案例,可以直接導(dǎo)入個人計算機(jī)運(yùn)行調(diào)試,使讀者體會到學(xué)以致用和從實(shí)踐中學(xué)習(xí)的樂趣。
通過對建模方法的講解和仿真實(shí)驗(yàn)解析,不但可以加深讀者對相關(guān)理論的理解,而且可以有效地提高讀者的機(jī)器人建模與仿真能力。
本書所提供的建模與仿真方法、經(jīng)驗(yàn)技巧可為讀者在其他控制系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域提供借鑒。
配套資源
教學(xué)課件(PPT)、程序代碼、習(xí)題答案、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷等,可以掃描下方二維碼下載,也可以到清華大學(xué)出版社網(wǎng)站本書頁面下載。
配套資源
微課視頻(20集,共84分鐘),可掃描本書各章節(jié)中對應(yīng)位置的二維碼觀看。
致謝
感謝崔小紅對本書撰寫工作做出的極大貢獻(xiàn),她在資料整理與文字編排上注入了極大精力,并且編寫和校對了本書中所有的程序示例代碼。如果沒有她的全心投入,本書將很難順利完成。感謝王凌對機(jī)器人校準(zhǔn)部分做出的貢獻(xiàn),這部分是本書內(nèi)容中與中國計量大學(xué)學(xué)科特色緊密結(jié)合的部分。感謝金英連、王麗娜、秦菲菲、周坤、馬小龍等對本書中的插圖和文字進(jìn)行的精心編輯和修改,使得本書的內(nèi)容更加清晰形象、概念的解釋更加具體明確。感謝研究團(tuán)隊(duì)中的碩士研究生任杰、王濤、王帥、葉可、薛晶勇、錢豐、王悠草等在本書編寫過程中提供的支持和幫助。
感謝浙江省高等教育學(xué)會課題(KT2022123)、浙江省普通本科高校十四五教學(xué)改革項(xiàng)目(jg20220265)和研究生課程建設(shè)項(xiàng)目(2020YJSKC18)的立項(xiàng)資助。
限于編著者的水平和經(jīng)驗(yàn),加之時間比較倉促,疏漏或者錯誤之處在所難免,敬請讀者批評指正,聯(lián)系郵箱見配套資源。
王斌銳
2023年1月
第1章緒論
1.1機(jī)器人發(fā)展史
1.1.1機(jī)器人的由來與定義
1.1.2機(jī)器人的發(fā)展
1.1.3現(xiàn)代機(jī)器人大事件的簡介
1.2機(jī)器人系統(tǒng)的組成和分類
1.2.1機(jī)器人的組成部件
1.2.2機(jī)器人的分類
1.3機(jī)器人的系統(tǒng)建模與仿真
習(xí)題
第2章系統(tǒng)建模方法
2.1機(jī)器人坐標(biāo)系
2.1.1剛體的位姿描述
2.1.2坐標(biāo)變換
2.1.3齊次坐標(biāo)變換
2.1.4齊次變換矩陣的逆
2.1.5運(yùn)動算子
2.2運(yùn)動學(xué)建模方法
2.2.1連桿描述和關(guān)節(jié)變量
2.2.2DH坐標(biāo)系建模
2.2.3機(jī)械臂正運(yùn)動學(xué)
2.2.4機(jī)械臂逆運(yùn)動學(xué)
2.3動力學(xué)建模方法
2.3.1牛頓歐拉法建立機(jī)器人動力學(xué)方程
2.3.2拉格朗日法建立機(jī)器人動力學(xué)方程
2.3.3機(jī)器人動力學(xué)建模舉例
習(xí)題
第3章氣動肌肉機(jī)器人
3.1氣動肌肉模型特性
3.2氣動肌肉機(jī)械腿
3.2.1氣動肌肉機(jī)械腿平臺
3.2.2氣動肌肉機(jī)械腿建模
3.2.3自適應(yīng)反步算法仿真
3.3氣動肌肉仿人手臂
3.3.1仿人肘關(guān)節(jié)建模
3.3.2基于干擾觀測器的滑?刂品抡
3.3.3不同控制算法的正弦跟蹤響應(yīng)
習(xí)題
第4章AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人
4.1差速AGV系統(tǒng)
4.1.1AGV分類
4.1.2AGV導(dǎo)引方式
4.1.3AGV系統(tǒng)構(gòu)成
4.2AGV運(yùn)動學(xué)建模
4.3模糊控制器設(shè)計
4.4AGV系統(tǒng)仿真
4.4.1模糊控制器仿真
4.4.2Simulink模型搭建
4.4.3仿真結(jié)果及分析
習(xí)題
第5章四旋翼飛行機(jī)器人
5.1四旋翼飛行器動力學(xué)建模
5.1.1坐標(biāo)系設(shè)定
5.1.2剛體動力學(xué)模型
5.2抗干擾反步滑模控制器設(shè)計
5.2.1滑模變結(jié)構(gòu)控制
5.2.2指數(shù)型時變趨近律設(shè)計
5.2.3指數(shù)型時變增益趨近反步滑?刂
5.3抗干擾反步滑模控制仿真分析
習(xí)題
第6章足式移動機(jī)器人
6.1足式移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)建模
6.1.1正運(yùn)動學(xué)建模
6.1.2逆運(yùn)動學(xué)建模
6.2步態(tài)穩(wěn)定性分析
6.2.1三支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.2四支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.3五支撐足步態(tài)規(guī)劃
6.2.4不同步態(tài)下穩(wěn)定裕度的比較
6.3行走控制仿真
習(xí)題
第7章工業(yè)機(jī)器人建模與仿真
7.1工業(yè)機(jī)器人建模和分析
7.1.1機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與建模
7.1.2動力學(xué)分析及建模
7.1.3機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模
7.1.4ADAMS和Simulink聯(lián)合仿真方案設(shè)計
7.2控制系統(tǒng)建模
7.2.1主動柔順控制算法
7.2.2控制策略分析
7.3主動柔順控制仿真
習(xí)題
第8章工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)技術(shù)
8.16自由度工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)概述
8.2工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)數(shù)學(xué)建模和編程
8.3工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)測量設(shè)備簡介
8.4工業(yè)機(jī)器人本體校準(zhǔn)仿真分析
習(xí)題
第9章機(jī)器人仿真平臺
9.1ADAMS簡介
9.1.1ADAMS界面簡介
9.1.2設(shè)計基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真
9.2Webots仿真環(huán)境介紹
9.2.1Webots平臺簡介
9.2.2Webots界面介紹
9.2.3建立簡單模型
9.2.4建立并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)
習(xí)題
參考文獻(xiàn)