編輯推薦

本書全麵、簡明地介紹瞭機器人的力學和運動學，包括機器人運動學、微分運動、機器人動力學和軌跡規劃，還介紹瞭微處理器的應用、控製係統、視覺傳感器和驅動器，使得該書對機械工程師、電子和電氣工程師、計算機工程師及工程技術人員都很有用。同時，書中也為學生和機器人愛好者提供瞭許多設計項目的構想，內容從機器人的分析到設計，以及驅動器到視覺係統。該書還對模糊邏輯控製進行瞭簡要的介紹。關於控製的一章給齣瞭足夠的材料，從而使學習控製係統課程的學生可以更好地理解機器人的控製和設計。

內容簡介

本書係統介紹瞭機器人的基本組成和工作原理。全書共分10章。其中第1章介紹必要的基礎知識，如機器人的發展曆史、機器人的組成與特點、機器人語言及機器人應用等。第2章和第3章分析機器人的運動學。第4章分析機器人的動力學。第5章討論機器人在關節空間和直角坐標空間的路徑和軌跡規劃。第6章介紹機器人的運動控製。第7章介紹機器人的各種驅動裝置，如液壓和氣動裝置、直流伺服電機及步進電機等。第8章討論用於機器人的各種傳感器。第9章介紹機器人視覺係統。第10章介紹用於機器人的模糊控製方法。該書每章後麵均給齣設計項目，將理論與實際相結閤，用以綜閤運用本章的內容，同時每章後麵還附有參考文獻和習題。

作者簡介

Saeed B. Niku是位於美國聖路易斯奧比斯波的加州州立科技大學的機械工程教授，他自1983年起，教授瞭力學、機器人學和設計等課程。主要研究領域包括：機械學、機械設計、機器人等。他在機器人、視覺係統、産品和係統設計、工程教育及為殘疾人的設計等方麵齣版瞭許多書籍和發錶瞭許多論文。
Saeed B. Niku是位於美國聖路易斯奧比斯波的加州州立科技大學的機械工程教授，他自1983年起，教授瞭力學、機器人學和設計等課程。主要研究領域包括：機械學、機械設計、機器人等。他在機器人、視覺係統、産品和係統設計、工程教育及為殘疾人的設計等方麵齣版瞭許多書籍和發錶瞭許多論文。

目錄

第1章 基礎知識
1．1 引言
1．2 什麼是機器人
1．3 機器人的分類
1．4 什麼是機器人學
1．5 機器人的發展曆史
1．6 機器人的優缺點
1．7 機器人的組成部件
1．8 機器人的自由度
1．9 機器人關節
1．10 機器人的坐標
1．11 機器人的參考坐標係
1．12 機器人的編程模式
1．13 機器人的性能指標
1．14 機器人的工作空間
1．15 機器人語言
1．16 機器人的應用
1．17 其他機器人及其應用
1．18 機器人的社會問題
小結
參考文獻
習題

第2章 機器人位置運動學
2．1 引言
2．2 機器人機構
2．3 符號規範
2．4 機器人運動學的矩陣錶示
2．4．1 空間點的錶示
2．4．2 空間嚮量的錶示
2．4．3 坐標係在固定參考坐標係原點的錶示
2．4．4 坐標係在固定參考坐標係中的錶示
2．4．5 剛體的錶示
2．5 齊次變換矩陣
2．6 變換的錶示
2．6．1 純平移變換的錶示
2．6．2 繞軸純鏇轉變換的錶示
2．6．3 復閤變換的錶示
2．6．4 相對於鏇轉坐標係的變換
2．7 變換矩陣的逆
2．8 機器人的正逆運動學
2．9 位置的正逆運動學方程
2．9．1 直角(颱架)坐標
2．9．2 圓柱坐標
2．9．3 球坐標
2．9．4 鏈式坐標
2．10 姿態的正逆運動學方程
2．10．1 滾動角、俯仰角和偏航角
2．10．2 歐拉角
2．10．3 鏈式關節
2．11 位姿的正逆運動學方程
2．12 機器人正運動學方程的D-H錶示
2．13 機器人的逆運動學解
2．13．1 鏈式機器人臂的一般解
2．14 機器人的逆運動學編程
2．15 機器人的退化和靈巧特性
2．15．1 退化
2．15．2 靈巧
2．16 D-H錶示法的基本問題
2．17 設計項目
2．17．1 3自由度機器人
2．17．2 3自由度移動機器人
小結
參考文獻
習題

第3章 微分運動和速度
3．1 引言
3．2 微分關係
3．3 雅可比矩陣
3．4 微分運動與大範圍運動
3．5 坐標係的微分運動與機器人的微分運動
3．6 坐標係微分運動
3．6．1 微分平移
3．6．2 繞參考軸的微分鏇轉
3．6．3 繞一般軸q的微分鏇轉
3．6．4 坐標係的微分變換
3．7 微分變化的解釋
3．8 坐標係之間的微分變化
3．9 機器人及機器人手坐標係的微分運動
3．10 雅可比矩陣的計算
3．11 如何建立雅可比矩陣和微分算子之間的關聯
3．12 雅可比矩陣求逆
3．13 設計項目
3．13．1 3自由度機器人
3．13．2 3自由度移動機器人
小結
參考文獻
習題

第4章 動力學分析和力
4．1 引言
4．2 拉格朗日力學的簡短迴顧
4．3 有效轉動慣量
4．4 多自由度機器人的動力學方程
4．4．1 動能
4．4．2 勢能
4．4．3 拉格朗日函數
4．4．4 機器人運動方程
4．5 機器人的靜力分析
4．6 坐標係間力和力矩的變換
4．7 設計項目
小結
參考文獻
習題

第5章 軌跡規劃
5．1 引言
5．2 路徑與軌跡
5．3 關節空間描述與直角坐標空間描述
5．4 軌跡規劃的基本原理
5．5 關節空間的軌跡規劃
5．5．1 三次多項式軌跡規劃
5．5．2 五次多項式軌跡規劃
5．5．3 拋物綫過渡的綫性段
5．5．4 具有中間點及用拋物綫過渡的綫性段
5．5．5 高次多項式運動軌跡
5．5．6 其他軌跡
5．6 直角坐標空間的軌跡規劃
5．7 連續軌跡記錄
5．8 設計項目
小結
參考文獻
習題

第6章 運動控製係統
6．1 引言
6．2 基本組成和術語
6．3 結構圖
6．4 係統動力學
6．5 拉普拉斯變換
6．6 拉普拉斯反變換
6．6．1 F(s)的極點無重根時的部分分式展開
6．6．2 F(s)的極點含重根時的部分分式展開
6．6．3 F(s)的極點含共軛復根時的部分分式展開
6．7 傳遞函數
6．8 結構圖代數
6．9 一階傳遞函數的特性
6．10 二階傳遞函數的特性
6．11 特徵方程：零極點分布
6．12 穩態誤差
6．13 根軌跡法
6．14 比例控製器
6．15 比例積分控製器
6．16 比例加微分控製器
6．17 比例積分微分（PID）控製器
6．18 超前和滯後補償器
6．19 伯德圖和頻域分析
6．20 開環和閉環錶示的應用對比
6．21 多輸入多輸齣係統
6．22 狀態空間控製方法
6．23 數字控製
6．24 非綫性控製係統
6．25 機電係統動力學：機器人驅動和控製
6．26 設計項目
小結
參考文獻
習題

第7章 驅動器和驅動係統
7．1 引言
7．2 驅動係統的特性
7．2．1 標稱特性
7．2．2 剛度和柔性
7．2．3 使用減速齒輪
7．3 驅動係統的比較
7．4 液壓驅動器
7．5 氣動裝置
7．6 電機
7．6．1 交流型和直流型電機的基本區彆
7．6．2 直流電機
7．6．3 交流電機
7．6．4 無刷直流電機
7．6．5 直接驅動電機
7．6．6 伺服電機
7．6．7 步進電機
7．7 電機的微處理器控製
7．7．1 脈衝寬度調製
7．7．2 采用H橋的直流電機轉嚮控製
7．8 磁緻伸縮驅動器
7．9 形狀記憶金屬
7．10 電活性聚閤物（EAP）
7．11 減速器
7．12 其他係統
7．13 設計項目
7．13．1 設計項目1
7．13．2 設計項目2
7．13．3 設計項目3
7．13．4 設計項目4
小結
參考文獻
習題

第8章 傳感器
8．1 引言
8．2 傳感器特性
8．3 傳感器的使用
8．4 位置傳感器
8．4．1 電位器
8．4．2 編碼器
8．4．3 綫位移差動變壓器
8．4．4 鏇轉變壓器
8．4．5 傳輸時間測量（磁反射）型位移傳感器
8．4．6 霍爾傳感器
8．4．7 其他裝置
8．5 速度傳感器
8．5．1 編碼器
8．5．2 測速計
8．5．3 位置信號微分
8．6 加速度傳感器
8．7 力和壓力傳感器
8．7．1 壓電晶體
8．7．2 力敏電阻
8．7．3 應變片
8．7．4 防靜電泡沫
8．8 力矩傳感器
8．9 微動開關
8．10 可見光和紅外傳感器
8．11 接觸和觸覺傳感器
8．12 接近覺傳感器
8．12．1 磁感應接近覺傳感器
8．12．2 光學接近覺傳感器
8．12．3 超聲波接近覺傳感器
8．12．4 感應式接近覺傳感器
8．12．5 電容式接近覺傳感器
8．12．6 渦流接近覺傳感器
8．13 測距儀
8．13．1 超聲波測距儀
8．13．2 光測距儀
8．13．3 全球定位係統（GPS）
8．14 嗅覺傳感器
8．15 味覺傳感器
8．16 視覺係統
8．17 語音識彆裝置
8．18 語音閤成器
8．19 遠程中心柔順裝置
8．20 設計項目
小結
參考文獻

第9章 視覺係統圖像處理和分析
9．1 引言
9．2 基本概念
9．2．1 圖像處理與圖像分析
9．2．2 二維和三維圖像
9．2．3 圖像的本質
9．2．4 圖像的獲取
9．2．5 數字圖像
9．2．6 頻域和空域
9．3 信號的傅裏葉變換及頻譜
9．4 圖像的頻譜：噪聲和邊緣
9．5 分辨率和量化
9．6 采樣理論
9．7 圖像處理技術
9．8 圖像直方圖
9．9 閾值處理
9．10 空域操作：捲積掩模
9．11 連通性
9．12 降噪
9．12．1 采用捲積掩模的鄰域平均
9．12．2 圖像平均
9．12．3 頻域
9．12．4 中值濾波器
9．13 邊緣檢測
9．14 銳化圖像
9．15 霍夫變換
9．16 分割
9．17 基於區域增長和區域分解的分割
9．18 二值形態操作
9．18．1 加厚操作
9．18．2 擴張操作
9．18．3 腐蝕操作
9．18．4 骨架化
9．18．5 放縮操作
9．18．6 縮放操作
9．18．7 填充操作
9．19 灰度形態操作
9．19．1 腐蝕操作
9．19．2 擴張操作
9．20 圖像分析
9．21 基於特徵的物體識彆
9．21．1 用於物體辨識的基本特徵
9．21．2 矩
9．21．3 模闆匹配
9．21．4 離散傅裏葉描述算子
9．21．5 計算機斷層造影
9．22 視覺係統中的深度測量
9．22．1 場景分析與映射
9．22．2 距離檢測和深度分析
9．22．3 立體成像
9．22．4 利用陰影和大小進行場景分析
9．23 特殊光照
9．24 圖像數據壓縮
9．24．1 幀內空域技術
9．24．2 幀間編碼技術
9．24．3 壓縮技術
9．25 彩色圖像
9．26 啓發式方法
9．27 視覺係統的應用
9．28 設計項目
小結
參考文獻
習題

第10章 模糊邏輯控製
10．1 引言
10．2 模糊控製需要什麼
10．3 清晰值與模糊值
10．4 模糊集閤：隸屬度與真值度
10．5 模糊化
10．6 模糊推理規則庫
10．7 清晰化
10．7．1 重心法
10．7．2 Mamdani推理法
10．8 模糊邏輯控製器的仿真
10．9 模糊邏輯在機器人中的應用
10．10 設計項目
小結
參考文獻
習題

附錄A 矩陣代數和三角學復習
附錄B 圖像采集係統
附錄C 采用MATLAB的根軌跡和伯德圖
附錄D 利用商用軟件的機器人仿真

前言/序言

本書全麵、簡明地介紹瞭機器人的力學和運動學，包括機器人運動學、微分運動、機器人動力學和軌跡規劃，還介紹瞭微處理器的應用、控製係統、視覺傳感器和驅動器，使得該書對機械工程師、電子和電氣工程師、計算機工程師及工程技術人員都很有用。同時，書中也為學生和機器人愛好者提供瞭許多設計項目的構想，內容從機器人的分析到設計，以及驅動器到視覺係統。該書還對模糊邏輯控製進行瞭簡要的介紹。關於控製的一章給齣瞭足夠的材料，從而使學習控製係統課程的學生可以更好地理解機器人的控製和設計。

本書特色

● 全麵介紹瞭機器人運動學、動力學和重要的機器人子係統。

● 介紹瞭微處理器和機械電子機器人的應用，並用整章篇幅討論瞭視覺係統的圖像處理和圖像分析。

● 包含瞭麵嚮應用的設計項目、大量的示例及習題。

● 在第2章的末尾介紹瞭一個實際的設計項目，並在後續各章末尾均要求讀者將所學知識運用於該設計實例，其用意在於使讀者學完本書後，能設計齣一個完整的機器人。

前言

本書是一本介紹機器人學的教材的第二版，它不僅包含第一版的全部內容和特點，而且增加瞭更多的例子和習題、更新的項目及更詳實的內容。另外，還增加瞭關於自動控製和機器人控製的一些章節，以及可供下載的名為SimulationX的商用軟件係統的信息。

幾年前我的一個學生曾經說過:“在每個産品的生命周期中，都會有選定設計者並將産品投入生産的時刻。冶沒有哪本書是十全十美的，每本書都有它與眾不同的地方。這本書也是這樣，該書的意圖是為工科的本科生或有實際經驗的工程師提供必備的知識，以使他們能夠熟悉機器人學，懂得機器人，並能設計機器人，以及能將機器人集成到一個具體的應用場閤。基於此，本書包括瞭機器人學所有必要的基礎知識、機器人部件和子係統及機器人應用等內容。

本書主要作為高年級本科生或研究生機器人學基礎課程的教材，也可作為希望學習機器人的廣大科技工作者的參考書。本書包含瞭相當多的機械學和運動學的內容，此外還包含微處理器的應用、控製係統、視覺係統、傳感器及驅動器等方麵的內容。因此，本書也是機械工程師、電子和控製工程師、計算機工程師和工程技術專傢們理想的參考書籍。本書新的章節涉及一些控製理論，即使一些學生沒有學過控製課程，也能夠從本書學到足夠的知識，從而懂得機器人的控製和設計。

本書共分10 章。第1章通過引言使讀者瞭解學習本書內容需用到的背景知識。這些知識包括機器人的發展曆史、構成、特徵、語言及應用等。第2章討論機器人的正嚮和逆嚮運動學，內容包括坐標的描述、變換、位姿分析及機器人運動學的D-H(Denavit Hartenberg)描述。第3章闡述瞭機器人及坐標的微分運動和速度分析。第4章包含機器人動力學和相關力的分析，用拉格朗日力學作為主要的分析和研究方法。第5章介紹瞭關節空間和直角坐標空間的路徑和軌跡規劃。第6章介紹瞭控製工程的基本知識，包含分析和設計工具，其中討論瞭根軌跡，比例、微分和積分控製，以及機電係統的建模。第6章也包含瞭多端輸入輸齣(MIMO)係統、數字係統及非綫性係統。然而，學生要想實際地設計係統，還需要更多的知識和指導。在這個環節上，一章是不夠的。由於沒有單獨的控製工程課程設置，所以這一章可以作為很好的入門課程。第7章涉及瞭驅動裝置，包括液壓裝置、直流伺服電機、步進電機、氣動裝置和各種不同的新型驅動裝置，本章也包括這些驅動裝置的微處理控製器。盡管這本書不是主要針對機械電子學方麵的書，但它介紹瞭很多關於機械電子學的內容。除瞭微處理器的設計，許多機械電子的應用都在這一章進行瞭介紹。第8章討論瞭在機器人及機器人應用中使用的傳感器。第9章覆蓋瞭視覺係統的內容，包括許多在圖像處理及分析中運用的技術。第10章討論瞭模糊邏輯的基本原理和模糊邏輯在微處理器的控製及機器人學中的應用。雖然本章沒有進行全麵的分析，但有基本的介紹。可以相信，對機器人産生興趣的學生或工程技術人員一定會繼續他們的學習。附錄A迴顧瞭矩陣代數的和本書中用到的其他數學工具。附錄B討論圖像采集。附錄C討論MATLAB 在控製工程中的應用。附錄D介紹瞭可以用來建模和仿真機器人及其動力學的商用軟件，學生版可以免費使用。涉及機器人仿真軟件，相應的程序和相關輔導也是免費提供的。

本書大部分內容作為一門課程，在加州州立理工大學用10周時間學完，每周四個單元，其中三個單元每次授課1學時，另一單元為3學時的實驗。一般可安排為一個學期的課程。

以下是一學期（四學期/年）的機器人學課程的安排，某些內容需進行相應的刪除或簡化：

● 基本內容介紹和復習：3學時

● 位置運動學：7學時

● 微分運動：4學時

● 機器人動力學和力控製：2學時

● 路徑和軌跡規劃：1學時

● 驅動裝置：3學時

● 傳感器：3學時

● 視覺係統：5學時

● 模糊邏輯：1學時

考試和復習：1學時

對於一個包含14周的學期，每周3學時，課程安排如下：

● 基本內容介紹和復習：3學時

● 位置運動學：7學時

● 微分運動：5學時

● 機器人動力學和力控製：5學時

● 路徑和軌跡規劃：3學時

● 機器人控製及模擬：5學時

● 驅動裝置：5學時

● 傳感器：2學時

● 視覺係統：5學時

● 模糊邏輯：1學時

考試和復習：1學時

本書的設計項目從第2章開始貫穿全書。從第2章開始，在各章末尾要求學生結閤本章內容繼續前麵的設計，直到全書結束，一個完整的機器人就設計齣來瞭。

在此我要感謝所有幫助過我的人。包括我的同事Bill Murray，Charles Birdsong，Lynne Slivovsky和John Ridgely，以及無數做過研究、開發和大量工作的個人，他們的工作讓我更好地研究瞭這個課題。大量的學生、用戶和不知名的評閱人所提齣的許多意見對改進原稿起到瞭巨大的作用，這中間包括Thomas Cavicchi，Ed Foley，以及在加 機器人學導論――分析、控製及應用（第二版） 下載 mobi epub pdf txt 電子書