机器人驱动与运动控制

第1章 机器人的基础概念 1 1.1 机器人的定义 1 1.2 机器人的组成 3 1.3 机器人的分类 4 1.4 机器人的技术参数 6 1.5 本章小结 9 1.6 课后习题 10 第2章 机器人运动学分析 11 2.1 机器人空间描述 11 2.1.1 空间点的描述 12 2.1.2 空间矢量的描述 12 2.1.3 坐标系的描述 13 2.1.4 刚体的描述 14 2.2 机器人位姿描述与坐标变换 15 2.2.1 位置的描述 16 2.2.2 姿态的描述 16 2.2.3 位姿的描述 17 2.2.4 机器人坐标变换 18 2.3 机器人齐次坐标变换 20 2.3.1 齐次坐标 20 2.3.2 纯平移变换 21 2.3.3 绕轴纯旋转变换 22 2.3.4 复合变换 25 2.3.5 机器人RPY与欧拉角 27 2.4 机器人运动学方程建立 29 2.4.1 连杆的描述 29 2.4.2 连杆参数和关节变量 30 2.4.3 机器人运动学建模 31 2.5 机器人运动学计算 36 2.5.1 机器人正运动学计算 37 2.5.2 机器人逆运动学计算 41 2.6 本章小结 44 2.7 课后习题 44 第3章 机器人动力学分析 47 3.1 机器人雅可比矩阵 48 3.1.1 雅可比矩阵的定义 48 3.1.2 速度雅可比矩阵的计算 49 3.1.3 力雅可比矩阵与静力计算 51 3.2 基于牛顿-欧拉法的动力学方程 53 3.3 基于拉格朗日法的动力学方程 57 3.4 机器人的轨迹规划 60 3.5 本章小结 62 3.6 课后习题 62 第4章 机器人控制系统与控制方式 64 4.1 机器人控制系统概述 64 4.1.1 机器人控制系统的基本原理及分类 64 4.1.2 机器人控制系统的功能 65 4.1.3 机器人控制系统的特点 66 4.1.4 机器人控制系统的组成 66 4.1.5 机器人控制系统的结构及控制方式 67 4.1.6 机器人操作系统 69 4.2 机器人的控制方式 71 4.2.1 机器人的伺服控制 71 4.2.2 机器人的位置控制 74 4.2.3 机器人的速度控制 75 4.2.4 机器人的力控制 76 4.3 典型机器人控制系统 77 4.3.1 ABB 78 4.3.2 FANUC 78 4.3.3 安川 78 4.3.4 库卡(KUKA) 79 4.3.5 国产机器人的控制系统 79 4.4 本章小结 80 4.5 课后习题 80 第5章 机器人传感系统 81 5.1 机器人传感系统概述 81 5.1.1 传感器的定义 81 5.1.2 传感器的分类 82 5.1.3 传感器的性能指标 83 5.1.4 机器人传感器的选择与要求 85 5.2 机器人内部传感器 86 5.2.1 位置/位移传感器 86 5.2.2 速度/加速度传感器 91 5.2.3 力/扭矩传感器 92 5.3 机器人外部传感器 93 5.3.1 触觉传感器 93 5.3.2 接近觉传感器 98 5.3.3 视觉传感器 101 5.4 机器人感知系统运动控制实例 103 5.4.1 焊接机器人 103 5.4.2 装配机器人 104 5.4.3 移动机器人 105 5.5 本章小结 107 5.6 课后习题 108 第6章 直流伺服电机及其驱动控制技术 109 6.1 直流伺服电机的结构 111 6.1.1 有刷直流伺服电机的结构 111 6.1.2 无刷直流伺服电机的结构 114 6.2 直流伺服电机的原理 117 6.2.1 有刷直流伺服电机的原理 117 6.2.2 无刷直流伺服电机的原理 120 6.3 无刷直流伺服电机的运行特性 124 6.3.1 启动特性 125 6.3.2 工作特性 126 6.3.3 调节特性 127 6.3.4 机械特性 128 6.4 无刷直流伺服电机的控制系统 129 6.4.1 PID控制 129 6.4.2 PID控制器设计 130 6.5 本章小结 137 6.6 课后习题 137 第7章 永磁同步电机及其驱动控制技术 139 7.1 永磁同步电机伺服控制系统的构成 139 7.2 永磁同步电机的结构与工作原理 140 7.3 永磁同步电机的数学模型 144 7.3.1 永磁同步电机的基本方程 144 7.3.2 永磁同步电机的d、q轴数学模型 147 7.4 正弦波永磁同步电机的矢量控制方法 149 7.4.1 id=0控制 150 7.4.2 *大转矩控制 150 7.4.3 弱磁控制 151 7.4.4 cosφ=1控制 152 7.4.5 *大效率控制 152 7.4.6 永磁同步电机的参数与输出范围 154 7.5 脉宽调制控制技术 156 7.5.1 正弦波脉宽调制(SPWM)控制技术 156 7.5.2 电流跟踪型PWM控制技术 161 7.5.3 电压空间矢量PWM控制技术 164 7.6 本章小结 173 7.7 课后习题 173 第8章 步进电机及其驱动控制技术 174 8.1 步进电机的结构和分类 174 8.1.1 反应式步进电机 174 8.1.2 永磁式步进电机 176 8.1.3 混合式步进电机 177 8.2 步进电机的运行原理 177 8.2.1 三相单三拍 178 8.2.2 三相双三拍 178 8.2.3 三相单双六拍 179 8.3 步进电机的运行特性 181 8.3.1 静态转矩特性 182 8.3.2 单脉冲运行 185 8.3.3 连续脉冲运行 186 8.4 步进电机的参数、选择与使用 188 8.5 本章小结 190 8.6 课后习题 190 第9章 机器人液压与气压传动控制 192 9.1 液压传动概述 192 9.1.1 液压传动系统的工作原理 192 9.1.2 液压传动系统的组成 194 9.1.3 液压传动系统的图形符号 195 9.1.4 液压传动的特点 196 9.1.5 液压传动技术的发展和应用 197 9.2 典型的液压传动系统 198 9.2.1 YT4543型组合机床动力滑台的液压传动系统 198 9.2.2 YB32200型四柱万能液压机的液压传动系统 202 9.3 气压传动基础知识 207 9.3.1 气压传动系统的工作原理 207 9.3.2 气压传动系统的组成 208 9.3.3 气压传动的特点 210 9.4 气动基本回路和气压传动系统实例 211 9.4.1 换向控制回路 211 9.4.2 压力控制回路 212 9.4.3 速度控制回路 215 9.4.4 气压传动系统实例 217 9.5 本章小结 220 9.6 课后习题 220 第10章 机器视觉 221 10.1 机器视觉概述 221 10.1.1 机器视觉系统的组成 224 10.1.2 视觉传感器 227 10.2 机器视觉算法与图像处理 228 10.2.1 数据结构 228 10.2.2 灰度值变换 229 10.2.3 图像平滑 232 10.2.4 傅里叶变换 233 10.2.5 几何变换 234 10.2.6 图像分割 235 10.2.7 特征提取 236 10.2.8 形态学 238 10.2.9 边缘提取 239 10.3 3D视觉技术 242 10.3.1 相机模型和参数 242 10.3.2 相机标定 243 10.3.3 双目立体视觉 244 10.3.4 光片技术 246 10.3.5 结构光技术 247 10.4 本章小结 248 10.5 课后习题 248 附录 249 参考文献 255