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1.内容简介

    本书系统地介绍了空间机构的基本组成原理、数学基础和机器人设计方法。全书共分9章：第1章介绍空间机构组成原理和自由度计算；第2章介绍图论和坐标变换数学方法；第3章介绍空间机构运动学和数学方程求解；第4章介绍空间机构的微分运动；第5章介绍空间机构动力学与静力学；第6章论述机器人机构与结构设计方法；第7章介绍机器人运动路径设计原理和轨迹规划方法；第8章介绍机器人相关的机械结构设计、驱动器、传感器和机器视觉的基本原理；第9章介绍机器人控制原理、模糊控制方法及在机器人中的应用。
本书可作为机械工程专业研究生教材，也可作为从事机器人及智能装备研究的科技人员参考用书。

2.出版前言
   

    随着机器人和智能机械技术的发展，空间机构学得到了越来越广泛的研究和应用。相对于平面机构而言，空间机构具有结构和运动的复杂性以及数学计算的实时性等特点；机器人机构学作为传统空间机构学的重要分支，推动了空间机构学与自动控制技术、计算机技术和先进制造技术的高度融合，形成了多学科渗透和交叉的新学科。机构的创新是机器人和智能机械系统自主创新的源泉，空间机构学则是机器人和智能机械系统发展的理论基础。本书的出版希望能对研究生的机器人课程教学有所帮助，让研究生能比较系统地学习空间机构学和机器人设计的基本理论和方法，在机器人和智能机械系统的研究和应用中面临机遇，迎接挑战。
    根据工信部研究生教材征集计划的要求，作为南京理工大学研究生教育优秀工程项目，在多届研究生课程教学的基础上，编者总结了空间机构学与机器人学方面的研究成果，编写了本书。本书分为空间机构学与机器人设计方法两篇，共九章内容。第一篇为空间机构学，侧重于机构学的数学基础，主要编写内容包括空间机构运动学、微分运动、动力学与静力学等。第二篇为机器人设计方法，主要编写内容涵盖了机器人机构的结构设计，机器人轨迹规划、运动驱动与传感器设计原理、智能控制原理等。
     参加本书编写的有张龙博士、张庆博士、祖莉博士和闫兴坤硕士。本书包含了由沈守范教授编写的《机构学的教学工具》中的“图论”章节的内容，在此深表谢意。
     本书可作为高等院校机械工程或机器人专业的研究生教材，或机械类本科生高年级选修课程教材。由于编者的水平和时间有限，难免存在误漏疏虞之处，竭诚欢迎读者和专家批评指正。

编者
于南京理工大学
2018年6月

3.目录

第一篇空间机构学
1空间机构组成原理3
1.1概述3
1.2机构自由度7
1.2.1空间开链机构自由度计算8
1.2.2空间单闭链机构自由度计算8
1.2.3空间多闭链机构自由度计算11
1.3空间机构组成原理12
1.3.1空间单闭链机构的组成13
1.3.2空间多闭链机构的组成15
1.3.3空间开链机构的组成18
习题20
2空间机构的数学基础21
2.1概述21
2.2图论21
2.2.1图与子图21
2.2.2通路的集合和最短通路27
2.2.3树理论31
2.2.4割集和断集37
2.2.5图的矩阵表示39
2.2.6平面图47
2.3坐标变换矩阵50
2.3.1构件的位置和姿态表示方法51
2.3.2坐标轴变换矩阵53
2.3.3齐次坐标变换54
2.3.4齐次坐标变换的逆变换59
2.3.5绕任意轴旋转的变换矩阵61
2.3.6等效转轴与等效转角63
2.4旋转变换矩阵性质与运算法则64
2.4.1旋转变换矩阵的性质64
2.4.2旋转变换矩阵的运算法则65
2.5多项式方程解法66
2.5.1对分区间法67
2.5.2迭代法67
2.5.3牛顿法67
2.6非线性方程组解法68
习题69
3空间机构运动学71
3.1概述71
3.2构件位置和姿态的矩阵表示方法71
3.2.1构件的位置和姿态72
3.2.2用欧拉角表示的构件姿态72
3.2.3用横滚角、俯仰角和偏转角表示的构件姿态73
3.2.4用柱面坐标表示构件的位置74
3.2.5用球面坐标表示构件的位置75
3.3坐标变换解76
3.3.1欧拉变换解76
3.3.2RPY变换解79
3.3.3柱面坐标变换解80
3.3.4球面坐标变换解81
3.3.5位移方程解82
3.4DH坐标与运动分析83
3.4.1DH坐标表示的位置和姿态矩阵83
3.4.2空间闭链机构位姿方程86
3.4.3空间闭链机构位移分析88
3.4.4空间闭链机构速度与加速度分析91
3.5典型空间机构运动学方程及解93
3.5.1运动学方程93
3.5.2运动学方程逆解97
3.6运动学方程编程方法100
3.7空间机构的退化与灵巧特性101
习题101
4空间机构的微分运动107
4.1概述107
4.2微分关系107
4.3雅可比矩阵108
4.4直角坐标系的微分运动110
4.4.1微分平移111
4.4.2微分旋转111
4.4.3绕任意轴的微分旋转112
4.4.4坐标系的微分变换112
4.5不同坐标系之间的微分运动114
4.5.1微分运动的等价变换114
4.5.2坐标系之间的微分关系117
4.6雅可比矩阵的计算120
4.6.1矢量积法120
4.6.2微分变换法121
4.7雅可比矩阵的逆124
习题126
5空间机构动力学与静力学128
5.1概述128
5.2平面机构动力学方程129
5.2.1质点系的拉格朗日动力学方程131
5.2.2质点系的牛顿欧拉动力学方程133
5.2.3构件系统的拉格朗日动力学方程135
5.3空间机构动力学方程136
5.3.1构件的速度和加速度137
5.3.2构件的动能和势能138
5.3.3动力学方程的推导141
5.3.4动力学方程的简化143
5.3.5二连杆机构动力学方程146
5.4机器人机构的动态特性148
5.4.1机构动态特性概述148
5.4.2机构稳定性149
5.4.3空间分辨率149
5.4.4机构精度分析150
5.4.5重复定位问题152
5.5空间机构静力学153
5.5.1力和力矩的表示方法153
5.5.2不同坐标系间的静力变换154
5.5.3关节力矩计算156
5.5.4有效载荷计算157
习题158
第二篇机器人设计方法
6机器人机构设计方法165
6.1概述165
6.2机器人机构的结构设计165
6.2.1手臂的结构形式165
6.2.2手腕的结构形式166
6.2.3手臂和手腕的机构学关系167
6.2.4构件的姿态167
6.2.5机器人机构的结构设计方法168
6.3机器人机构的尺寸设计170
6.3.1基于末杆位姿的构件参数设计170
6.3.2基于末杆活动空间的构件参数设计175
习题178
7轨迹规划方法179
7.1概述179
7.2路径与轨迹179
7.3关节空间与直角坐标空间180
7.4轨迹规划的基本原理181
7.5关节空间轨迹规划183
7.5.1三次多项式轨迹规划184
7.5.2五次多项式轨迹规划186
7.5.3抛物线过渡的线性运动轨迹187
7.5.4具有中间点及用抛物线过渡的线性运动轨迹190
7.5.5高次多项式运动轨迹190
7.5.6其他轨迹193
7.6直角坐标空间轨迹规划194
7.7连续轨迹设计197
习题197
8机器人驱动与传感器设计原理199
8.1概述199
8.2驱动器原理和减速器设计199
8.2.1液压驱动器199
8.2.2气动驱动器203
8.2.3电动机203
8.2.4磁致伸缩驱动器和位移传感器219
8.2.5形状记忆金属驱动器221
8.2.6精密减速器224
8.3传感器设计226
8.3.1机器人传感器分类与特性226
8.3.2位移传感器227
8.3.3力和力矩传感器231
8.3.4触觉传感器233
8.3.5接近觉传感器237
8.4机器视觉基本原理239
8.4.1图像与图像信号239
8.4.2图像处理基础248
8.4.3图像分析概述262
习题268
9机器人智能控制原理269
9.1概述269
9.2智能控制的概念269
9.2.1自动控制发展趋势269
9.2.2智能控制发展历程270
9.2.3智能控制概念272
9.2.4智能控制的结构理论273
9.3智能控制系统的分类275
9.3.1递阶控制系统275
9.3.2专家控制系统276
9.3.3模糊控制系统277
9.3.4学习控制系统278
9.3.5神经控制系统279
9.3.6进化控制系统280
9.4模糊数学逻辑282
9.4.1模糊集合与隶属度函数282
9.4.2模糊集合的表示方法283
9.4.3模糊集合的基本运算及其法则284
9.4.4模糊集合与普通集合的关系285
9.4.5模糊集合的隶属函数285
9.5模糊逻辑控制288
9.5.1模糊化方法288
9.5.2模糊推理规则库290
9.5.3解模糊化方法291
9.5.4模糊逻辑控制器293
9.5.5模糊逻辑在机器人控制中的应用296
9.6工业机器人控制系统简介299
9.6.1工业机器人控制系统的特点299
9.6.2工业机器人控制系统的基本功能300
9.6.3工业机器人的控制方式301
9.6.4工业机器人控制系统的基本组成302
习题303