现代机器人控制理论、方法与技术电子书

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前言

第1章　绪论一一机器人控制概论

1.1　机器人的概念及其分类

1.1.1　机器人的定义

1.1.2　机器人的分类

1.1.3　如何认识各类机器人的控制问题

1.1.4　对基于模型的机器人控制问题的总体认识

1.2　机器人控制方法

1.2.1　第1代～第2代——机器人的控制方法

1.2.2　第3代——智能机器人的控制方法

1.3　基于模型的机器人控制方法与本书内容安排

1.3.1　机器人学基础

1.3.2　机器人最基本的控制方法（运动学控制法和位置轨迹追踪控制法）

1.3.3　考虑不确定量的控制法（自适应控制和鲁棒控制）

1.3.4　力控制与力位混合控制法

1.3.5　机器人运动最优化与最优控制

1.3.6　柔性机器人操作臂建模与控制

1.3.7　多机器人的协调控制

1.3.8　主从机器人控制

1.3.9　移动/操作机器人控制

1.4　如何学好用好基于模型的机器人控制理论、方法与技术

1.4.1　打好工科先修课基础

1.4.2　客观看待作为被控对象的机器人并努力提高专业认知水平

1.5　关于“控制论”“控制理论”与“控制工程”

1.5.1　关于维纳的控制论及“控制”

1.5.2　控制理论与控制工程

【思考题与习题】

第2章　被控对象一一机器人系统的组成与控制问题

2.1　机器人系统总体构成

2.1.1　人类处理核废料的作业问题与机器人概念简介

2.1.2　机器人系统的一般组成

2.1.3　机器人系统一般组成的实例说明

2.2　工业机器人操作臂机械系统、机构与机械结构

2.2.1　工业机器人操作臂系统PUMA262/562

2.2.2　MOTOMAN K系列工业机器人操作臂

2.3　移动机器人系统、机构与机械结构

2.3.1　足式移动机器人系统及双足机器人机构与结构

2.3.2　四足机器人机构与机械结构

2.3.3　多移动方式的足式机器人系统、机构与机械结构

2.3.4　多移动方式仿猿双臂手机器人系统、机构与机械结构

2.3.5　轮式移动机器人的系统、机构与机械结构

2.3.6　小结

2.4　关于机器人控制的实际问题

2.4.1　机器人控制上的有界性与自身机构约束和奇异问题

2.4.2　机器人精度以及从控制上能否补偿机械精度不足的问题

2.4.3　关于机器人轨迹控制与力控制的实际问题

2.4.4　腿式、轮式移动机器人控制的实际问题

2.5　本章小结

【思考题与习题】

第3章　机器人运动控制的机构学基础

引言一一为什么要研究机器人机构运动学与动力学

3.1　机器人机构与位置、姿态表示

3.1.1　何谓机器人机构以及机器人机构的分类

3.1.2　机器人的自由度与关节

3.1.3　从工业机器人操作臂的应用来谈机器人机构中的数学问题

3.1.4　何谓机器人运动学？

3.1.5　机器人操作臂的坐标系表示与常用的臂部机构构型

3.1.6　作为工业机器人操作臂构形比较基准的初始构形（机构的初始位姿）

3.1.7　安装在工业机器人操作臂末端机械接口处的末端操作器的姿态表示

3.2　坐标系与坐标变换

3.2.1　物体和坐标系

3.2.2　物体间相对运动坐标变换的解析几何分析与齐次坐标变换矩阵

3.3　机器人机构正运动学解法及其解的用途

3.3.1　机器人机构的坐标系建立

3.3.2　机器人机构的杆件及关节的D-H参数表示法

3.3.3　机器人机构的正运动学求解方法与示例

3.3.4　机器人机构的正运动学求解方法与解的用途

3.4　机器人机构的逆运动学求解方法

3.4.1　逆运动学问题的一般解法

3.4.2　逆运动学问题的解析几何解法

3.5　机器人机构的雅可比矩阵

3.5.1　微小位移与雅可比矩阵

3.5.2　水平面内运动的2-DOF机械臂的雅可比矩阵

3.5.3　通用的雅可比矩阵表示

3.5.4　力与关节力矩间的关系

3.5.5　力的坐标变换关系

3.6　机器人机构的动力学

3.6.1　机器人机构的运动学与动力学问题的数学描述

3.6.2　矢量分析与矩阵变换在刚体或质点系运动学中的应用

3.6.3　从矢量表示的拉格朗日方程到用矩阵表示的拉格朗日方程

3.6.4　牛顿-欧拉法多刚体系统运动方程

3.7　机器人机构的运动方程的一般形式及其应用

3.7.1　多刚体系统运动方程

3.7.2　多刚体机器人系统的运动方程的一般形式

3.8　腿足式步行机器人机构及其运动学

3.8.1　关于腿足式步行机器人机构与运动学问题

3.8.2　关于腿足式步行机器人基本步态

3.8.3　腿足式步行机器人机构的运动学及步行样本生成方法

3.9　轮式移动机器人机构及其运动学与力学

3.9.1　轮式移动机器人概述

3.9.2　转向操纵型车轮的转向操纵原理

3.9.3　独立驱动型车轮的转向操纵原理

3.9.4　带有转向操纵机构的移动机器人小车转向角、转弯半径及曲率

3.9.5　带有独立转向型车轮的移动机器人小车转向角、转弯半径及曲率

3.9.6　轮式移动机器人走行所需的驱动力

3.9.7　考虑含有回转部分惯性矩的驱动力情况

3.10　本章小结

【思考题与习题】

第4章　机器人参数识别

4.1　为什么要进行机器人参数识别？

4.2　机器人运动方程与物理参数

4.3　机器人运动的限幅随机驱动与参数识别的基本思想

4.3.1　机器人运动的限幅随机驱动

4.3.2　机器人参数识别的基本思想和原理

4.4　机器人运动方程与基底参数的选择

4.4.1　机器人运动方程与参数

4.4.2　基底参数的定义及其选择

4.5　参数识别的原理和算法

4.5.1　逐次识别法

4.5.2　同时识别法

4.5.3　逐次识别法与同时识别法的优缺点讨论

4.6　参数识别实验前需考虑的实际问题

4.7　双足机器人参数识别与实验

4.7.1　基于足底力和关节位置/速度数据的机器人参数识别

4.7.2　参数识别的通用模型与求解算法

4.7.3　双足机器人的参数识别问题建模

4.7.4　双足机器人的参数识别实验与结果分析

4.8　本章小结

【思考题与习题】

第5章　机器人位置/轨迹追踪控制

5.1　机器人机构学与位置/轨迹追踪控制的总论

5.1.1　机器人运动学与动力学之间的关系

5.1.2　机器人位置/轨迹追踪控制的总论

5.2　机器人位置/轨迹追踪控制的基本概念与分类

5.2.1　机器人位置/轨迹追踪控制的一些基本概念

5.2.2　以焊接机器人操作臂为例对实际的位置/轨迹追踪控制中的轨迹进行说明

5.2.3　机器人位置/轨迹追踪控制方法的分类

5.3　机器人位置/轨迹追踪控制的PID控制

5.3.1　PID控制的数学与力学基本原理

5.3.2　机器人位置轨迹追踪控制的PID控制器

5.3.3　机器人位置轨迹追踪控制的PD控制系统与控制技术

5.4　动态控制

5.4.1　何谓机器人的动态控制

5.4.2　机器人的前馈动态控制

5.5　前馈+PD反馈的动态控制

5.5.1　何谓机器人的前馈+PD反馈的动态控制？

5.5.2　前馈+PD反馈的动态控制器及其控制系统构成

5.6　计算力矩控制法

5.6.1　何谓机器人动态控制的计算力矩控制法？

5.6.2　计算力矩控制法的控制器及其控制系统构成

5.7　加速度分解控制法

5.7.1　为什么需要加速度分解控制？

5.7.2　何谓机器人动态控制的加速度分解控制法

5.7.3　加速度分解控制法的控制器及其控制系统构成

5.7.4　机器人作业空间内有位姿轨迹外部测量系统的加速度分解控制系统

5.8　本章小结

【思考题与习题】

第6章　机器人力控制

6.1　机器人作业的分类与力控制基本概念

6.2　用于机器人力控制的力传感器及其应用

6.2.1　六维力与六维力传感器

6.2.2　JR3六维力/力矩传感器系统及其在力控制系统的应用

6.2.3　六维力/力矩传感器测得的力/力矩数据的转换和力学原理

6.2.4　关于机器人受到来自于环境作用的外力的处理方法与力反馈方式

6.3　机器人操作臂与作业环境的数学和力学建模

6.3.1　平面内机器人与作业环境或作业对象物的建模

6.3.2　n自由度机器人与作业环境或作业对象物的通用模型

6.3.3　关于机器人与环境力学模型的使用

6.4　基于位置控制的力控制系统

6.4.1　基于位置控制的力控制的概念和力控制方法的分类

6.4.2　刚度控制（stiffness control）的力控制系统

6.4.3　阻尼控制（damping control）的力控制系统

6.4.4　阻抗控制（impedance control）的力控制系统

6.4.5　假想柔顺控制（compliance control）的力控制系统

6.4.6　基于位置控制的力控制小结及自然思考

6.5　基于力矩控制的力控制系统

6.5.1　基于力矩控制的力控制系统的概念及分类

6.5.2　无动力学补偿的直角坐标系内基于J^T和PD控制的力控制系统及稳定性分析

6.5.3　无动力学补偿的混合控制方法与力控制系统

6.5.4　有动力学补偿的力控制方法

6.5.5　有动力学补偿的动态混合力控制方法

6.6　基于位置控制的力控制与基于力矩控制的力控制系统和方法的比较

6.7　本章小结

【思考题与习题】

第7章　机器人模型参数不确定下的动态控制——鲁棒控制和自适应控制

7.1　机器人模型的不确定性与动态控制问题

7.1.1　机器人模型及模型参数的不确定性

7.1.2　机器人动态控制问题

7.1.3　何谓机器人的鲁棒控制

7.1.4　何谓机器人的自适应控制

7.2　机器人动力学特征及动力学方程的不确定量

7.2.1　动力学特征

7.2.2　机器人模型存在的不确定量表示

7.3　基于逆动力学的基本控制方式和不确定性的影响

7.3.1　基于逆动力学的基本控制方式——公称控制

7.3.2　基于逆动力学的公称控制的增益矩阵K_p、K_v及闭环系统的稳定响应

7.3.3　不确定量对闭环系统稳定性影响的分析

7.4　基于李雅普诺夫方法的鲁棒控制

7.5　基于被动特性的鲁棒控制

7.5.1　基于被动特性的鲁棒控制的基本控制方式——公称控制

7.5.2　基于被动特性的鲁棒控制——基本控制方式下的不确定性影响

7.5.3　采用李雅普诺夫方法的鲁棒控制——基于被动特性的鲁棒控制及其改进版

7.6　机器人的自适应控制

7.6.1　自适应控制及其控制系统类型

7.6.2　机器人操作臂系统线性化的自适应控制应用问题

7.6.3　考虑机器人操作臂构造的自适应控制系统构成

7.6.4　自适应控制方法中的机器人操作臂系统的模型化问题

7.6.5　机器人系统模型化、基底参数和自适应控制控制律（控制算法）

7.7　本章小结

【思考题与习题】

第8章　机器人最优控制与最短时间控制

8.1　最优控制的基本概念和形式化

8.1.1　变分法的基本问题、概念及其发展

8.1.2　最优控制的基本概念

8.1.3　定常系统与非定常系统的最优控制问题及问题的转换

8.2　变分法在最优控制问题的应用

8.2.1　乘子向量λ（t）、哈密尔顿（Hamilton）函数H（x，u，λ）与欧拉（Euler）方程组

8.2.2　变分法用于最优控制问题时边界条件的规范化形式

8.3　最优控制中自由端点问题的最大值原理

8.3.1　自由端点问题的提法

8.3.2　最大值原理

8.4　最优控制中t_f可动时的自由端点问题的最大值原理

8.5　最优控制中终端状态带有约束的最大值原理

8.6　机器人最优控制及其最优控制输入求解问题的最优化表达

8.6.1　机器人最优控制的实际问题

8.6.2　机器人最优控制输入求解问题的最优化表达

8.7　机器人最优控制问题的最优控制输入求解方法

8.7.1　求解机器人最优控制输入问题的梯度法

8.7.2　梯度法求解机器人最优控制输入的数值解法算法与流程

8.8　机器人最短时间控制

8.8.1　机器人最短时间控制的形式化

8.8.2　2-DOF平面机器人最短时间控制的实验及结果

8.9　本章小结

【思考题与习题】

第9章　机器人柔性臂的建模与控制

9.1　柔性臂建模基础

9.1.1　从刚性的工业机器人操作臂到机器人柔性臂

9.1.2　机器人柔性臂的类型及基本原理

9.1.3　刚性关节-弹性杆件串联机器人柔性臂的坐标系与坐标变换

9.1.4　刚性关节-弹性杆件串联机器人柔性臂的正运动学方程

9.2　柔性臂动力学建模及其运动方程式

9.2.1　机器人柔性臂动力学建模的拉格朗日法

9.2.2　1杆机器人柔性臂的动力学建模

9.3　机器人柔性臂的控制理论与方法

9.3.1　状态方程式和输出方程式

9.3.2　机器人柔性臂的鲁棒稳定控制

9.4　机器人柔性臂控制仿真结果

9.4.1　机器人柔性臂模型及物理参数

9.4.2　机器人柔性臂控制仿真结果与分析

9.5　本章小结

【思考题与习题】

第10章　机器人协调控制

10.1　引言一一单台机器人与多机器人协调问题

10.1.1　如何看待多机器人协调问题？

10.1.2　关于多机器人协调控制的根本问题

10.2　多机器人操作的作业对象物的运动和内力

10.2.1　作业对象物的运动与坐标系定义

10.2.2　被操作的作业对象物所受的“内力”

10.3　多机器人操作作业对象物的协调控制问题与方法

10.3.1　引言——多机器人操作臂操作物体需要考虑的问题

10.3.2　物体的运动与内力的控制

10.3.3　关于负载的分配问题

10.4　基于阻抗控制的协调控制

10.4.1　引言

10.4.2　操持单个物体的柔顺控制问题与虚拟阻抗

10.4.3　操持单个物体的各机器人操作臂的阻抗控制

10.4.4　两台机器人操作臂协调进行装配作业的阻抗控制

10.5　本章小结

【思考题与习题】

第11章　主从机器人系统的主从控制

11.1　引言一一主从机器人概念与发展概况

11.1.1　何谓主从机器人系统和主从机器人操作臂系统

11.1.2　主从机器人发展概况

11.1.3　关于本章的特别说明

11.2　基本的双向控制

11.2.1　基本的双向控制系统的结构

11.2.2　1-自由度系统的模型化

11.2.3　对称型双向主从控制

11.2.4　力反射型双向主从控制

11.2.5　力归还型双向主从控制

11.2.6　双向控制系统的统一表示

11.3　主从机器人操作臂系统控制的稳定性

11.4　以系统稳定为目标的主从控制

11.4.1　并联（并行）型控制法（parallel control method）主从控制

11.4.2　基于假想（虚拟）内部模型的主从控制

11.4.3　主从操作的动态控制

11.4.4　主从操作的阻抗控制

11.5　主从机器人异构的主从控制

11.5.1　主从机器人系统操作存在的问题与主从异构的概念

11.5.2　在公共坐标系内进行的主从双向控制

11.5.3　在臂坐标系内进行的双向控制

11.6　本章小结

【思考题与习题】

第12章　移动机器人控制的基础理论、方法与技术

12.1　移动机器人控制概论

12.1.1　移动和移动方式及移动机器人分类

12.1.2　移动机器人技术发展概论

12.1.3　移动机器人控制的理论与实际问题

12.2　轮式移动机器人轨迹追踪控制

12.2.1　由与位移成比例的操纵机构操纵的直线移动轨迹控制

12.2.2　由与位移、速度成比例的操纵方法操纵的直线行走

12.2.3　独立二轮驱动型移动机器人的直线行走控制

12.2.4　轮式移动机器人直线行走控制方法的总结

12.2.5　轮式移动机器人轨迹追踪控制与电机电流控制

12.3　轮式机器人非完整约束系统与非线性控制

12.3.1　非线性控制与可积性

12.3.2　什么是非完整约束和非完整约束系统

12.3.3　非完整约束控制和欠驱动机械系统控制

12.3.4　非完整约束控制系统和欠驱动机械的几何模型

12.3.5　速度约束为非完整约束的车辆模型

12.4　轮式移动机器人的欠驱动控制与奇异点问题

12.4.1　引言

12.4.2　车辆控制和奇异点问题

12.4.3　车辆的轨迹追踪问题

12.4.4　车辆的目标轨迹追踪控制

12.5　轮式移动机器人的移动稳定性与稳定移动控制

12.5.1　轮式移动机器人的移动稳定性问题

12.5.2　双摆杆可变摆长倒立摆小车模型的动力学运动行为特性分析

12.5.3　载臂轮式移动机器人基于倒立摆小车模型的失稳恢复与稳定移动控制

12.6　腿足式步行移动机器人的稳定步行控制与全域自稳定器

12.6.1　关于腿足式步行移动机器人的稳定步行控制理论与方法概论

12.6.2　腿足式步行机器人用传感器原理与使用

12.6.3　ZMP概念及基于ZMP的稳定步行控制原理与技术

12.6.4　本田技研P2、P3型以及ASIMO等全自立仿人机器人的步行控制原理与技术

12.6.5　基于强化学习和并联机构训练平台的腿足式机器人全域自稳定器获得方法与实验

12.6.6　本节小结

12.7　本章小结

【思考题与习题】

附录　学堂在线“机器人控制的实际应用”MOOC（慕课）课程信息、知识点及与本书相关章节的对应关系

参考文献