机器人智能控制

孙增圻，1913年生。

1966年毕业于清华大学自

控系留校任教1981年在瑞

典获博士学位 现为清华

大学计算机系教授，IEEE

高级会员。主要从事智能

控制、机器人、计算饥控

制及控制系统CAD等的

研究和教学。共鉴定成果

6项，获奖两项，发表论

文80多篇，编著书6本。

目 录

前 言

第一章 绪论

1.1机器人的发展

1.1.1名称和定义

1.1.2发展概况

1.2机器人的基本组成

1.3机器人的分类

1.3.1按功能

1.3.2按控制的类型

1.3.3按动作机构

1.3.4按用途

1.3.5按负载能力及工作空间范围

1.3.6按自由度的多少及类型

1.4机器人的应用

1.4.1应用机器人的益处

1.4.2机器人在工业上的主要应用

1.4.3机器人的非工业应用

1.5机器人的技术指标

第二章 位姿运动学

2.1齐次变换

2.1.1刚体的位置和方位

2.1.2坐标变换

2.1.3欧拉角

2.1.4齐次变换

2.1.5变换的相对性

2.1.6逆变换

2.2正运动学

2.2.1开环运

2.2.2D－H表示法

2.2.3正运动学问题求解

2.3逆运动学

2.3.1概述

2.3.26RPUMA560机械手的逆运动学解

2.3.35R1P斯坦福机械手的逆运动学解

2.3.4逆运动学问题求解方法讨论

2.4计算方面的考虑

练习

第三章 微分运动学

3.1坐标系的线速度和角速度

3.1.1刚体运动的描述

3.1.2坐标变换的导数

3.1.3微分旋转

3.1.4工具速度与工具位姿导数的关系

3.2速度正运动学方程

3.2.1雅可比 （Jacobian）矩阵

3.2.2雅可比矩阵的计算

3.3速度逆运动学

3.3.1求逆雅可比矩阵法

3.3.2冗余度

3.3.3优化法

3.3.4解析法

3.3.5查表和插值法

3.4加速度运动方程

3.4.1刚体的加速度

3.4.2机械手的加速度运动方程

3.5小结

练习

第四章 静力学

4.1力和力矩分析

4.1.1力和力矩的平衡

4.1.2等效关节力矩

4.1.3对偶性

4.1.4力和力矩的变换

4.2刚性

4.2.1机械手的刚性和变形

4.2.2末端柔性分析

4.2.3柔性矩阵的主轴变换

练习

第五章 动力学

5.1.牛顿－欧拉法建立动力学方程

5.1.1单刚体的动力学方程

5.1.2机械手动力学方程的封闭形式

5.1.3动力学方程的物理解释

5.2拉格朗日法建立动力学方程

5.2.1拉格朗日动力学

5.2.2机械手的惯性张量

5.2.3拉格朗日运动方程的推导

5.2.4广义坐标的变换

5.3逆动力学计算

5.3.1概述

5.3.2基于牛顿－欧拉方程的递推算法

5.3.3改进的递推算法

5.4正动力学计算

5.5小结

练习

第六章 轨迹规划和生成

6.1问题的描述

6.2关节空间法

6.2.1三次多项式函数插值

6.2.2抛物线连接的线性函数插值

6.3直角坐标空间法

6.3.1线性函数插值

6.3.2圆弧插值

6.3.3与关节空间法的比较

6.4轨迹的实时生成

6.4.1采用关节空间法时的轨迹生成

6.4.2采用直角坐标空间法时的轨迹生成

6.5路径的描述

6.6进一步的规划研究

6.6.1利用动力学模型的轨迹规划

6.6.2任务规划

练习

第七章 关节驱动与测量部件

7.1驱动部件

7.1.1液压驱动装置

7.1.2电动驱动装置

7.2测量部件

7.2.1位置测量

7.2.2速度测量

7.3机器人关节控制系统举例

第八章 位姿控制

8.1位姿控制问题的描述

8.1.1两种基本的控制形式

8.1.2机器人的动力学模型

8.1.3控制问题描述

8.1.4控制器的计算机实现

8.2独立关节PID控制

8.2.1控制规律设计

8.2.2稳定性分析

8.3分解运动速度控制

8.3.1控制框图

8.3.2控制规律设计及稳定性分析

8.3.3s的计算

8.4分解运动加速度控制

8.4.1控制方法

8.4.2系统分析

8.4.3鲁棒控制

8.5计算力矩控制

8.5.1控制方法

8.5.2系统分析

8.5.3鲁棒控制

8.6变结构控制

8.6.1变结构系统的基本概念

8.6.2具有滑动态的变结构控制

8.6.3一般非线性系统的变结构控制

8.6.4平滑控制量的变结构控制

8.6.5机器人的变结构控制

8.7自适应控制

8.7.1概述

8.7.2基于参数优化的MRAC

8.7.3基于李雅普诺夫方法的MRAC

8.7.4基于超稳定性理论的MRAC

8.7.5基于直接离散模型的STAC

8.7.6基于摄动模型的STAC

练习

第九章 柔顺运动控制

9.1力传感器

9.1.1力传感器的不同类型

9.1.2腕力传感器的工作原理

9.1.3腕力传感器标定矩阵的确定

9.2柔顺运动控制的基本概念和方法

9.2.1柔顺坐标系的建立

9.2.2自然约束和人为约束

9.2.3被动柔顺和主动柔顺

9.2.4柔顺控制任务描述

9.2.5.柔顺控制的基本方法

9.3阻抗控制

9.3.1控制方法

9.3.2位置控制功能分析

9.3.3柔顺控制功能分析

9.3.4基于分解位置的阻抗控制

9.3.5基于分解加速度的阻抗控制

9.4混合控制

9.4.1单纯的力控制

9.4.2基于运动学的混合控制

9.4.3基于计算力矩方法的混合控制

9.4.4基于分解加速度的的混合控制

练习

第十章 智能控制

10.1概述

10.1.1智能控制的基本概念

10.1.2智能控制的发展概况

10.1.3智能控制理论的主要内容

10.2神经元网络在机器人控制中的应用

10.2.1神经元网络控制概述

10.2.2神经元网络运动学控制

10.2.3神经元网络动力学控制

10.2.4神经元网络路径规划

10.3机器人分层递阶智能控制

10.3.1一般结构原理

10.3.2组织级

10.3.3协调级

10.3.4执行级

参考文献

本书对目前机器人中常用

的控制方法进行了讨论，

同时也介绍了目前正在

研究的许多典型方法。

智能控制是一门正在兴起

的新的理论和技术，本书

着重介绍了神经元网络在

机器人控制中的应用以及

机器人分层递阶的智能控

制方法

本书可作为计算机、

自动化、电子、机械等有

关专业的大学生或研究生

教材，也可供有关的教师

及科研人员学习参考。

研究空间曲线焊缝机器人焊接质量智能控制的关键技术及实现途径。研究了机器人焊接避磁路径和参数的自主规划技术并研制了离线规划划仿真软件；采用维视觉技术实现对初始焊位的识别、自动导引、焊缝跟踪和机器人运动协调控制；研究基于视觉图象传感、模糊逻辑、神经网络和专家系统相结合的脉冲TIG焊熔池动态过程的智能化传感、建模与控制方法，使系统具有自学习和自适应的功能；研制了九自由度弧焊机器人的集成系统一焊接柔性加工单元，采用离散事件理论的Peteri网方法对其进行了建模与优化。实现了空间曲线焊缝机器人焊接全过程的质量智能控制。若干关键技术成果已成功地应用于航天飞行器等国防装备的焊接制造样件实验或型号实际生产。