机器人学导论——分析、系统及应用

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机器人手臂运动学方程建立,介绍详细
机器人学导论 分析、系统及应用 Introduction to robotics Analysis, Systems, Applications 美] Saeed t.Nku著 孙富春朱纪洪刘国袜等译 孙增圻宙校 電子工業出版礼 Publishing House of Electronics Industry 北京· BEJJINO 内容简介 个系垆地介绍了机器人的基本红成和工仟原理,全书共分9章,其屮第章介绍必要的基础知以,圳机器 人的发历史、机器人的组成与特点、机器人语白及机器人应用等第2章和第3章分析机器人的运列学、第4卓 分析机器人的动力学、第5章讨论机器人在关节空间和点角坐标空间的路径礼轨诬规划、第6章介绍机器人的各 种驱动装置,如液压利气动装置、育流伺服电机及步进电机等第7章讨论用于机器人的各种传感器,第章介 绍枕器人视觉系统第9章介细用「机器人的模糊控制方法同时,本书每章后面均附有参与文就和习题。 枣书容丰窩,反映了机器人学的基础知识以及与其和关约先进理论和技术。该叮作为机械、直动化及 计算机等专业本科牛级学生或酊究生的教材,也可供从事机器人学研究教成其他人员学4和参考。 Simplified Chinese edition Copyright C 20(4 by PE.ARSON EDUCATION AsIA lIMITE D)and Publishing House of eler tronics Industry Introduction to Rohoti's: Ana yHis, Systenis, Applications, ISHt: 0130f13096 bIy Saeed H Niku. Copyright@ 2() All Rights resered Published by arrangement wilh the original publisheR Pearsnn Fluc al iun ITi publishing as Prentice Hall This edition is authorized for sale only in the Peaple s republie of China excluding the sperial Administrative Region Hong Kong arid Macau 本书中文简体字翻译版子工业出版社和1 turun educational培生教出版中洲有限公司个作出版:未经出版 者先书面许可,不得以任何方式复制或抄袭书的任何部分。 本书封面贴[ arson educalion培生教育出版集区激光防伪标,无标笭者不得销售 版权贸易合同登记号图字:01-2003-0353 图书在版编目(C|P|数据 机器人学导论——一分忻、系统及应用(关)尼烨(ⅶku,SB.)著;孙富春等译.-北京;电子业出 版社.2041 国外训算机科学教材系列 书名文: InTroduction to robotics:Anl!ysi, System, Appl: cations ISBN7-5053-9340 机,Ⅱ.门)尼,②孙Ⅲ.机器人学-教ⅣV.TP24 中回版本图馆(TP数核字(24)第93号 责任编辑:赵红燕L思斯 卬刷:北总兴华印刷 出版发行:电了T业出版补 北京巾海淀区万寿路3指信箱邮编;OX036 经绡:各地新华书店 开本:787×980116印张:19.25字数:431T字 打次:2004年1月第次印刷 定价:2900元 凡购买电子丁业出版社的图书,如卡缺损问题,请向购买书后竭换:若书店售缺,请与本社发行部联系,联系 电话:(010)68279077量投诉请发邮科至zs@hei:omm.盜版侵仪举报请发邮件至luge@phei.com.cn 出版说明 2世纪初5至1年是我国国民经济和社会发展的重要时期,也是信息产业快速发展的关键 时期在我医加人WT后的今天,培养一支适应国际化竞争的一流I人才队伍是我国高等教育的 重要任务之一。信息科学和技术方面人才的优劣与多寡,是我国面对国际竞争时成败的关键因素。 兰前,正值我国高等教育特別是信息科学领域的教育调整、变芧的重大时期,为使我国教育体 制与国际化接轨,有条件的高等院校正在为某些信息学科和技术课程使用国外优秀教材和优秀原版 教材,以使我国在计算机教学上尽快赶上国际先进水平。 出子工业出版社秉承多年来引进国外优秀图书的经验,翻译出版了“国外计算机科学教材系 列”丛书,这套教材獲盖学科范甩广、领域、层次多,既有本科专业课程教材,也有研究生课程 教材,以适应不同院系、不同专业、不同层次的师生对教材的需求,广大师生可自由选择和自由组 合使用。这些教材涉及的学科方向包括网络与通信、操作系统、计算机组织与结构、算法与数据结 树、数据库与信息处理、編科浯言、图形图象与多媒体、软件『科等。同时,我们也适当引进了 些优秀英文原版教材,本者翻译版本和英文原版并重的原财,对重点图书既提供英文原版又提供相 应的翻译版夲。 在图书选题上,我们大都选择国外著名出版公司出版的高校教材,如 Pearson education培教 育出版集团、麦格芹-希尔教育出版集团、麻省理工学院出版社、剑桥大学出版社等。撰写教材的 许多作者都是声世界的教授、学者如道格拉斯科默( Douglas e. Comer)戚廉,斯托林斯 william Stallings)、哈维·戴特尔( Harvey M.Diel)尤利斯·布莱克( Unless black)等 为确保教材的选题质量和翻译质量,我们约请了清华大学、北京大学、北京航空航天大学、复 旦大学、上海交通大学、南京大学、渐江学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、西安交通大学 困防科学技术大学、解放军理工大学等著名髙校的教授和骨干教师参与了本系列教材的选题、翻译 和审校工作。他们中既有讲投同类教材的骨于教师、博上,也有积累了几十年教学经验的老教授和 傅[生导师 在该系列教材的选题、翻泽和编辑加工过程中,为提高教材质量,我们儆了大量细致的工作, 包括对所选教材进行全向论证;选择编辑时力求达钊专业对口;对排版、印制质量进行严格把关。 对于英文教材中出现的错误,我们通过与作者联络和网上下载勘误表等方式,逐一进行了修订。 此外,我们还将与国外著名出版公司合作,提供一些教材的教学支持资料,希望能为授课老师 提供帮助。今后,我们将绻续加强与各高校教师的密切联系,为广大帅生引进更多的国外优秀教材 和参考书,为我国计算机科学教学体系与国际教学体系的接轨做出努力 电子工业出版社 教材出版委员会 主任杨芙清北京大学教授 中国科学院院士 北京大学信息与工程学部主任 北京大学软件工程研究所所长 委员王珊中国人民大学信息学院院长、教授 胡道元清华大学计算机科学与技术系教授 国际信息处理联合会通信系统中国代表 钟玉琢清华大学计算机科学与技术系教授 中国计算机学会多媒体专业委员会主 谢希仁中国人民解放军理T大学教授 全军网络技术研究中心主任、博士生导师 尤晋元上海交通大学计算机科学与程系教授 上海分布计算技术中心主任 施伯乐上海国际数据库研究中心主任、复旦大学教授 屮国计算机学会常务理事、上海市计算机学会理事长 邹鹏国防科学技术大学计算机学院教授、博士生导师 教育部计算机基础课程教学指导委员会剧主任委员 张昆藏青岛大学信息工程学院教授 译者序 随着科学技心的发隈和社会的进步,机器人的应用越米越普及,它不仅广泛应用工业生产和 制造部门,而在航天、海洋探测、危除或条件恶劣的特殊环境中获得了大量应用,并且,它还逐 渐渗透到日生汗及教育娱乐等各个领坟、 机器人学是一门集机被、电子、控制及计算机等多个学科的综合技术。国内外越来越多的高校 设了这方面的课程,本书是在这样的背景下为机器人课程所编写的一本有重要影响的教材及参 专书 本卡最初是为加利福尼亚坦学院( Cal Poly}机械⊥程系的机器人学课稈而编写的,后经修 改而形成本书本书主要用做高年级本科生或研究生机器人学基础课程的教材同时也可用做学 机器人的大和技上作者的参考书。本书除包含运动学、动力学及轨迹规划等机器人运动分析的内 容外,也包含微处理器的应用、视觉系统、传感器及驱动器等主要的机器人子系统的实际内容:因 此,机械程师、电子和控制程师、计算机]程啡和工程技术专家们都可以接受并使用本书 本书介绍∫机器人学所有必要的基础知识、机器人部件、主要的子系统以及机器人应用等内容 木书在第2章的末尾介绍了一个实际为设计项目,并在其后的各章末尾均要求读者将所学知识 运用于该设计实例,从而可以使读者在学习完本书时能设计出一个比较完整的机器人 本书第章至第3章由刘迅栋翻译,笫4章、第6章及第7章由朱纪洪翻译,第5章、第8章 及笫9音由孙富春翻谇,全书由孙增圻审校 F于译校者的水平有限,书中肯定存在许多不足之处,热忱欢迎广大读者批评指正 几乍前我的一个学生曾经说过:“在每个产品的牛命周期中,都会有选定设计者井将产品投人 气的时刻。”写书也是这样,书的作者可能会试图囊括各种与该书行关的{材、仗其内容包罗万象 为彼匈位老师和学生都满意的书.但该的意图并非如此,这里的意图是写4书,它能为 科的本科生或有实际经验的工程师捉倛必备的知识,以使他们能够熟恶这门学科,了解机器人和机 器人学,并能设计机器人以及能将杋器人集成到一个具体的应用场合:基于此、本书包括∫机器人 学所有必要的基础知识,机器人部件和子系统以及机器人应用等内容 编写本书的最初目的是用于加利福尼亚理」学院机被I程系的机器人学课程在各界人|的 励下,经过一定的修改而变成巨前的形式ε忄书主用做高年级木刈生或研究机器人学基砷课程 的教材、也可用做希学机器人的实践工程师们的参考书本过含了相当多的机嫩半和运动学 的内容,此外.还包含微处理器的应用、视觉系统、传感器及电动机等方面的内容:因此,否书也 是机娀L程师、电力和电孑工程师、计算机工程归和工程技术专家们理想闐参书籍 本共分9章。第1章通过引言使读者了解学习本B内容须用到的背景知只、这些知识包括机 搽人的发展历史、构成、特征、语言应用等。第2章讨论机器人約正向和逆向运动学、其冈容包 括坐标的描述、变换、位姿分析以及机器人运动学的DH( Denavit-Haricrberg)描述第3向述 了机器人及坐标的微分运动和速度分析。第4章包含机器人动力学和相关力的分析、用拉格朗口丿 学作为土要的分析和研究方法。第5章介绍关节空间和直角标空间的跻径和轨迹规划。第6章分 析了驱动器.包括液压装置、直流伺服电动机和步进电机等各类电动机、气动装置以及其他许多新 型的驱动器等,也包括这些驱动器的微处理器控制:尽管这本书不是本完全约机子学方面的 书,但它包含∫相当多的机械电了学方的知以除了徽处玊器的设计、本还包含」机械电了学 多)面的应用ε笃⑦章介绍了机器人学和机器人应用中的传感器。第8音研究视觉系统,仙括许多 不同的图像处理和图像分析技术。第9章描述模糊逻辑的基本原埋以及它在微处理器控制和村器人 学方的应用。本书没有过多地讨论模糊逻辑分析,只做了一些基本介绍.相信对北感兴趣的学生 和[避师可以继续自学。附录A给出了仝书用到的矩阵代数和其他数学」具 由于本书对象为高年级学生或有实际经验的上程师因北假定使用者均已熟悉代数以及基么的 反馈控制理论和分析。正因为如此,除了一些筒单回顾,本书不单独〕述这出知以、业然,若贾了解 更多更深人的控制理论,则必须参考支门的控制书籍,其屮某些内容已超出∫机器人学这书的范出 本书大部分内容作为一门课程在加利福尼亚理工学院用10制时间学完,每周四个单元,其十 个八为每次一小时的讲课,另-单元为三个小时的实验、一般川安排为一个学期的课秤、以下 是一学朗(4学期/〕的机器人学课程肭安排此时、某些内賽须刪除或间化 基本内谷介绍和复:3课时 位置运动学:7课 微分运动:4课时 机器人功力学邓力挖制:2课时 径和迹规划:课时 动装置:3课时 传感器:3课时 视觉系统:4谍时 樸糊逻鞋:L课时 试和复小:2课时 对于·个14周心的学期,每周3课时.谟程安排如下 木内容介望和复小:3课刑 立置运动学:9课 分运动:5课时 叽器人动学和力控制:5课 路径和轨迹划:4诛于 怄动装置:4课时 传感器;3课时 说觉杀统:5课 模糊逻辑:2诛时 考试和复习;2课 本书剝设计项日从第2章始贯穿全书3从第2章开始,在每普结州导学结本章内容继 续前面的设计、直到仑书结束,个完整的机器人就以计出来了:另外,有第6章和第7章里个绍 ∫一个斑转什体机器人液游车的设计方案 这里我要惑谢所有以不同方对本书散出献的人.其宀包括机被⊥系及学極的同事(所在 系及学校为我提供学术休假使我与完了第稿,对该课题进行矿究与开发的人,那些给我的原稿 提出矬议的学生和不知名的浮阅人,本书编 Eric frank和 Lakshmi e: asubramanian,出版本书的 Prentice halli版公司的|:作人员以及使我能投人大量时间从作的家人对于所有以上提到的 人、我在此杞示诚挚的感谢 我希望大家喜欢本书,更貢要是希望大家能学习入书.并通过学习咖感受到机器人的乐趣 Saeed b niku 求 第1章基础知识 甲}!甲甲覃■甲旱早■1口「4■■■■昏■■↓■■■■【备 1.1言…… 12什么赵机器人 ■■1P晋1十晋·卜■■■■十計d■■I■■■t贔■■■h十b懾1btl 3机器人的计类… 11m1 4么是机器人学… 中I■■自自會會P■ _·■山P『■1■ ↓司Il■ 15器人的发展力史…………… ■■■■■■■『■■■■■■甲■■L!!卩■卩4中旱l■■LI■4山白山ddb:b■■■■■■■■■■a■■ 1器人的优缺 ………………!………4 1.7玑器人的组成部件…… 18沉器人的自出度 1.9矾器人关 1.10乱器人的坐柄………… 111机器人的参考坐标系……… 2机器人的編程模式 1.13机巛人的性能拦标………………… 1.14机人的作空问 14 5机器人语 ■■■■■司■p 6机器人的应用 ■■■ ……………!17 1.17其他机器人及应用… …………21 8机器人的社会问题… 19小 参考文献 量 平甲平會「■■■|4個自■會■■ ■■■■罪司■ 习题 會中P■■■b血自『 ■■■■ ■■亠‘■·■■■}++ψ中? T11-rr『■■nnn 第2章机器人位置运动学… "s"r""s"26 2l引 26 22机器人机构 P■■l 26 23机器人运动字的短阵長示… ■l唱 24产次变换凭阵… 25变换的表小 34

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