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机器人工程基础

发表时间: 2023-11-14 13:59:17

作者: 济南数控模具科技研究所

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机器人工程基础

机器人工程学科是以控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、生物医学工程和认知科学等学科中涉及的机器人科学技术问题为研究对象,综合应用自然科学、工程技术、社会科学、人文科学等相关学科的理论、方法和技术,研究机器人的智能感知、优化控制与系统设计、人机交互模式等学术问题的一个多领域交叉的前沿学科。机器人工程学科的描述直接体现了该学科所涉及的宽广的工程基础,也给每一位想要投身于机器人领域的科技人员提出了挑战。

下面通过《机器人工程基础》这本书,带您系统了解机器人开发设计的工程基础理论和知识。

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本书特点

机器人的设计来源于对人类的仿生,这种设计理念可以帮助我们梳理机器人工程的知识结构。通过将机器人与人类躯体的结构、肌肉、感知和控制做类比,《机器人工程基础》把机器人的工程基础知识主要划分为:机械机构、驱动方法、传感感知、控制系统,并围绕这几个方面介绍机器人设计开发的相关工程基础知识。

主要内容

《机器人工程基础》的主要内容编排如下:
第1章是机器人工程基础的介绍。从机器人的定义和发展历史入手介绍机器人的基本概念;进而介绍机器人的分类方法,并针对不同的分类,介绍具有代表性的机器人产品。分析机器人的功能和构成,概述了后续章节的主要内容。
第2章讲述了空间刚体系统的基本描述方法和基本数学公式。三维空间的位置和姿态的描述方法是机器人设计的重要内容。以三维空间描述方法为基础,讨论了刚体的线速度、线加速度、角速度、角加速度在三维坐标系中的描述方法。刚体动力学描述的公式是牛顿(Newton)方程和欧拉(Euler)方程,除了速度和加速度之外,其中的参数还包括质量和惯性张量。
第3章讨论机器人的机构和运动。介绍了机器人机构设计中的主要传动机构,引出并讨论了连杆、关节、自由度的概念。围绕机械臂的构型,采用DH方法论述了机械臂的正运动学和逆运动学,采用NewtonEuler递推方法建立机器人动力学方程,并给出了典型机械臂的示例。
第4章的内容是机器人的驱动方法。驱动是机器人能够实现运动的重要内容,就像人类的肌肉一样。相比于液压和气动驱动,电驱动是机器人的主要驱动方式。因此主要介绍有刷直流电动机、步进电动机和永磁同步电动机的驱动原理和控制方法。舵机作为很多机器人中常用的驱动模块,对其结构、原理和参数进行专门介绍。
第5章介绍了机器人工程设计中常用的传感器。包括内部传感器和外部传感器。其中内部传感器介绍了位置和角度、速度和角速度、加速度和角加速度、姿态以及世界坐标位置的测量传感器;外部传感器类比人类的感知能力,介绍了常用的视觉、触觉、力觉、距离的测量方法,以及听觉、味觉、嗅觉这些特殊传感器的原理。***讨论了多传感器融合的硬件设计示例。
第6章探讨了机器人控制器的功能和结构。在控制器中的机器人编程和与之相关的轨迹规划是这一章的重点内容。通信技术是机器人控制器分布式设计的基础,这里介绍了机器人控制系统中常用的几种通信方式。
第7章讨论了机器人操作系统的相关内容。机器人操作系统是机器人开发的资源公用平台。本章首先介绍了机器人操作系统的产生背景、特点和发展历程;之后以一个简单的例子介绍了机器人操作系统的基本概念和使用方法;然后进一步讨论了机器人操作系统的一些关键概念;***介绍了机器人操作系统的编程应用方法。
第8章采用应用示例的方式介绍了机器人建模仿真和运行应用的主要方法。以AUBO-i5协作机械臂为例,实现了机器人的运动控制和基于视觉的抓取任务。
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