"柔順技術(shù)可使機器人具備復雜環(huán)境中的穩(wěn)定接觸式作業(yè)能力,但該技術(shù)從理論到實踐的應用隔閡成為阻礙眾多機器人從業(yè)者的研究難題。針對該難題,本書結(jié)合作者長期的一線技術(shù)研發(fā)與實際工程經(jīng)驗,聚焦于機器人柔順控制領域,系統(tǒng)地梳理了柔順技術(shù)背后的控制理論及工程實踐方法,介紹了機器人柔順控制的經(jīng)典實踐案例及**應用情況。全書包含5章,主要內(nèi)容包括機器人柔順控制應用現(xiàn)狀及難點分析、機器人柔順控制方法及基本理論、機器人柔順控制技術(shù)的核心算法、機器人柔順控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)及機器人柔順控制典型應用工程實踐。 本書可作為機器人工程、機械電子工程、電氣工程、電子工程、自動控制等專業(yè)的本科生、碩士生或博士生及理工科大學教師的教學參考書,也可供從事機器人和自動化設備或生產(chǎn)線等應用開發(fā)工作的研發(fā)人員或相關(guān)工程技術(shù)人員學習和參考。"
本書并不拘泥于理論層面的嚴密分析,而是更多地站在一個實踐應用
者的角度對機器人柔順控制技術(shù)進行剖析,以通俗易懂的語言為讀者揭開機器人柔順控制
技術(shù)的神秘面紗。
前言
機器人自誕生伊始即受到世人的廣泛關(guān)注,相關(guān)學科的建立亦成為人類科學技術(shù)的重大成就。在人類的引導下,機器人盡職盡責地為人類服務,在長期的人機共融過程中已然成為幫助人類文明向自動化、智能化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵法寶。第四次工業(yè)革命的時代帷幕即將拉開,人類將攜手機器人這一得力助手,探索智能未來。
目前,機器人已在工業(yè)、航空航天、深海探測、醫(yī)療康復等高精尖領域中嶄露頭角,在靈活空間的運動作業(yè)中的應用已經(jīng)極為成熟。而要想進一步適應智能時代的要求,機器人必須拓展服務人類場景的適應性,具備與外部復雜環(huán)境進行接觸式作業(yè)的能力。機器人接觸式作業(yè)的深度研究以及相關(guān)柔順控制技術(shù)的發(fā)展勢在必行。
對于許多國內(nèi)機器人行業(yè)從業(yè)者而言,機器人柔順控制技術(shù)顯得有點神秘,其技術(shù)理論與良好的應用效果之間存在隔閡,人們一直希望獲得一些詳細、清晰、準確、可靠的柔順控制技術(shù)參考資料,助力國內(nèi)機器人接觸式作業(yè)的發(fā)展。本書基于作者長期的一線實際研發(fā)與實際工程應用經(jīng)驗,從控制理論出發(fā),面向機器人復雜接觸式場景,致力于將機器人柔順控制的理論與實踐工作融會貫通,為相關(guān)專業(yè)的研究學者提供機器人柔順控制的理論介紹與實踐參考方案。本書并不拘泥于理論層面的嚴密分析,而是更多地站在一個實踐應用者的角度對機器人柔順控制技術(shù)進行剖析,以通俗易懂的語言為讀者揭開機器人柔順控制技術(shù)的神秘面紗。
全書包含5章,主要內(nèi)容涉及3方面: 機器人柔順控制理論、機器人柔順控制算法及機器人柔順控制工程實踐。第1章從當前的機器人應用場景引入,對柔順控制的技術(shù)難點進行了剖析; 第2章聚焦于理論基礎,介紹了當前最普適的柔順控制理論與思路; 第3章在第2章的基礎上介紹了當今主流的柔順控制算法與實現(xiàn)原理,設計的柔順算法為解決實際應用難題提供了范式; 第4章與第5章分別從系統(tǒng)設計與實現(xiàn)、典型應用實踐兩方面詳細介紹了柔順控制技術(shù)的應用案例。
編寫過程中,賓一鳴和田威教授撰寫了部分章節(jié)并審閱了書稿,還從內(nèi)容組織和教學的角度給予了指導。崔坤坤、張思文、杜亭燕、孫偉棟、姜錦程、郭安、吳晨冬、于衍釗、王明鑫等協(xié)助整理。南京航空航天大學的吳洪濤教授、陳柏教授、王靈禺博士等對本書的編寫提出了寶貴意見和建議,在此深表感謝。
機器人柔順控制技術(shù)是一類應用廣泛、實踐性強的控制技術(shù),將隨著時代的進步不斷更新與完善。限于作者的研究水平和實踐經(jīng)驗,書中難免存在缺漏之處,希望廣大讀者批評與指正。
段晉軍
工學博士,南京航空航天大學機電學院副教授,2019年博士畢業(yè)于東南大學控制理論與控制工程專業(yè)智能機器人方向。研究方向包括機器人柔順控制、擬人雙臂運動規(guī)劃、多機器人協(xié)作軌跡規(guī)劃和位置力協(xié)調(diào)控制等。目前主持國家級省部級項目十余項,獲江蘇省科學技術(shù)二等獎1項,江蘇省機械工程學會科學技術(shù)二等獎1項等,已發(fā)表學術(shù)論文20余篇,授權(quán)發(fā)明專利20余項,出版2部譯著《自動化設備和機器人的軌跡規(guī)劃》和《機器人系統(tǒng)中的在線軌跡規(guī)劃》。
王政偉
工學博士,畢業(yè)于東南大學自動控制系,主要研究方向包括小空間環(huán)境感知、雙臂協(xié)作任務與運動規(guī)劃、智能推理以及人機共融協(xié)作等,F(xiàn)為南京航空航天大學機電學院助理研究員,主持科研項目2項、參與自然科學基金項目3項,在機器人領域期刊發(fā)表SCI/EI論文多篇,申請/授權(quán)發(fā)明專利11項。
目錄
第1章機器人柔順控制應用現(xiàn)狀及難點分析
1.1機器人為什么需要柔順控制技術(shù)
1.2柔順控制在多領域的應用現(xiàn)狀
1.2.1拖動示教應用
1.2.2拋光打磨應用
1.2.3曲面探傷應用
1.2.4工業(yè)裝配應用
1.2.5外骨骼機器人應用
1.2.6仿生腿足機器人應用
1.2.7機器人末端執(zhí)行夾爪
1.3柔順控制在工程實踐中的難點剖析
1.3.1力覺感知: 傳感器應用難題
1.3.2執(zhí)行機構(gòu): 機器人系統(tǒng)指令難題
1.3.3機器人控制器技術(shù)壁壘
第2章機器人柔順控制方法及基本理論
2.1柔順控制技術(shù)概述及方法分類
2.2被動柔順控制及基本理論
2.3主動柔順控制及基本理論
2.3.1間接力控制方法
2.3.2直接力控制方法
第3章機器人柔順控制技術(shù)的核心算法
3.1阻抗控制的動力學解析
3.1.1機器人動力學建模
3.1.2機器人動力學參數(shù)辨識
3.1.3基于動力學的阻抗控制
3.2混合位置/力控制
3.2.1自然約束和人工約束
3.2.2混合位置/力控制器
3.3導納控制
3.3.1機器人負載辨識算法與重力/慣性力補償算法
3.3.2自適應變導納控制算法
3.4滿足機器人柔順控制要求的軌跡規(guī)劃算法設計
3.4.1非均勻有理B樣條曲線及其在柔順控制中的應用
3.4.2融合T型 NURBS的位置速度規(guī)劃及Squad多姿態(tài)插補規(guī)劃
3.5機器人柔順控制算法仿真實驗
第4章機器人柔順控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
4.1機器人柔順控制系統(tǒng)平臺概述
4.1.1機器人柔順控制實時操作系統(tǒng)
4.1.2典型機器人柔順控制硬件平臺
4.2機器人力控制器設計與實現(xiàn)
4.3力感知傳感器工作原理
4.3.1六維力傳感器
4.3.2關(guān)節(jié)力矩傳感器
4.4機器人柔順控制系統(tǒng)實現(xiàn)
第5章機器人柔順控制典型應用工程實踐
5.1機器人牽引示教與彈簧特性
5.2基于力反饋的動態(tài)實時軌跡跟蹤
5.2.1機器人自由空間軌跡跟蹤實現(xiàn)
5.2.2機器人任務空間恒力跟蹤實現(xiàn)
5.3面向復雜曲面的恒力跟蹤策略/解析FCPressNURBS指令
5.4機器人柔順精密裝配工程實踐
5.4.1柔順裝配實踐分析
5.4.2單臂機器人柔順裝配驗證
5.4.3雙臂機器人柔順裝配驗證