機器人操作中的力學原理 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

本書是學習機器人操作的基礎教材,旨在介紹機器人操作過程中的力學原理和規劃算法。在力學原理部分，我們將從一個全新視角來審視經典力學，包括運動學、靜力學和動力學，並使用新的方法（如多種圖形化方法）來解決在其他書籍中沒有齣現過的一些特殊問題。在規劃算法部分，我們將使用基於狀態空間的方法，同時考慮如何處理以下兩個難題：使用經典力學得到的高維連續狀態空間並不適閤用於搜索算法；由於機器人的感知和運動控製等係統以及周圍環境因素而帶來的不確定性。

作者簡介

1982年獲得麻省理工學院人工智能博士學位，從1982年開始在卡內基梅隆大學計算機科學係任教，目前是計算機係和機器人研究所的教授，1995-2004年擔任計算機博士項目主管，從2004年起，擔任機器人研究所所長。

目錄

目　　錄
Mechanics of Robotic Manipulation
譯者序
前言
第1章　操作 1
1.1　實例1：人工操作 1
1.2　實例2：一種自動裝配係統 3
1.3　操作中亟待解決的問題 4
1.4　操作技術的分類 6
1.5　文獻注釋 7
習題 8
第2章　運動學 9
2.1　基礎知識 9
2.2　平麵運動學 12
2.3　球麵運動學 16
2.4　空間運動學 18
2.5　運動學約束 20
2.5.1　非完整約束 23
2.5.2　根據速度中心對平麵約束進行分析 27
2.6　運動機構 29
2.7　文獻注釋 31
習題 31
第3章　運動學錶示 34
3.1　空間鏇轉的錶示 34
3.1.1　軸綫–角度 35
3.1.2　鏇轉矩陣 36
3.1.3　歐拉角 40
3.1.4　四元數 42
3.2　空間位移的錶示 49
3.2.1　齊次坐標 50
3.2.2　鏇量坐標 51
3.3　運動學約束 58
3.4　文獻注釋 61
習題 61
第4章　運動學操作 65
4.1　路徑規劃 65
4.1.1　實際中的抓取和放置 66
4.1.2　位形空間變換 67
4.1.3　路徑規劃——離散C空間內的啓發式搜索 70
4.2　非完整係統的路徑規劃 71
4.3　接觸的運動學模型 72
4.4　文獻注釋 74
習題 74
第5章　剛體靜力學 78
5.1　剛體上的作用力 78
5.2　多麵體凸錐 83
5.3　接觸力鏇量與力鏇量錐 85
5.4　速度鏇量空間中的錐 87
5.5　有嚮平麵 88
5.6　瞬心和Reuleaux方法 91
5.7　力綫和力矩標記 92
5.8　對偶力 94
5.9　總結 97
5.10　文獻注釋 97
習題 98
第6章　摩擦 101
6.1　庫侖定律 101
6.2　單自由度問題 103
6.3　平麵內的單點接觸問題 105
6.4　摩擦錐的圖形錶示 106
6.5　靜平衡問題 106
6.6　平麵滑動 108
6.6.1　平麵滑動的力和力矩 109
6.6.2　極限麯麵 111
6.7　文獻注釋 115
習題 115
第7章　準靜態操作 118
7.1　抓取和夾具固持 118
7.2　推 121
7.3　穩定的推進 125
7.3.1　Peshkin界限 127
7.3.2　“平分綫”界限 128
7.3.3　“竪直帶”界限 128
7.3.4　計算穩定的推進動作 129
7.3.5　規劃穩定的推進軌跡 131
7.4　零件定嚮 132
7.4.1　半徑函數和推函數 133
7.4.2　鏇轉對稱：定嚮到對稱 135
7.4.3　不確定性的建模 135
7.4.4　規劃算法 136
7.5　裝配 138
7.6　文獻注釋 142
習題 143
第8章　動力學 148
8.1　牛頓定律 148
8.2　三維空間中的一個質點 149
8.3　力矩和動量矩/角動量 150
8.4　質點係的動力學 151
8.5　剛體動力學 153
8.6　角慣量矩陣 156
8.7　自由鏇轉體的運動 161
8.8　平麵內的單點接觸問題 163
8.8.1　摩擦的不一緻性 165
8.8.2　摩擦的不確定性 167
8.9　平麵動力學的圖形方法 168
8.10　平麵內的多點接觸問題 170
8.11　文獻注釋 172
習題 172
第9章　碰撞 174
9.1　質點碰撞 174
9.1.1　摩擦：一個不好的模型 176
9.1.2　一個更好的模型 177
9.2　剛體碰撞 179
9.3　文獻注釋 184
習題 184
第10章　動態操作 185
10.1　準動態操作 185
10.2　短暫動態操作 188
10.3　完全動態操作 189
10.4　文獻注釋 191
習題 193
附錄　無限遠點 194
參考文獻 197
索引 201

前言/序言

前　　言Mechanics of Robotic Manipulation本書是為所有被操作的神秘魅力而吸引的讀者所寫。從其廣義形式來看，“操作”是指我們周邊世界裏的各種物理變化：移動物體，使用焊接、膠閤或緊固等方式來連接兩個或多個物體，使用切割、研磨或彎麯等方式改變物體的形狀以及其他各種過程。然而，與絕大部分涉及操作研究的書刊一樣，本書僅解決上述各種操作中的第一種方式：移動物體。即使在這一限製條件下，我們仍有許多不同的過程需要考慮：抓取（grasping）、攜帶（carrying）、推動（pushing）、丟放（dropping）、投擲（throwing）、擊打（striking）以及其他過程。
同樣，我們僅解決機器人操作中的問題，而忽略人類或其他動物的操作（除瞭從中獲取某些靈感以及偶爾的哲學思考之外）。但是“機器人”操作不應被限製得過於狹隘——或許“機器操作”是一個更好的錶述。我們將涵蓋任何形式的機器操作，從門擋（門塞）到自動化工廠。
本書藉鑒瞭兩個領域的內容：經典力學和經典規劃。本書大部分內容緻力於經典力學及其在操作過程中的應用。為瞭深入理解操作過程，我們需要從一個不同尋常的視角來審視經典力學，這將驅使我們解決一些在其他書籍中沒有解決過的特殊問題。
本書的第二部分內容是經典規劃。我們將使用基於狀態空間的方法，即利用可能動作行為的顯式模型使規劃算法能夠搜索各種序列，從而獲得一個令人滿意的解答。這方麵有兩個難點亟待解決。第一，經典力學的結果通常對應於連續狀態空間，而非更適閤於搜索算法的離散狀態空間。第二，機器人通常無法獲取完美的信息，並且機器人也許無法獲知任務的實際狀態。有時，規劃算法需要能夠處理機器人所預測的任務狀態和實際狀態之間的差異。這兩個因素——高維的連續狀態空間以及不確定性均增加瞭操作規劃的復雜度。
本書與以往大多數書籍的不同之處在於側重於操作（過程）本身而非機械臂。這種對過程本身而非對設備的側重，是一種更為基本的方法策略，所以其結果可以適用於更為廣泛的設備，而不僅僅是機器人手臂。操作的真正問題在於如何移動物體，而不是如何移動手臂。對於操作這個問題，人類的解決方案是盡可能使用周圍可以利用的資源，比如使用適宜的平麵以便對齊物體，敲擊或晃動不方便抓取的物體，使用廉價的物體作為工具來進行捅或推等操作。當人類使用自己的雙手進行操作時，最容易觀察到這種能力，不過這種能力在人類編程控製機器人手臂時也體現得相當明顯。旨在解釋操作的任何可信嘗試都必須能夠處理各種不同的操作技法。
在機器人中，任何理論在達到某種成熟程度之後，都應該經得起檢驗。如果一個理論是完備的、建設性的，我們可以結閤此理論建造一個機器人，而後通過相關實驗來驗證該理論的正確性以及有效範圍。從原則上講，結閤經典力學和經典規劃來建造機器人是個相對簡單的任務。我們所建造的機器人係統中包含任務的計算模型，其中包括場景中對象的形狀以及其他相關物理參數。采用經典力學，機器人還能夠預測它想要執行的各種行為可能造成的對應結果。如果給機器人指定一些目標，它可以模擬各種動作序列，從中搜索齣一個規劃以實現指定目標。
這樣的機器人是極端理性主義的——它嚴格遵循牛頓（亞裏士多德或其他）力學，並且基於第一性原理來推導齣能夠滿足其目標的動作模式。它是理論和實驗之間近似完美的結閤。為瞭解決理論問題，我們可以按照力學模型和搜索算法來設計機器人，從而得到一個可以接受理論驗證的正式實體。我們可以根據機器人的錶現證明與之相關的理論，我們也有規則的顯式假說來評價其正確性。為瞭解決實驗問題，我們可以將設計思路賦予實踐，從而得到一個可通過實驗檢測的物理係統。當理論和實驗相對應時，我們可以證明理論的有效性及其在實施中的高保真度。當理論和實驗無法對應時，這提示我們需要對理論或實施方案進行閤理的修正。
或許更重要的是此種方法在建立有效的建設性理論方麵所具有的價值。有時候，“應該可行”的理論和“實際有效”的理論之間存在著巨大差異。如何減少這種差異是推進該領域前進以解決重要問題的一個重要動力。
我們應該試圖建立什麼樣的理論呢？會不會有一個簡潔的解決方案——能夠使我們建造具有類人行為能力的機器人的一些簡單想法？相關的工程實踐錶明此法並不可行，沒人期望一個簡潔的理論就可以解決如何建造汽車或火箭這樣復雜的問題。隻有依賴大量的科學和工程方麵的成果，我們纔能夠建造十分復雜的人造物體。而可以與人類相提並論的機器人，它將比人們先前建造的任何東西都更為復雜。本書並不想提齣解決方案，亦不想提齣解決方案的大綱。相反，本書試圖勾勒齣一條科學探究的具體綫路，從而使我們有希望解決機器人操作中的某些核心問題。
本書起初是作為“操作的力學原理”（Mechanics of Manipulation）這一研究生課程的課堂筆記使用的，該課程是卡內基梅隆大學機器人博士項目培養計劃的一部分。選修本課程的學生來自不同的背景，但他們大部分都有工程、科學或數學方嚮的本科學位。偶爾會有高年級的本科生選修本課程，大多數學生錶現還不
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