"Robot Modeling and Control" (Mô hình Robot và Điều khiển Robot)-Mark W. Spong, Seth Hutchinson và M. Vidyasagar

  "Robot Modeling and Control"

Tác giả: Mark W. Spong, Seth Hutchinson và M. Vidyasagar

Để biết thêm thông tin chi tiết về sách vui lòng liên hệ Zalo theo số 0329318197.

Tóm tắt nội dung chính:

Cuốn sách được tổ chức một cách logic, thường chia thành bốn phần chính, đi từ các khái niệm cơ bản đến các chủ đề phức tạp hơn:

1. Phần I: Hình học của Robot (The Geometry of Robots)

   • Giới thiệu về Robot và Mô hình hóa toán học: Trình bày các khái niệm cơ bản về robot, phân loại, ứng dụng và tầm quan trọng của việc xây dựng các mô hình toán học cho robot.

   • Chuyển động Vật rắn và Phép biến đổi đồng nhất: Giới thiệu về các phép biểu diễn vị trí, hướng (quay) của vật thể trong không gian 3D, sử dụng ma trận quay và phép biến đổi đồng nhất. Đây là nền tảng toán học cho động học robot.

   • Động học thuận (Forward Kinematics): Giải thích cách xác định vị trí và hướng của đầu cuối robot (end-effector) dựa trên các giá trị khớp (góc quay hoặc quãng đường tịnh tiến) và cấu hình hình học của robot, thường sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg.

   • Động học vận tốc và Jacobian (Velocity Kinematics - The Jacobian): Trình bày mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc của đầu cuối robot thông qua ma trận Jacobian. Sách cũng thảo luận về các điểm kỳ dị (singularities) của robot và ý nghĩa của chúng.

   • Động học nghịch (Inverse Kinematics): Giải quyết bài toán ngược: cho trước vị trí và hướng mong muốn của đầu cuối, làm thế nào để tìm ra các giá trị khớp tương ứng. Sách đề cập đến các phương pháp giải quyết bài toán này, bao gồm cả phương pháp hình học và số học.

2. Phần II: Động lực học và Lập kế hoạch Chuyển động (Dynamics and Motion Planning)

   • Động lực học Robot (Dynamics): Đi sâu vào các lực và mô-men xoắn tác động lên robot, phân tích mối quan hệ giữa các lực này và chuyển động của robot. Sách thường sử dụng cả phương pháp Lagrange và Newton-Euler để thiết lập phương trình động lực học.

   • Lập kế hoạch đường đi và quỹ đạo (Path and Trajectory Planning): Hướng dẫn cách tạo ra các đường đi an toàn và hiệu quả cho robot di chuyển từ điểm này đến điểm khác, đồng thời xác định quỹ đạo (thông số thời gian của đường đi) sao cho robot di chuyển mượt mà và tối ưu.

3. Phần III: Điều khiển Robot Manipulator (Control of Manipulators)

   • Điều khiển độc lập từng khớp (Independent Joint Control): Giới thiệu các phương pháp điều khiển cơ bản cho từng khớp riêng lẻ của robot (ví dụ: điều khiển PID).

   • Điều khiển phi tuyến và đa biến (Nonlinear and Multivariable Control): Đi sâu vào các kỹ thuật điều khiển phức tạp hơn, có tính đến tính chất phi tuyến của hệ thống robot, bao gồm cả điều khiển dựa trên mô hình và điều khiển thích nghi.

   • Điều khiển lực (Force Control): Thảo luận về cách điều khiển robot dựa trên lực tương tác với môi trường, một yếu tố quan trọng trong các nhiệm vụ lắp ráp hoặc tương tác nhạy cảm.

   • Thị giác Máy tính (Computer Vision): Giới thiệu các khái niệm cơ bản về thị giác máy tính liên quan đến robot, bao gồm mô hình camera, hiệu chuẩn camera và các kỹ thuật xử lý ảnh để trích xuất thông tin cần thiết cho điều khiển.

   • Điều khiển dựa trên thị giác (Vision-Based Control / Visual Servoing): Tích hợp thông tin từ camera trực tiếp vào vòng lặp điều khiển của robot để thực hiện các tác vụ điều khiển chính xác bằng hình ảnh.

   • Linear hóa hồi tiếp (Feedback Linearization): Một kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ để biến đổi hệ thống phi tuyến thành hệ thống tuyến tính để dễ dàng điều khiển hơn.

4. Phần IV: Điều khiển Hệ thống không đủ điều khiển (Control of Underactuated Systems)

   • Robot không đủ điều khiển (Underactuated Robots): Giới thiệu về các hệ thống robot có số lượng bộ truyền động ít hơn bậc tự do của chúng và các thách thức trong việc điều khiển chúng.

   • Robot di động (Mobile Robots): Mặc dù có thể được đề cập sớm hơn, phần này thường đi sâu hơn vào các khía cạnh điều khiển và lập kế hoạch cho robot di động, bao gồm cả điều khiển cân bằng và tránh chướng ngại vật.

   • Điểm nổi bật của sách:

• Tính toán học chặt chẽ: Sách cung cấp một cách tiếp cận nghiêm ngặt về mặt toán học, giúp người đọc xây dựng nền tảng vững chắc.

• Toàn diện: Bao quát hầu hết các khía cạnh quan trọng của mô hình hóa và điều khiển robot.

• Tính sư phạm: Mặc dù sâu sắc, sách được viết theo phong cách rõ ràng, dễ tiếp cận, với nhiều ví dụ minh họa và bài tập.

• Cập nhật: Các phiên bản mới hơn (như phiên bản thứ 2) đã bổ sung các chủ đề hiện đại như lập kế hoạch chuyển động phức tạp, tránh va chạm, tối ưu hóa quỹ đạo và tích hợp sâu hơn giữa lý thuyết điều khiển và phân tích hệ thống phi tuyến.

Mục lục chi tiết: Robot Modeling and Control

Lời nói đầu

Chương 1: Giới thiệu

• 1.1 Mô hình hóa toán học của Robot

  • 1.1.1 Biểu diễn ký hiệu của Robot

  • 1.1.2 Không gian cấu hình

  • 1.1.3 Không gian trạng thái

  • 1.1.4 Không gian làm việc

• 1.2 Robot là Thiết bị cơ khí

  • 1.2.1 Phân loại Robot Manipulator

  • 1.2.2 Hệ thống Robot

  • 1.2.3 Độ chính xác và Độ lặp lại

• 1.3 Ứng dụng Robot

• 1.4 Giới thiệu về Điều khiển

• 1.5 Tóm tắt Chương

• 1.6 Bài tập

• 1.7 Ghi chú và Tham khảo

Phần I: Hình học của Robot (The Geometry of Robots)

Chương 2: Chuyển động vật rắn và Phép biến đổi đồng nhất (Rigid Motions and Homogeneous Transformations)

• 2.1 Giới thiệu

• 2.2 Phép biến đổi tịnh tiến

• 2.3 Phép biến đổi quay

  • 2.3.1 Phép quay trong mặt phẳng

  • 2.3.2 Phép quay trong không gian ba chiều

• 2.4 Phép biến đổi quay

  • 2.4.1 Phép biến đổi tương tự

• 2.5 Hợp thành các phép quay

  • 2.5.1 Quay theo khung hiện tại

  • 2.5.2 Quay theo khung cố định

• 2.6 Các biểu diễn hướng thay thế

  • 2.6.1 Góc Euler

  • 2.6.2 Góc Roll, Pitch, Yaw

  • 2.6.3 Biểu diễn trục/góc

• 2.7 Chuyển động vật rắn

• 2.8 Phép biến đổi đồng nhất

• 2.9 Tóm tắt Chương

• 2.10 Bài tập

• 2.11 Ghi chú và Tham khảo

Chương 3: Động học thuận và Động học nghịch (Forward and Inverse Kinematics)

• 3.1 Chuỗi động học

• 3.2 Động học thuận: Quy ước Denavit-Hartenberg (DH)

  • 3.2.1 Các vấn đề về sự tồn tại và tính duy nhất

  • 3.2.2 Gán các khung tọa độ

• 3.3 Ví dụ

  • 3.3.1 Robot hai liên kết trong mặt phẳng

  • 3.3.2 Robot khuỷu tay

  • 3.3.3 Robot cầu

  • 3.3.4 Cấu hình khớp nối (Articulated Configuration)

  • 3.3.5 Cấu hình hình cầu (Spherical Configuration)

  • 3.3.6 Hướng nghịch (Inverse Orientation)

• 3.4 Tóm tắt Chương

• 3.5 Bài tập

• 3.6 Ghi chú và Tham khảo

Chương 4: Động học vận tốc - Ma trận Jacobian của Manipulator (Velocity Kinematics – The Manipulator Jacobian)

• 4.1 Vận tốc góc: Trường hợp trục cố định

• 4.2 Ma trận đối xứng chéo (Skew Symmetric Matrices)

  • 4.2.1 Tính chất của ma trận đối xứng chéo

  • 4.2.2 Đạo hàm của ma trận quay

• 4.3 Vận tốc góc: Trường hợp tổng quát

• 4.4 Cộng vận tốc góc

• 4.5 Vận tốc tuyến tính của một điểm gắn liền với khung chuyển động

• 4.6 Đạo hàm của ma trận Jacobian

  • 4.6.1 Vận tốc góc

  • 4.6.2 Vận tốc tuyến tính

  • 4.6.3 Kết hợp Jacobian vận tốc tuyến tính và góc

• 4.7 Ví dụ

• 4.8 Jacobian phân tích

• 4.9 Các điểm kỳ dị (Singularities)

  • 4.9.1 Tách rời các điểm kỳ dị

  • 4.9.2 Các điểm kỳ dị của cổ tay (Wrist Singularities)

  • 4.9.3 Các điểm kỳ dị của cánh tay (Arm Singularities)

• 4.10 Mối quan hệ lực/mô-men xoắn tĩnh

• 4.11 Vận tốc nghịch và Gia tốc nghịch

• 4.12 Khả năng điều khiển (Manipulability)

• 4.13 Tóm tắt Chương

• 4.14 Bài tập

• 4.15 Ghi chú và Tham khảo

Chương 5: Lập kế hoạch đường đi và quỹ đạo (Path and Trajectory Planning)

• 5.1 Giới thiệu

• 5.2 Đánh giá một đường đi

• 5.3 Tối ưu hóa đường đi

• 5.4 Tránh chướng ngại vật (Obstacle Avoidance)

  • 5.4.1 Trường tiềm năng nhân tạo (Artificial Potential Fields)

  • 5.4.2 Các thuật toán ngẫu nhiên và Phương pháp bản đồ xác suất (Probabilistic Roadmap Methods)

  • 5.4.3 Các phân tách hình thang (Trapezoidal Decompositions)

• 5.5 Lập kế hoạch quỹ đạo

  • 5.5.1 Quỹ đạo cho chuyển động từ điểm tới điểm

  • 5.5.2 Quỹ đạo cho các đường đi được chỉ định bằng các điểm trung gian

• 5.6 Tóm tắt Chương

• 5.7 Bài tập

• 5.8 Ghi chú và Tham khảo

Phần II: Động lực học và Điều khiển (Dynamics and Control)

Chương 6: Động lực học (Dynamics)

• 6.1 Giới thiệu

• 6.2 Phương trình Euler-Lagrange

• 6.3 Tính chất cấu trúc của phương trình động lực học

• 6.4 Dẫn xuất Newton-Euler đệ quy

• 6.5 Ví dụ

• 6.6 Tóm tắt Chương

• 6.7 Bài tập

• 6.8 Ghi chú và Tham khảo

Chương 7: Điều khiển khớp độc lập (Independent Joint Control)

• 7.1 Động lực học bộ truyền động

• 7.2 Mô hình khớp độc lập

• 7.3 Theo dõi điểm đặt (Set-Point Tracking)

  • 7.3.1 Bộ bù PD

  • 7.3.2 Bộ bù PID

  • 7.3.3 Ảnh hưởng của độ bão hòa và tính linh hoạt

• 7.4 Điều khiển Feedforward (Feedforward Control)

• 7.5 Động lực học hệ thống truyền động

• 7.6 Thiết kế không gian trạng thái

  • 7.6.1 Bộ bù hồi tiếp trạng thái

  • 7.6.2 Bộ quan sát (Observers)

• 7.7 Tóm tắt Chương

• 7.8 Bài tập

• 7.9 Ghi chú và Tham khảo

Chương 8: Điều khiển đa biến và phi tuyến (Multivariable and Nonlinear Control)

• 8.1 Giới thiệu

• 8.2 Xem xét lại điều khiển PD

• 8.3 Động lực học nghịch (Inverse Dynamics)

  • 8.3.1 Động lực học nghịch trong không gian khớp

  • 8.3.2 Động lực học nghịch trong không gian tác vụ

• 8.4 Điều khiển chuyển động mạnh mẽ và thích nghi

  • 8.4.1 Động lực học nghịch mạnh mẽ

  • 8.4.2 Động lực học nghịch thích nghi

• 8.5 Điều khiển chuyển động dựa trên tính thụ động (Passivity-Based Motion Control)

  • 8.5.1 Điều khiển mạnh mẽ dựa trên tính thụ động

  • 8.5.2 Điều khiển thích nghi dựa trên tính thụ động

• 8.6 Tóm tắt Chương

• 8.7 Bài tập

• 8.8 Ghi chú và Tham khảo

Chương 9: Điều khiển lực (Force Control)

• 9.1 Khung tọa độ và ràng buộc

  • 9.1.1 Cơ sở đối ứng (Reciprocal Bases)

  • 9.1.2 Các ràng buộc tự nhiên và nhân tạo

• 9.2 Các mô hình mạng lưới và trở kháng (Impedance)

  • 9.2.1 Toán tử trở kháng

  • 9.2.2 Phân loại toán tử trở kháng

  • 9.2.3 Tương đương Thevenin và Norton

• 9.3 Động lực học và Điều khiển không gian tác vụ

• 9.4 Điều khiển lai (Hybrid Control)

• 9.5 Điều khiển trở kháng (Impedance Control)

• 9.6 Điều khiển trở kháng lai (Hybrid Impedance Control)

• 9.7 Tóm tắt Chương

• 9.8 Bài tập

• 9.9 Ghi chú và Tham khảo

Phần III: Thị giác máy tính và Điều khiển thị giác (Computer Vision and Vision-Based Control)

Chương 10: Thị giác máy tính (Computer Vision)

• 10.1 Giới thiệu

• 10.2 Mô hình máy ảnh

• 10.3 Hiệu chuẩn máy ảnh

• 10.4 Xử lý ảnh

  • 10.4.1 Tổng quan thống kê ngắn gọn

  • 10.4.2 Lựa chọn ngưỡng tự động

• 10.5 Các thành phần liên kết

• 10.6 Vị trí và hướng

  • 10.6.1 Mô-men

  • 10.6.2 Trọng tâm của một đối tượng

  • 10.6.3 Hướng của một đối tượng

• 10.7 Tóm tắt Chương

• 10.8 Bài tập

• 10.9 Ghi chú và Tham khảo

Chương 11: Điều khiển dựa trên thị giác (Vision-Based Control)

• 11.1 Các phương pháp tiếp cận điều khiển dựa trên thị giác

• 11.2 Điều khiển thị giác dựa trên hình ảnh (Image-Based Visual Servoing - IBVS)

  • 11.2.1 Ma trận tương tác

  • 11.2.2 Điều khiển IBVS

• 11.3 Điều khiển thị giác dựa trên vị trí (Position-Based Visual Servoing - PBVS)

• 11.4 So sánh IBVS và PBVS

• 11.5 Tóm tắt Chương

• 11.6 Bài tập

• 11.7 Ghi chú và Tham khảo

Chương 12: Điều khiển phi tuyến hình học (Geometric Nonlinear Control)

• 12.1 Giới thiệu

• 12.2 Tuyến tính hóa hồi tiếp (Feedback Linearization)

• 12.3 Điều khiển thích nghi và mạnh mẽ

• 12.4 Tóm tắt Chương

• 12.5 Bài tập

• 12.6 Ghi chú và Tham khảo

Phần IV: Điều khiển hệ thống không đủ điều khiển (Control of Underactuated Systems)

Chương 13: Robot không đủ điều khiển (Underactuated Robots)

• 13.1 Giới thiệu

• 13.2 Các ví dụ về Robot không đủ điều khiển

• 13.3 Động lực học

• 13.4 Điều khiển

• 13.5 Tóm tắt Chương

• 13.6 Bài tập

• 13.7 Ghi chú và Tham khảo

Chương 14: Robot di động (Mobile Robots)

• 14.1 Giới thiệu

• 14.2 Động học

• 14.3 Điều khiển theo dõi đường đi

• 14.4 Tóm tắt Chương

• 14.5 Bài tập

• 14.6 Ghi chú và Tham khảo

Phụ lục

• Phụ lục A: Lượng giác (Trigonometry)

• Phụ lục B: Đại số tuyến tính (Linear Algebra)

• Phụ lục C: Tính ổn định Lyapunov (Lyapunov Stability)

• Phụ lục D: Tối ưu hóa (Optimization)

• Phụ lục E: Hiệu chuẩn máy ảnh (Camera Calibration)

Mục lục này là một bản tổng hợp và dịch thuật các chương và chủ đề chính, có thể có sự khác biệt nhỏ về cách đặt tên chương hoặc các tiểu mục so với bản gốc tiếng Anh tùy vào phiên bản cụ thể của sách. Tuy nhiên, nó phản ánh đầy đủ cấu trúc và nội dung cốt lõi của cuốn sách quan trọng này.