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本书是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作，主要介绍机器人学的基本原理及其应用，反映出国内外机器人学研究和应用的*进展。全书共10章，主要内容包括机器人学的起源与发展、机器人学的数理基础、机器人运动学的表示与求解、机器人动力学方程、机器人的控制原则和控制方法、机器人传感器、机器人轨迹规划、机器人程序设计、机器人的应用和展望等。

代序

前言

第1章　绪论1

　1.1　机器人学的发展1

　　　1.1.1　机器人的由来1

　　　1.1.2　机器人的定义2

　　　1.1.3　国际机器人学的进展2

　　　1.1.4　中国机器人学的进展3

　1.2　机器人的特点、结构与分类6

　　　1.2.1　机器人的主要特点6

　　　1.2.2　机器人系统的结构6

　　　1.2.3　机器人的自由度8

　　　1.2.4　机器人的分类8

　1.3　机器人学与人工智能12

　　　1.3.1　机器人学与人工智能的关系12

　　　1.3.2　机器人学的研究领域和智能机器人13

　1.4　机器人学的应用领域15

　　　1.4.1　工业机器人15

　　　1.4.2　探索机器人15

　　　1.4.3　服务机器人16

　　　1.4.4　军用机器人17

　1.5　机器人市场的现状和趋势17

　　　1.5.1　国际机器人市场17

　　　1.5.2　中国工业机器人市场19

　1.6　本书概要19

　1.7　本章小结20

　习题21

第2章　数理基础23

　2.1　位置和姿态的表示23

　　　2.1.1　位置描述23

　　　2.1.2　方位描述23

　　　2.1.3　位姿描述24

　2.2　坐标变换25

　　　2.2.1　平移坐标变换25

　　　2.2.2　旋转坐标变换25

　2.3　齐次坐标变换26

　　　2.3.1　齐次变换26

　　　2.3.2　平移齐次坐标变换28

　　　2.3.3　旋转齐次坐标变换29

　2.4　物体的变换及逆变换30

　　　2.4.1　物体位置描述30

　　　2.4.2　齐次变换的逆变换31

　　　2.4.3　变换方程初步33

　2.5　通用旋转变换34

　　　2.5.1　通用旋转变换公式34

　　　2.5.2　等效转角与转轴35

　2.6　本章小结36

　习题37

第3章　机器人运动学39

　3.1　机器人运动方程的表示39

　　　3.1.1　运动姿态和方向角40

　　　3.1.2　运动位置和坐标42

　　　3.1.3　连杆变换矩阵及其乘积…43

　3.2　机械手运动方程的求解46

　　　3.2.1　欧拉变换解46

　　　3.2.2　滚、仰、偏变换解49

　　　3.2.3　球面变换解50

　3.3　PUMA 560机器人运动方程51

　　　3.3.1　PUMA 560运动分析51

　　　3.3.2　PUMA 560运动综合55

　3.4　本章小结58

　习题58

第4章　机器人动力学63

　4.1　刚体动力学63

　　　4.1.1　刚体的动能与位能64

　　　4.1.2　动力学方程的两种求法…66

　4.2　机械手动力学方程70

　　　4.2.1　速度的计算71

　　　4.2.2　动能和位能的计算72

　　　4.2.3　动力学方程的推导75

　4.3　本章小结76

　习题77

第5章　机器人控制79

　5.1　机器人的基本控制原则79

　　　5.1.1　基本控制原则79

　　　5.1.2　伺服控制系统举例82

　5.2　机器人的位置控制84

　　　5.2.1　直流传动系统的建模84

　　　5.2.2　位置控制的基本结构87

　　　5.2.3　单关节位置控制器89

　　　5.2.4　多关节位置控制器96

　5.3　机器人的力和位置混合控制98

　　　5.3.1　力和位置混合控制方案…98

　　　5.3.2　力和位置混合控制系统控制规律的综合101

　5.4　机器人的智能控制105

　　　5.4.1　智能控制系统的分类105

　　　5.4.2　机器人自适应模糊控制…110

　　　5.4.3　多指灵巧手的神经控制…113

　5.5　深度学习在机器人控制中的应用116

　5.6　本章小结119

　习题120

第6章　机器人传感器123

　6.1　机器人传感器概述123

　　　6.1.1　机器人传感器的特点与分类123

　　　6.1.2　应用传感器时应考虑的问题125

　6.2　内传感器126

　　　6.2.1　位移位置传感器126

　　　6.2.2　速度和加速度传感器130

　　　6.2.3　力觉传感器131

　6.3　外传感器134

　　　6.3.1　触觉传感器134

　　　6.3.2　应力传感器137

　　　6.3.3　接近度传感器138

　　　6.3.4　其他外传感器140

　6.4　机器人视觉装置141

　　　6.4.1　机器人眼141

　　　6.4.2　视频信号数字变换器143

　　　6.4.3　固态视觉装置144

　　　6.4.4　激光雷达147

　6.5　本章小结148

　习题148

第7章　机器人轨迹规划150

　7.1　轨迹规划应考虑的问题150

　7.2　关节轨迹的插值计算151

　　　7.2.1　三次多项式插值152

　　　7.2.2　过路径点的三次多项式插值153

　　　7.2.3　高阶多项式插值154

　　　7.2.4　用抛物线过渡的线性插值155

　　　7.2.5　过路径点用抛物线过渡的线性插值156

　7.3　笛卡儿路径轨迹规划157

　7.4　规划轨迹的实时生成163

　7.5　本章小结165

　习题166

第8章　机器人编程168

　8.1　机器人编程要求与语言类型168

　　　8.1.1　对机器人编程的要求168

　　　8.1.2　机器人编程语言的类型…169

　8.2　机器人语言系统结构和基本功能171

　　　8.2.1　机器人语言系统的结构…1

蔡自兴 IEEE Fellow和IEEE life Fellow、国际导航与运动控制科学院院士、纽约科学院院士、联合国专家，中南大学教授、博士生导师，湖南省自兴人工智能研究院首席科学家。首届全国高校教学名师奖、吴文俊人工智能科技奖成就奖、徐特立教育奖、宝钢全国优秀教师奖特等奖获得者。历任第八届湖南省政协副主席和全国政协第九届和第十届委员会委员，兼任中国人工智能学会副理事长及智能机器人专业委员会创会主任，IEEE计算智能学会评奖委员会委员和IEEE CIS进化计算技术委员会委员等。是我国人工智能、智能控制、机器人学诸学科的学术带头人之一，被誉为“中国人工智能教育人”“中国智能机器人学科创始人”和“中国智能控制奠基者”。主持*质量工程教改项目8项，已在国内外出版专著/教材50多部,发表学术论文千余篇，他引数万次。

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前言

机器人学作为一门高度交叉的前沿学科，引起了许多具有不同专业背景的人士的广泛兴趣，他们对其进行深入研究，使其获得了快速发展。自台电子编程工业机器人问世近60年来，机器人学已取得令人瞩目的成就。伴随着人工智能进入一个新的发展时期，机器人学特别是智能机器人也迎来了新的发展机遇和挑战。

本书介绍机器人学的基本原理及其应用，是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作。全书共8章。第1章简述机器人学的起源与发展，讨论机器人的定义，分析机器人的特点、结构与分类，探讨机器人学与人工智能的关系以及机器人学的研究和应用领域。第2章讨论机器人学的数理基础，包括空间任意点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换，以及通用旋转变换等。第3章阐述机器人运动方程的表示与求解，包括机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换矩阵的表示，欧拉变换、滚仰偏变换和球面变换等求解方法等。第4章涉及机器人动力学方程，着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿欧拉动态平衡法，然后总结出建立拉格朗日方程的步骤。第5章研究机器人的控制原则和控制方法，包括机器人的位置控制、力和位置混合控制、智能控制以及深度学习在机器人控制中的应用等。第6章介绍机器人传感器的特点与分类、各种典型的机器人内传感器和外传感器的工作原理。第7章讨论机器人轨迹规划问题，着重研究关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。第8章概括地论述机器人的程序设计，研究机器人编程的要求和分类、机器人语言系统的结构和基本功能、机器人操作系统ROS、几种重要的专用机器人语言、解释型脚本语言Python以及机器人的离线编程等。

本书第1版由蔡自兴编著，第3版除蔡自兴外，谢斌参与了6.4节和8.3节的修订工作。在本书编写和出版过程中，得到众多领导、专家、教授、朋友和学生的热情鼓励与帮助。中国工程院宋健院士在IFAC大会开幕式上所做的主题报告摘录作为本书代序，是对本书作者的极大支持和厚爱。在此特向有关领导、专家、合作者和广大读者致以衷心的感谢，此外，还要特别感谢部分国内外机器人学专著、教材和有关论文的作者们。

本书适合作为普通高校和职业高校本科生教材，也适合从事机器人学研究、开发和应用的科技人员学习参考。

由于本书编写时间仓促，书中一定有不足之处，希望得到各位专家和广大读者的批评指正。

蔡自兴

2020年10月26日

于长沙鹅羊山德怡园