第1章概述

1.1機器人學

1.2機器人機械結構

1.3機器人驅動器

1.4機器人傳感器

1.4.1內部傳感器

1.4.2外部傳感器

1.5機器人控制

1.5.1二階線性繫統

1.5.2反饋控制

1.5.3PID控制器

1.5.4力控制

1.6機器人路徑規劃

1.7虛擬實驗室

1.8機器人應用

1.8.1桌面機器人繫列

1.8.2智能制造教學實驗繫統

1.9機器人操作繫統（ROS）

小結

練習題

實驗題

第2章空間變換

2.1剛體位姿分析

2.1.1位置描述

2.1.2姿態描述

2.1.3旋轉矩陣的特性

2.2坐標變換

2.3固定角和歐拉角

2.3.1XYZ固定角

2.3.2ZYZ歐拉角

2.4軸和角

2.5數

小結

練習題

實驗題

第3章運動學

3.1連杆坐標繫和DH參數

3.2三種DH坐標繫建模方法

3.2.1標準型DH方法

3.2.2改進型DH方法

3.2.3薩哈DH方法

3.3正運動學

3.3.1基於改進型DH建模方法的正運動學

3.3.2基於薩哈DH建模方法的正運動學

3.4關節空間和笛卡兒空間

3.5逆運動學

3.5.1代數法

3.5.2幾何法

3.6雅可比矩陣

3.7連杆速度

3.8雅可比矩陣的計算

3.9奇異性分析

3.10運動學冗餘

3.11串聯機械臂和並聯機械臂

小結

練習題

實驗題

第4章靜力學

4.1力和力矩的平衡

4.2遞推計算

4.3等效關節力矩

4.4工業機械臂靜力學遞推計算

4.5雅可比矩陣在靜力學中的應用

小結

練習題

實驗題

第5章動力學

5.1慣性特性

5.1.1質心

5.1.2慣性矩和慣性張量

5.1.3慣性矩平行移軸定理

5.1.4機械臂工作空間

5.1.5機械臂平衡器

5.2歐拉拉格朗日方程

5.2.1動能計算

5.2.2勢能計算

5.2.3運動方程

5.3遞推牛頓歐拉算法

5.3.1運動參數的遞推計算

5.3.2力和力矩參數的遞推計算

5.3.3驅動力和驅動力矩的計算

5.4工業機械臂動力學遞推計算

5.5正向動力學與逆向動力學

5.5.1正向動力學應用

5.5.2逆向動力學應用

小結

練習題

實驗題

第6章運動控制

6.1運動控制概念

6.2二階線性繫統

6.3反饋控制及繫統特性

6.4閉環繫統的傳遞函數

6.5機械臂反饋控制方程

6.6工業機器人關節控制

6.6.1驅動關節電動機模型

6.6.2機械臂關節模型

6.7機械臂關節控制器

6.7.1比例控制器

6.7.2比例微分控制器

6.7.3比例積分微分控制器

6.7.4閉環回路反饋增益的確定

6.8非線性軌跡控制

6.8.1控制定律的分解

6.8.2單關節的軌跡跟蹤控制

6.8.3多關節機械臂的非線性控制

6.9基於狀態空間的控制

6.10基於狀態空間的反饋控制

6.11基於逆動力學前饋控制模型的反饋控制

6.11.1前饋控制誤差分析

6.11.2基於逆動力學的前饋控制

6.12機器人繫統的穩定性

6.12.1李雅普諾夫穩定性判別方法

6.12.2多關節工業機器人繫統的穩定性

小結

練習題

實驗題

第7章運動規劃

7.1關節空間規劃

7.1.1給定起點和終點的運動規劃

7.1.2給定起點、終點和中間點的運動規劃

7.2笛卡兒空間規劃

7.2.1單軸旋轉規劃方法

7.2.2雙軸旋轉規劃方法

7.3位置和姿態運動規劃

7.3.1路徑描述函數

7.3.2位置的確定

7.3.3姿態的確定

7.4點到點規劃

7.4.1三階多項式規劃

7.4.2梯形速度規劃

7.5連續軌跡規劃

7.5.1過渡點速度連續軌跡規劃

7.5.2過渡點加速度連續軌跡規劃

小結

練習題

實驗題

第8章6軸桌面機械臂控制算法實例及應用

8.1桌面機械臂

8.2桌面機械臂控制繫統的架構

8.36軸桌面機械臂的運動學算法

8.3.16軸桌面機械臂DH方法建模

8.3.26軸桌面機械臂正運動學

8.3.36軸桌面機械臂逆運動學的求解過程

8.4桌面機械臂運動控制繫統

8.4.1速度前瞻

8.4.2塊“block”環形隊列

小結

練習題

實驗題

後記

參考文獻

人工智能、機器人、智能制造、創新設計等名詞已經成為人們日常生活中的熱門話題，有關機器人的各種各樣的社會交流活動也引起了人們對機器人的興趣，尤其是激起了學生們了解和學習機器人的熱情。隨著機器人技術的快速發展，有關機器人的教科書也層出不窮。然而，機器人學是機械、電子、計算機等多學科融合的產物，僅通過一兩本教科書的學習就完全掌握機器人技術還是具有很大挑戰性的。同時，人們也注意到，平時所觀看的眼花繚亂的機器人表演，並不能代替我們繫統地學習和掌握機器人理論及技術。
為什麼大多數人覺得與機器人相關的理論及技術難以掌握？從體繫上而言，機器人學並不像其他學科那麼完善，這可能是難學的原因之一； 另一原因更可能是學習或教學模式與這門課程不相稱，如沒有實際的機器人操作實驗室或方便的實驗用品，學習訓練用的相應軟件也不完整，從而導致學習的成本和時間代價被無形抬高，終得出的結論是機器人課程難學。近年來，機器人技術在各個行業的成功應用大大推動了機器人理論及技術的發展，尤其是在高等教育和職業培訓方面，更是呈現了如雨後春筍般的發展。人們對機器人學的興趣也越來越濃厚，尤其是兒童和家長們也情不自禁地加入到學習機器人的行列中，這種情況自然導致相關的機器人教育理論與裝備快速發展。
大量實踐表明，實際的操作和訓練對學習機器人學具有極大的幫助。學生可以通過邊學習理論知識，邊進行實驗及操作，達到事半功倍的學習效果。本書嘗試結合配套的桌面機器人實驗器材，把機器人理論學習與實驗過程密切聯繫起來，從而使機器人的學習成為既有理論又有實踐的互動過程。學生可以在充分的實驗操作基礎上，快速理解和逐步掌握有關機器人的理論及技術。
本書主要討論機械臂的結構及其控制，包括空間變換、機械臂運動學、靜力學、動力學、運動控制和路徑規劃等。為了提高學習效率和激發學生的學習興趣，本書將機械臂基本原理與技術的學習過程建立在桌面機械臂實體與虛擬軟件一對一的基礎上。例如，機械臂運動學的實驗可以在虛擬環境中實現，也可以借助實體機械臂完成真實的操作。本書及配套的機器人實物和實驗內容，力圖應用簡明扼要、深入淺出的圖文和實驗教具來闡述有關機器人的知識，使學生的學習效率大大提高。
本書內容劃分為8章，每一章都配有練習題，供機器人學課程檢驗所學內容。另外，每一章節後面都配有相關實驗課的內容介紹，這些實驗都可以在虛擬實驗室中實現，並以6軸桌面機械臂實體為主要實驗設備讓學生可以進行實際的操作和編程訓練，具體的實驗內容可以在相關網站下載，並且大部分的實驗內容是互動和實時更新的。通過理論學習與具體實驗相結合，幫助學生深入理解所學的書本知識，並將其應用到實際問題中。有條件的學校還可以結合工業級機器人實驗繫統進行更深入的操作和訓練。
本書的主要內容如下：
第1章概述，主要介紹了機械臂的基本原理、零部件及其結構，並說明了機器人基礎理論準備和學習方法。
第2章空間變換，主要介紹了剛體的位姿分析和坐標變換，並在此基礎上繫統地討論了幾種其他的坐標變換表示方法。這些內容是機器人學的基礎數學知識，需要牢固掌握。
第3章運動學，詳細描述了機器人繫統各關節的坐標繫建立和連杆的DH參數，並繫統地推導了典型機械臂的正逆運動學模型。這些內容是機器人學的重點內容，也是後續學習必須掌握的基礎內容。
第4章靜力學，采用牛頓歐拉迭代原理介紹了機械臂各個關節的靜力學計算，並推導了典型機械臂的靜力學模型，還討論了雅可比矩陣在靜力學中的應用。
第5章動力學，主要介紹了歐拉拉格朗日方程和牛頓歐拉迭代算法，並分別應用這兩種方法推導機械臂各個關節的動力學計算和動力學模型。
第6章討論機械臂運動控制，應用古典控制理論實現對機械臂單關節和多關節的空間運動控制，並介紹了基於狀態空間的控制和機器人繫統的穩定性。
第7章分析運動軌跡規劃，從關節空間和笛卡兒空間兩個角度進行機器人的軌跡規劃，根據期望點序列完成多項式的計算，實現機械臂的空間操作、示教操作等。
第8章詳細講解了如何將機器人學中的運動學等相關理論應用於一臺小型桌面機械臂，並控制桌面機械臂實現點位控制及軌跡控制； 同時還講解了桌面機械臂的運動控制繫統原理，以解決桌面機械臂運動的準確性和平穩性問題。
本書由賈瑞清教授、盧繼霞副教授、馬飛博士、周東旭碩士、謝明佐碩士、劉曉萍碩士等合作研究與編寫。其中，第1、3、4章由賈瑞清編寫； 第2、5章由馬飛和賈瑞清合作編寫； 第6章由盧繼霞和賈瑞清合作編寫； 第7章由劉曉萍編寫； 第8章由周東旭編寫。本書配套的實驗項目及實驗程序由謝明佐和劉曉萍合作設計與編寫。
作者衷心感謝所有對本書的準備提供幫助的人。感謝劉歡碩士、宣鵬程碩士、王乾博士、張鈞嘉碩士、董會碩士、高鵬碩士、郭晶碩士在本書編寫過程中提供的實驗和測試技術支持； 感謝賈敏博士協助制作本書的插圖和對本書的技術策劃； 特別感謝美國TGL總裁王磊先生對本書寫作過程中提供的全方位支持。
編著者
2020年5月 於北京