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| 編輯推薦： |
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本书系统地介绍了机器人学的基础理论知识，重心放在机器人机构、建模、规划与控制等方面，为本科机器人工程及相关专业的入门教材。
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| 內容簡介： |
本书系统地介绍了机器人学的基础理论知识，重心放在机器人机构、建模、规划与控制等方面，为本科机器人工程及相关专业的入门教材。
全书共10章。第1章为绪论;第2章和第3章分别介绍了与机器人系统及机构相关的基础知识，为读者提供了对机器人的总体认识;第4章作为机器人的数理基础，详细讨论了如何构建刚体运动模型;第5~7章主要讲述了有关机器人运动学方面的基础内容，包括串联机器人的位移分析(第5章)、串联机器人的速度与静力分析(第6章)和并联机器人运动学基础(第7章);第8~10章主要讲述了有关机器人动力学、规划与控制方面的基础知识，包括串联机器人的动力学建模(第8章)、机器人轨迹生成(第9章)与机器人控制基础(第10章)等。此外，作为正文的补充，在附录中介绍了旋量理论基础、MATLAB编程等内容。
本书可作为机器人工程等专业本科专业教材或研究生教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员参考用书。
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| 目錄：
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前言
符号表
第1章绪论1
11机器人的起源与发展1
111古代有关机器人的记载1
112近、现代机器人的发展3
12机器人的定义、分类与应用7
121机器人的定义7
122机器人的分类8
123机器人的典型应用10
13机器人学的知识体系与发展方向11
131知识体系11
132发展方向14
14本书内容与学习目标15
141章节安排与内容导读15
142学习目标16
143如何使用本书17
习题17
第2章机器人系统组成19
21机器人系统的组成19
22两类典型的机器人系统23
221操作臂24
222移动机器人26
23机器人驱动器27
231电动机27
232液压驱动器28
233气动驱动器28
234其他驱动器类型29
24机器人传动系统30
241常见的机器人传动机构31
242机器人专用减速器32
25机器人传感器35
251典型的内传感器35
252典型的外传感器39
26机器人控制系统41
261软件架构41
262硬件架构42
27机器人的主要性能指标44
28本章小结47
延读文献47
习题48
第3章机器人机构49
31机器人机构的基本组成49
311机构的基本组成元素:构件与
运动副49
312运动链、机构与机器人52
313机器人机构的表示53
32机器人机构的简单分类55
33串联机器人机构56
331手臂机构56
332手腕机构58
333机器人手爪60
34并/混联机器人机构63
35机器人机构的自由度69
351与自由度相关的几个基本概念69
352自由度计算公式71
36本章小结75
延读文献76
习题76
第4章位姿描述与变换81
40预备知识81
401坐标系与点的坐标表示81
402三维矢量及其运算82
41位姿描述84
411概述84
412平面刚体的位姿描述86
413空间刚体的位置描述87
414空间刚体的姿态描述88
415空间刚体的位姿描述90
42刚体变换91
421坐标映射91
422运动算子96
423逆变换100
424复合变换101
425变换方程103
426自由矢量的变换106
43三角度姿态描述107
431欧拉角108
432固定角112
44等效轴角与单位四元数114
441基于等效轴角的旋转变换114
442单位四元数118
443不同姿态描述之间的对比及
映射关系总结123
*45对齐次变换的再认识124
46本章小结128
延读文献129
习题129
第5章串联机器人的位移分析133
51位移分析的主要任务及意义133
52位移分析的基本原理与基本方法134
521基本原理:闭环方程134
522求解逆运动学的通用方法:
数值法136
53DH参数与串联机器人的正运动学
求解139
531DH参数法的由来139
532DH参数定义141
533前置坐标系及前置DH矩阵142
534基于前置DH参数法的串联
机器人位移求解147
*535后置DH参数法与串联
机器人的正向运动学求解150
54串联机器人的位移反解153
55综合实例159
*56串联机器人位移求解的指数积
公式162
57位姿描述与工作空间165
571位姿描述165
572工作空间166
58本章小结168
延读文献169
习题169
第6章串联机器人的速度与静力
分析172
61速度与静力分析的主要任务及意义172
62速度矢量和雅可比的定义173
621广义速度矢量的符号表达和
定义173
622任意两刚体之间的速度关系179
623雅可比的定义180
63速度雅可比的求解181
631直接微分法181
632递推法186
*633矢量积法191
634几何雅可比与解析雅可比之间的
变换194
64奇异位姿与运动学奇异195
641有关奇异的基本概念195
642奇异性分析196
65机器人自由度类型与速度雅可比199
*66雅可比的广义逆201
661冗余度机器人的逆雅可比201
662奇异位姿下的逆雅可比204
67串联机器人静力学205
671静力雅可比205
672静力雅可比与速度雅可比之间的
对偶性207
673递推法计算关节力/力矩208
674刚体上两点间速度和力的关系211
68串联机器人性能分析与评价213
681灵巧性分析213
682力椭球216
69本章小结218
延读文献219
习题219
第7章并联机器人运动学基础223
71并联机器人的主要应用223
72并联机器人的位移求解227
721求解方法概述227
722实例分析228
73并联机器人的速度雅可比240
731位移方程直接求导法241
*732旋量法242
74并联机器人的奇异性分析243
741并联机器人奇异的分类243
742并联机器人奇异的求解方法
简介244
75本章小结245
延读文献246
习题246
第8章串联机器人的动力学建模249
81机器人动力学建模的目的与意义249
82刚体的惯性250
83基于拉格朗日方程的串联机器人
动力学建模255
84基于牛顿欧拉方程的串联机器人
动力学建模264
841连杆的加速度计算公式264
842连杆速度、加速度的向外递推
公式266
843关节力/力矩的向内递推公式267
844牛顿欧拉动力学递推算法
总结268
85摩擦、传动比及驱动空间动力学273
851摩擦的影响273
852传动比的影响274
853驱动空间动力学方程277
86操作空间动力学方程277
87本章小结280
延读文献280
习题281
第9章机器人轨迹生成283
91轨迹生成的一般概念283
92关节空间轨迹生成与插补288
921二次组合曲线轨迹289
922三次多项式与速度S曲线轨迹296
923五次多项式轨迹299
924小结301
93笛卡儿空间轨迹生成和插补301
931直线路径的参数化表达及轨迹
生成302
932圆弧路径的参数化表达304
933姿态的表达和轨迹生成306
934笛卡儿空间路径规划注意事项308
94轨迹生成的实现310
941程序的模块化310
942轨迹生成与运动控制310
95本章小结312
延读文献312
习题312
第10章机器人控制基础314
101机器人控制问题概述314
102机器人运动控制系统硬件原理318
1021运动控制器的功能和原理
简述319
1022驱动器与电动机闭环控制
简述322
103驱动器与电动机模型326
1031电动机的速度模型326
1032电动机的力矩模型329
104分散控制331
1041速度模式下的独立关节PID
运动控制器332
1042力矩模式下的独立关节PID
运动控制器335
1043速度和加速度前馈补偿341
1044集中前馈补偿独立关节PID
控制器343
105PID控制器的离散化345
1051数字控制系统简介346
1052数字PID算法的实现347
106机器人力控制的基本概念350
107本章小结351
延读文献352
习题352
附录355
附录A旋量理论基础355
A1旋量、线矢量与偶量355
A2旋量的基本运算356
A3运动旋量与力旋量357
A4旋量系358
A5运动旋量系与约束旋量系360
A6小结362
延读文献362
附录BMATLAB编程362
参考文献367
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| 內容試閱：
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2015年，国内首个机器人工程本科新工科专业获批，构建与机器人工程专业相关的课程资源变得越来越迫切。其中，“机器人学基础”(或“机器人技术基础”)作为支撑该专业理论与技术基础的入门课，被很多高校列入核心课程系列中。然而，市面教材大多面向研究生编写，适合本科生使用的教材相对匮乏，配套教材建设成了重中之重。
北京航空航天大学机器人研究所长期从事与机器人相关的教学和科研工作。作为研究所的教师，本书作者一直工作在机器人科研和课程教学一线，主讲研究生课程“机器人学的现代数学基础”“自主移动机器人导论”、机械工程专业本科生核心课程“机器人技术基础”等。自2020年春季开始，作者又承担了机器人工程本科专业“机器人学基础”核心专业课的教学。
教学过程中，作者注意到市面上尚缺少面向机器人工程本科专业且符合下述特征的《机器人学基础》教科书:①明确定位:只涉及高等数学、线性代数、理论力学、机械原理、自动控制原理等先修课程，适用于本科生学习;②强化基础:围绕典型机器人工作原理，全面、详细、由浅入深地介绍与机器人机构、运动学、动力学和规划相关的最基础理论。为弥补上述缺憾、有效支撑专业教学，本书作者按上述理念，从撰写讲义开始，通过近两年的时间逐渐形成文稿，并经过两个学期的教学实践，才最后定稿。
全书包含10章，涵盖机器人系统组成、机器人机构、运动学、动力学、规划、控制等经典内容。若全部将本书所有章节的内容讲完，再加上编程或配套的实验和实践环节，可能需要56~64个学时。而目前国内大多数高校相关课程设置为32~48学时，因此需要选讲或者选学本教材中所提供的相关内容。其中，第2~6章和第8~9章内容是机器人学的理论基础，建议必学，而带*号的内容可作为学有余力的学生自学资料。
为了帮助读者梳理所学到的知识，在每章开始均设有“内容导读与学习目标”模块;每章的结尾包含有一个“本章小结”，对各章中出现的重要概念和公式进行了高度凝练、概括。同时，每章末尾还提供了一些可扩展、延读的参考文献。为夯实课程思政、丰富教学内容，每章还设有“小知识”“背景知识”和“知识扩展”等模块。
为使学有余力的读者深入理解现代机器人学中的一些基本概念和方法，本书还提供了有关旋量等现代数学工具以及相关问题求解的内容，分散在各章节的选学内容(用*号标识)和附录A中。
另外，各章后面都安排有较丰富的习题，分为问答题论证、分析题和MATLAB编程题三种类型。建议读者尽可能完成每道题，尤其是MATLAB编程类的题目(学习指导见附录B)，以利于理解基础理论、强化实践能力。
全书编写分工如下:主体内容由于靖军和王巍共同编写，两人对本书具有同等贡献。李大寨、赵宏哲、蔡月日、田耀斌等老师参与了本书的编写工作。邓明广助教完成了全部课后习题答案的整理，李建和王楚芊助教参与了部分课后习题答案的解答和校对工作。北京航空航天大学机器人工程专业2018级全体同学参与了教材的试用和校对，并为课后习题解答提供了素材。
本教材的编写，参考了国内外大量经典教材与专著，这里对其作者表示最诚挚的敬意!特别提及的是，已产生广泛影响力的克雷格教授所著《机器人学导论》、蔡伦文教授所著《机器人分析:串并联机器人机构学》、西西里亚诺等所著《机器人学:建模、规划与控制》、熊有伦院士等所著《机器人学:建模、控制与视觉》、黄真教授等所著《并联机器人机构学理论及控制》等，为本书编写提供了绝佳的创意和素材。
特别鸣谢遨博(北京)智能科技有限公司的刘刚工程师，他在机器人轨迹规划和控制系统架构方面给出了很好的建议!
此外，本书还得到了北京航空航天大学校级规划教材的立项，并给予出版经费的强有力支持，对此表示感谢!
由于编者水平有限，书中难免有疏虞之处，敬请读者和专家批评指正。
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