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編輯推薦： 本书可用于高等院校相关机器人专业教材，并为机器人爱好者提供机器人学仿真的解决方案。 內容簡介： 本书是关于MATLAB基本应用和机器人学的实用参考书，全书共7章，以当前比较流行的MATLAB2018版本为基础，描述了MATLAB的主要功能及机器人学基本应用。第1章和第2章介绍了MATLAB简介及运算规则，包括MATLAB用户界面、帮助系统、矩阵运算、数值运算及符号运算等；第3章至第5章介绍了MATLAB常见功能，包括MATLAB程序设计、数据插值与拟合、数值微积分、常微分方程求解及MATLAB绘图等；第6章利用MATLAB机器人工具箱，以机械臂为例详细介绍了机器人运动学与动力学建模及仿真；第7章基于MATLAB的Simulink仿真，介绍了机器人运动学与动力学建模及计算过程。 本书可用于高等院校相关机器人专业教材，并为机器人爱好者提供机器人学仿真的解决方案。 關於作者： 石青，北京理工大学副教授、博导。2012年在日本早稻田大学获博士学位，主要从事仿生机器人及其生物医学应用研究。近年来，围绕仿生机器人与动物行为交互开展深入系统研究，提出了行为仿生表达仿生交互建模的新方法，解决了微小型仿生机器人行为能力弱、交互建模难等核心问题，部分成果在脑科学、动物实验装置等方面的研究得到了成功应用；迄今为止，发表录用SCI论文40余篇；获2016年度北京市科技新星、Advanced Robotics最佳期刊论文奖、国际会议IEEE ICRA 2014等优秀论文奖或提名奖10项；主持国家重点研发计划国际合作专项、国家自然科学基金等省部级以上项目10余项；在ICBS2016、ICRA Workshop等国际会议上作特邀报告6次；担任国际期刊IEEE Trans. Medical Robotics & Bionics、ROBOMECH Journal 编委以及IEEE CBS 2017 Program Cochair等国际学术职位。 目錄： 第 1 章 MATLAB 简介 .........................................................................................................1 1.1 概述............................................................................................................................1 1.2 用户界面与基本操作................................................................................................1 1.2.1 功能界面.........................................................................................................2 1.2.2 命令行窗口.....................................................................................................2 1.2.3 帮助系统.........................................................................................................4 1.3 数据与变量基础........................................................................................................7 1.3.1 基本数据类型.................................................................................................7 1.3.2 变量命名.........................................................................................................7 1.3.3 变量赋值.........................................................................................................8 1.4 本章小结....................................................................................................................8 习题...................................................................................................................................9 第 2 章 MATLAB 基本运算 ...............................................................................................10 2.1 矩阵运算..................................................................................................................10 2.1.1 矩阵生成与访问...........................................................................................10 2.1.2 矩阵基本运算...............................................................................................14 2.1.3 矩阵函数.......................................................................................................17 2.2 数值运算..................................................................................................................19 2.2.1 基本数学函数...............................................................................................19 2.2.2 多项式运算...................................................................................................19 2.2.3 线性方程组求解...........................................................................................24 2.3 符号运算..................................................................................................................25 2.3.1 创建符号对象...............................................................................................25 2.3.2 符号对象运算...............................................................................................26 2.3.3 符号微积分...................................................................................................28 2.4 本章小结..................................................................................................................31 习题.................................................................................................................................32 第 3 章 MATLAB 程序设计 ...............................................................................................33 3.1 M 文件......................................................................................................................33 3.1.1 脚本 M 文件.................................................................................................33 3.1.2 函数 M 文件.................................................................................................34 3.1.3 内联函数.......................................................................................................39 3.2 数据的输入与输出..................................................................................................40 3.2.1 用户输入提示命令 input..............................................................................40 3.2.2 请求键盘输入命令 keyboard.......................................................................40 3.2.3 屏幕输出语句 disp .......................................................................................42 3.2.4 其他相关命令...............................................................................................43 3.3 程序控制结构..........................................................................................................44 3.3.1 顺序结构.......................................................................................................45 3.3.2 选择结构.......................................................................................................45 3.3.3 循环结构.......................................................................................................49 3.4 程序调试..................................................................................................................52 3.4.1 概述...............................................................................................................52 3.4.2 调试方法.......................................................................................................53 3.5 本章小结..................................................................................................................54 习题.................................................................................................................................55 第 4 章 MATLAB 数据分析与处理 ...................................................................................56 4.1 数据插值与拟合......................................................................................................56 4.1.1 数据插值.......................................................................................................56 4.1.2 数据拟合.......................................................................................................61 4.2 数值微积分..............................................................................................................62 4.2.1 数值微分.......................................................................................................62 4.2.2 数值积分.......................................................................................................62 4.3 零极点问题..............................................................................................................64 4.3.1 求零点...........................................................................................................64 4.3.2 求极值...........................................................................................................66 4.4 常微分方程的求解..................................................................................................67 4.4.1 常微分方程的解析解...................................................................................67 4.4.2 常微分方程的数值解...................................................................................68 4.5 本章小结..................................................................................................................72 习题.................................................................................................................................73 第 5 章 MATLAB 绘图 .......................................................................................................74 5.1 二维绘图..................................................................................................................74 5.1.1 plot 命令 ........................................................................................................74 5.1.2 fplot 命令.......................................................................................................80 5.1.3 ezplot 命令.....................................................................................................81 5.1.4 交互式绘图...................................................................................................82 5.2 三维绘图..................................................................................................................84 5.2.1 plot3 命令 ......................................................................................................84 5.2.2 mesh 命令 ......................................................................................................85 5.2.3 surf 命令 ........................................................................................................87 5.3 特殊图形..................................................................................................................88 5.3.1 二维特殊图形命令.......................................................................................88 5.3.2 三维特殊图形命令.......................................................................................91 5.4 三维图形的高级设置..............................................................................................92 5.4.1 视点控制.......................................................................................................93 5.4.2 光照控制.......................................................................................................94 5.5 本章小结..................................................................................................................94 习题.................................................................................................................................95 第 6 章 机器人工具箱建模与仿真.....................................................................................96 6.1 机器人工具箱..........................................................................................................96 6.1.1 机器人工具箱简介.......................................................................................96 6.1.2 机器人工具箱下载及安装...........................................................................96 6.2 机器人学基础..........................................................................................................97 6.2.1 刚体描述及坐标系.......................................................................................97 6.2.2 连杆描述及坐标系.....................................................................................100 6.2.3 机器人运动学.............................................................................................102 6.2.4 轨迹规划.....................................................................................................102 6.3 基本函数介绍........................................................................................................104 6.3.1 Link 函数.....................................................................................................104 6.3.2 SerialLink 函数............................................................................................105 6.3.3 变换矩阵求解函数.....................................................................................107 6.3.4 轨迹规划函数.............................................................................................107 6.4 机器人运动学计算................................................................................................108 6.4.1 正运动学分析.............................................................................................108 6.4.2 逆运动学分析............................................................................................. 111 6.5 机器人动力学计算................................................................................................115 6.5.1 动力学方程.................................................................................................116 6.5.2 正动力学分析.............................................................................................120 6.5.3 逆动力学分析.............................................................................................121 6.6 机器人工具箱动力学计算实例............................................................................123 6.6.1 任务描述.....................................................................................................123 6.6.2 运动模型构建.............................................................................................124 6.6.3 轨迹规划和运动学计算.............................................................................125 6.6.4 动力学计算.................................................................................................127 6.7 本章小结................................................................................................................128 习题...............................................................................................................................129 第 7 章 机器人学 Simulink 仿真......................................................................................131 7.1 Simulink 基本操作.................................................................................................131 7.1.1 Simulink 的特点..........................................................................................131 7.1.2 Simulink 启动与基础操作..........................................................................131 7.2 Simulink 模块库和系统仿真.................................................................................136 7.2.1 Simulink 模块库常用模块介绍 ..................................................................136 7.2.2 Simulink 仿真系统设置..............................................................................141 7.3 子系统创建与封装................................................................................................143 7.3.1 通过子系统模块来建立子系统.................................................................143 7.3.2 组合已有的模块建立子系统.....................................................................144 7.3.3 封装子系统.................................................................................................145 7.3.4 条件子系统.................................................................................................147 7.4 Simulink 机器人运动学计算.................................................................................150 7.4.1 正运动学分析.............................................................................................150 7.4.2 逆运动学分析.............................................................................................152 7.5 Simulink 机器人动力学计算.................................................................................154 7.5.1 正动力学分析.............................................................................................154 7.5.2 逆动力学分析.............................................................................................155 7.6 机械臂关节控制....................................................................................................156 7.6.1 驱动电机.....................................................................................................156 7.6.2 独立关节控制.............................................................................................157 7.7 Simulink 仿真实例.................................................................................................157 7.7.1 仿真任务描述.............................................................................................157 7.7.2 轨迹函数生成.............................................................................................159 7.7.3 仿真模型构建.............................................................................................162 7.7.4 仿真结果分析.............................................................................................163 7.8 本章小结................................................................................................................165 习题...............................................................................................................................166 参考文献...............................................................................................................................167 內容試閱： MATLAB是美国 MathWorks公司开发的一种多范式数值计算环境和专有编程语言， 可进行矩阵计算、数据可视化、算法实现、交互式程序设计以及非线性动态系统的建模和仿 真等，广泛应用于工程计算、信号处理与通讯、工程设计、图像处理等与数值计算相关的众 多科学研究领域。机器人学又称为机器人技术或机器人工程学，主要研究机器人的控制与被 处理物体之间的相互关系，涉及机械学、电子工程学、控制理 论与控制工程学、计算机科学 与工程等多学科领域的融合及交叉。 21世纪以来，机器人技术成为衡量一个国家科技水平 与高端制造水平的重要标准，也是中国制造 2025的重点发展领域，国家前沿科技和未来 产业发展的核心力量。利用 MATLAB强大的仿真工具和可视化特征，可简化机器人的复杂 计算，易于机器人爱好者及初学者迅速了解和探索机器人学中的奥秘。 本书是关于 MATLAB基本应用和机器人学的实用参考书，全书共 7章，以当前比较 流行的 MATLAB2018版本为基础，描述了 MATLAB的主要功能及机器人学基本应用。第 1章和第 2章介绍了 MATLAB简介及运算规则，包括 MATLAB用户界面、帮助系统、矩阵 运算、数值运算及符号运算等；第 3章至第 5章介绍了 MATLAB常见功能，包括 MATLAB程序设计、数据插值与拟合、数值微积分、常微分方程求解及 MATLAB绘图等；第 6章利 用 MATLAB机器人工具箱，以机械臂为例详细介绍了机器人运动学与动力学建模及仿真； 第 7章基于 MATLAB的 Simulink仿真，介绍了机器人运动学与动力学建模及计算过程。 作者一直从事机器人及其仿真相关课程教学，所在团队的研究方向主要仿生机器人、微 纳操作机器人 ，在机器人技术前沿交叉及工程应用方面领域等进行了多年的研究，也积累了 丰富的经验。本书的初衷是通过介绍 MATLAB这一强大的工程计算软件的基础知识，并结 合团队多年在机器人技术中的实践研究，通过实例展现机器人学的 MATLAB仿真，为广大 的本科生、研究生以及机器人爱好者提供一种机器人学仿真的解决方案，使他们更加体会到 科学计算工具应用于实际研究中的重要性。 本书主要由石青、王化平、吴阳编写。团队同事、博士生及硕士生参与了部分章节的资 料整理工作，特别感谢侯尧珍、陈晨、胡豪俊、闫书睿等。本书的编写与出版得到国家重点 研发 计划政府间国际合作专项（ 2017YFE0117000）、国家自然科学基金 61773058）的资助 在此表示衷心的感谢。 由于作者水平有限，时间仓促，书中难免存在疏漏及不妥之处，敬请广大读者和专家不吝批评指正。

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