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| 編輯推薦： |
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本教材配套有相关的实验指导手册和实体桌面级六轴机械臂，力求理论结合实践，使机器人学成为有趣的互动课程。
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| 內容簡介： |
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本书主要是讨论机械手结构及其控制，包括空间变换，机械臂运动学，静力学，动力学，路径规划，以及机械手控制过程。本书尝试结合配套的机器人实验器材和实验指导书，把机器人理论学习与实验过程密切联系起来，从而使机器人的学习成为既有理论，又有实践的互动过程。学习者将在充分的实验操作基础上，快速理解和掌握有关机器人理论和技术。为了提高学习效率和激发学生学习兴趣，本书将机械手基本原理与技术的学习过程建立在小机械手实体与虚拟软件一对一的基础上。
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| 關於作者： |
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贾瑞清，男，1958年2月生；博士生导师，博士，任职于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，测量控制与仪器系。主要在研项目：轻工业及微型机器人理论及软硬件应用开发、智能制造系统及其虚拟现实平台的研究及开发、高等教育虚拟实验室体系研究及应用开发。专著：《机械创新设计案例与评论》、《液压过滤技术及抗磨理论》
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| 目錄：
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第1章概述
1.1机器人学
1.2机器人机械结构
1.3机器人驱动器
1.4机器人传感器
1.4.1内部传感器
1.4.2外部传感器
1.5机器人控制
1.5.1二阶线性系统
1.5.2反馈控制
1.5.3PID控制器
1.5.4力控制
1.6机器人路径规划
1.7虚拟实验室
1.8机器人应用
1.8.1桌面机器人系列
1.8.2智能制造教学实验系统
1.9机器人操作系统（ROS）
小结
练习题
实验题
第2章空间变换
2.1刚体位姿分析
2.1.1位置描述
2.1.2姿态描述
2.1.3旋转矩阵的特性
2.2坐标变换
2.3固定角和欧拉角
2.3.1XYZ固定角
2.3.2ZYZ欧拉角
2.4轴和角
2.5单位四元数
小结
练习题
实验题
第3章运动学
3.1连杆坐标系和DH参数
3.2三种DH坐标系建模方法
3.2.1标准型DH方法
3.2.2改进型DH方法
3.2.3萨哈DH方法
3.3正运动学
3.3.1基于改进型DH建模方法的正运动学
3.3.2基于萨哈DH建模方法的正运动学
3.4关节空间和笛卡儿空间
3.5逆运动学
3.5.1代数法
3.5.2几何法
3.6雅可比矩阵
3.7连杆速度
3.8雅可比矩阵的计算
3.9奇异性分析
3.10运动学冗余
3.11串联机械臂和并联机械臂
小结
练习题
实验题
第4章静力学
4.1力和力矩的平衡
4.2递推计算
4.3等效关节力矩
4.4工业机械臂静力学递推计算
4.5雅可比矩阵在静力学中的应用
小结
练习题
实验题
第5章动力学
5.1惯性特性
5.1.1质心
5.1.2惯性矩和惯性张量
5.1.3惯性矩平行移轴定理
5.1.4机械臂工作空间
5.1.5机械臂平衡器
5.2欧拉拉格朗日方程
5.2.1动能计算
5.2.2势能计算
5.2.3运动方程
5.3递推牛顿欧拉算法
5.3.1运动参数的递推计算
5.3.2力和力矩参数的递推计算
5.3.3驱动力和驱动力矩的计算
5.4工业机械臂动力学递推计算
5.5正向动力学与逆向动力学
5.5.1正向动力学应用
5.5.2逆向动力学应用
小结
练习题
实验题
第6章运动控制
6.1运动控制概念
6.2二阶线性系统
6.3反馈控制及系统特性
6.4闭环系统的传递函数
6.5机械臂反馈控制方程
6.6工业机器人关节控制
6.6.1驱动关节电动机模型
6.6.2机械臂关节模型
6.7机械臂关节控制器
6.7.1比例控制器
6.7.2比例微分控制器
6.7.3比例积分微分控制器
6.7.4闭环回路反馈增益的确定
6.8非线性轨迹控制
6.8.1控制定律的分解
6.8.2单关节的轨迹跟踪控制
6.8.3多关节机械臂的非线性控制
6.9基于状态空间的控制
6.10基于状态空间的反馈控制
6.11基于逆动力学前馈控制模型的反馈控制
6.11.1前馈控制误差分析
6.11.2基于逆动力学的前馈控制
6.12机器人系统的稳定性
6.12.1李雅普诺夫稳定性判别方法
6.12.2多关节工业机器人系统的稳定性
小结
练习题
实验题
第7章运动规划
7.1关节空间规划
7.1.1给定起点和终点的运动规划
7.1.2给定起点、终点和中间点的运动规划
7.2笛卡儿空间规划
7.2.1单轴旋转规划方法
7.2.2双轴旋转规划方法
7.3位置和姿态运动规划
7.3.1路径描述函数
7.3.2位置的确定
7.3.3姿态的确定
7.4点到点规划
7.4.1三阶多项式规划
7.4.2梯形速度规划
7.5连续轨迹规划
7.5.1过渡点速度连续轨迹规划
7.5.2过渡点加速度连续轨迹规划
小结
练习题
实验题
第8章6轴桌面机械臂控制算法实例及应用
8.1桌面机械臂
8.2桌面机械臂控制系统的架构
8.36轴桌面机械臂的运动学算法
8.3.16轴桌面机械臂DH方法建模
8.3.26轴桌面机械臂正运动学
8.3.36轴桌面机械臂逆运动学的求解过程
8.4桌面机械臂运动控制系统
8.4.1速度前瞻
8.4.2块block环形队列
小结
练习题
实验题
后记
参考文献
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| 內容試閱：
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人工智能、机器人、智能制造、创新设计等名词已经成为人们日常生活中的热门话题，有关机器人的各种各样的社会交流活动也引起了人们对机器人的兴趣，尤其是激起了学生们了解和学习机器人的热情。随着机器人技术的快速发展，有关机器人的教科书也层出不穷。然而，机器人学是机械、电子、计算机等多学科融合的产物，仅通过一两本教科书的学习就完全掌握机器人技术还是具有很大挑战性的。同时，人们也注意到，平时所观看的眼花缭乱的机器人表演，并不能代替我们系统地学习和掌握机器人理论及技术。
为什么大多数人觉得与机器人相关的理论及技术难以掌握？从体系上而言，机器人学并不像其他学科那么完善，这可能是难学的原因之一； 另一原因更可能是学习或教学模式与这门课程不相称，如没有实际的机器人操作实验室或方便的实验用品，学习训练用的相应软件也不完整，从而导致学习的成本和时间代价被无形抬高，最终得出的结论是机器人课程难学。近年来，机器人技术在各个行业的成功应用大大推动了机器人理论及技术的发展，尤其是在高等教育和职业培训方面，更是呈现了如雨后春笋般的发展。人们对机器人学的兴趣也越来越浓厚，尤其是儿童和家长们也情不自禁地加入到学习机器人的行列中，这种情况自然导致相关的机器人教育理论与装备快速发展。
大量实践表明，实际的操作和训练对学习机器人学具有极大的帮助。学生可以通过边学习理论知识，边进行实验及操作，达到事半功倍的学习效果。本书尝试结合配套的桌面机器人实验器材，把机器人理论学习与实验过程密切联系起来，从而使机器人的学习成为既有理论又有实践的互动过程。学生可以在充分的实验操作基础上，快速理解和逐步掌握有关机器人的理论及技术。
本书主要讨论机械臂的结构及其控制，包括空间变换、机械臂运动学、静力学、动力学、运动控制和路径规划等。为了提高学习效率和激发学生的学习兴趣，本书将机械臂基本原理与技术的学习过程建立在桌面机械臂实体与虚拟软件一对一的基础上。例如，机械臂运动学的实验可以在虚拟环境中实现，也可以借助实体机械臂完成真实的操作。本书及配套的机器人实物和实验内容，力图应用简明扼要、深入浅出的图文和实验教具来阐述有关机器人的知识，使学生的学习效率大大提高。
本书内容划分为8章，每一章都配有练习题，供机器人学课程检验所学内容。另外，每一章节后面都配有相关实验课的内容介绍，这些实验都可以在虚拟实验室中实现，并以6轴桌面机械臂实体为主要实验设备让学生可以进行实际的操作和编程训练，具体的实验内容可以在相关网站下载，并且大部分的实验内容是互动和实时更新的。通过理论学习与具体实验相结合，帮助学生深入理解所学的书本知识，并将其应用到实际问题中。有条件的学校还可以结合工业级机器人实验系统进行更深入的操作和训练。
本书的主要内容如下：
第1章概述，主要介绍了机械臂的基本原理、零部件及其结构，并说明了机器人基础理论准备和学习方法。
第2章空间变换，主要介绍了刚体的位姿分析和坐标变换，并在此基础上系统地讨论了几种其他的坐标变换表示方法。这些内容是机器人学的基础数学知识，需要牢固掌握。
第3章运动学，详细描述了机器人系统各关节的坐标系建立和连杆的DH参数，并系统地推导了典型机械臂的正逆运动学模型。这些内容是机器人学的重点内容，也是后续学习必须掌握的基础内容。
第4章静力学，采用牛顿欧拉迭代原理介绍了机械臂各个关节的静力学计算，并推导了典型机械臂的静力学模型，还讨论了雅可比矩阵在静力学中的应用。
第5章动力学，主要介绍了欧拉拉格朗日方程和牛顿欧拉迭代算法，并分别应用这两种方法推导机械臂各个关节的动力学计算和动力学模型。
第6章讨论机械臂运动控制，应用古典控制理论实现对机械臂单关节和多关节的空间运动控制，并介绍了基于状态空间的控制和机器人系统的稳定性。
第7章分析运动轨迹规划，从关节空间和笛卡儿空间两个角度进行机器人的轨迹规划，根据期望点序列完成多项式的计算，实现机械臂的空间操作、示教操作等。
第8章详细讲解了如何将机器人学中的运动学等相关理论应用于一台小型桌面机械臂，并控制桌面机械臂实现点位控制及轨迹控制； 同时还讲解了桌面机械臂的运动控制系统原理，以解决桌面机械臂运动的准确性和平稳性问题。
本书由贾瑞清教授、卢继霞副教授、马飞博士、周东旭硕士、谢明佐硕士、刘晓萍硕士等合作研究与编写。其中，第1、3、4章由贾瑞清编写； 第2、5章由马飞和贾瑞清合作编写； 第6章由卢继霞和贾瑞清合作编写； 第7章由刘晓萍编写； 第8章由周东旭编写。本书配套的实验项目及实验程序由谢明佐和刘晓萍合作设计与编写。
作者衷心感谢所有对本书的准备提供帮助的人。感谢刘欢硕士、宣鹏程硕士、王乾博士、张钧嘉硕士、董会硕士、高鹏硕士、郭晶硕士在本书编写过程中提供的实验和测试技术支持； 感谢贾敏博士协助制作本书的插图和对本书的技术策划； 特别感谢美国TGL总裁王磊先生对本书写作过程中提供的全方位支持。
编著者
2020年5月 于北京
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