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233气动驱动器28 234其他驱动器类型29 24机器人传动系统30 241常见的机器人传动机构31 242机器人专用减速器32 25机器人传感器35 251典型的内传感器35 252典型的外传感器39 26机器人控制系统41 261软件架构41 262硬件架构42 27机器人的主要性能指标44 28本章小结47 延读文献47 习题48 第3章机器人机构49 31机器人机构的基本组成49 311机构的基本组成元素:构件与 运动副49 312运动链、机构与机器人52 313机器人机构的表示53 32机器人机构的简单分类55 33串联机器人机构56 331手臂机构56 332手腕机构58 333机器人手爪60 34并/混联机器人机构63 35机器人机构的自由度69 351与自由度相关的几个基本概念69 352自由度计算公式71 36本章小结75 延读文献76 习题76 第4章位姿描述与变换81 40预备知识81 401坐标系与点的坐标表示81 402三维矢量及其运算82 41位姿描述84 411概述84 412平面刚体的位姿描述86 413空间刚体的位置描述87 414空间刚体的姿态描述88 415空间刚体的位姿描述90 42刚体变换91 421坐标映射91 422运动算子96 423逆变换100 424复合变换101 425变换方程103 426自由矢量的变换106 43三角度姿态描述107 431欧拉角108 432固定角112 44等效轴角与单位四元数114 441基于等效轴角的旋转变换114 442单位四元数118 443不同姿态描述之间的对比及 映射关系总结123 *45对齐次变换的再认识124 46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 51位移分析的主要任务及意义133 52位移分析的基本原理与基本方法134 521基本原理:闭环方程134 522求解逆运动学的通用方法: 数值法136 53DH参数与串联机器人的正运动学 求解139 531DH参数法的由来139 532DH参数定义141 533前置坐标系及前置DH矩阵142 534基于前置DH参数法的串联 机器人位移求解147 *535后置DH参数法与串联 机器人的正向运动学求解150 54串联机器人的位移反解153 55综合实例159 *56串联机器人位移求解的指数积 公式162 57位姿描述与工作空间165 571位姿描述165 572工作空间166 58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 61速度与静力分析的主要任务及意义172 62速度矢量和雅可比的定义173 621广义速度矢量的符号表达和 定义173 622任意两刚体之间的速度关系179 623雅可比的定义180 63速度雅可比的求解181 631直接微分法181 632递推法186 *633矢量积法191 634几何雅可比与解析雅可比之间的 变换194 64奇异位姿与运动学奇异195 641有关奇异的基本概念195 642奇异性分析196 65机器人自由度类型与速度雅可比199 *66雅可比的广义逆201 661冗余度机器人的逆雅可比201 662奇异位姿下的逆雅可比204 67串联机器人静力学205 671静力雅可比205 672静力雅可比与速度雅可比之间的 对偶性207 673递推法计算关节力/力矩208 674刚体上两点间速度和力的关系211 68串联机器人性能分析与评价213 681灵巧性分析213 682力椭球216 69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 71并联机器人的主要应用223 72并联机器人的位移求解227 721求解方法概述227 722实例分析228 73并联机器人的速度雅可比240 731位移方程直接求导法241 *732旋量法242 74并联机器人的奇异性分析243 741并联机器人奇异的分类243 742并联机器人奇异的求解方法 简介244 75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 81机器人动力学建模的目的与意义249 82刚体的惯性250 83基于拉格朗日方程的串联机器人 动力学建模255 84基于牛顿欧拉方程的串联机器人 动力学建模264 841连杆的加速度计算公式264 842连杆速度、加速度的向外递推 公式266 843关节力/力矩的向内递推公式267 844牛顿欧拉动力学递推算法 总结268 85摩擦、传动比及驱动空间动力学273 851摩擦的影响273 852传动比的影响274 853驱动空间动力学方程277 86操作空间动力学方程277 87本章小结280 延读文献280 习题281 第9章机器人轨迹生成283 91轨迹生成的一般概念283 92关节空间轨迹生成与插补288 921二次组合曲线轨迹289 922三次多项式与速度S曲线轨迹296 923五次多项式轨迹299 924小结301 93笛卡儿空间轨迹生成和插补301 931直线路径的参数化表达及轨迹 生成302 932圆弧路径的参数化表达304 933姿态的表达和轨迹生成306 934笛卡儿空间路径规划注意事项308 94轨迹生成的实现310 941程序的模块化310 942轨迹生成与运动控制310 95本章小结312 延读文献312 习题312 第10章机器人控制基础314 101机器人控制问题概述314 102机器人运动控制系统硬件原理318 1021运动控制器的功能和原理 简述319 1022驱动器与电动机闭环控制 简述322 103驱动器与电动机模型326 1031电动机的速度模型326 1032电动机的力矩模型329 104分散控制331 1041速度模式下的独立关节PID 运动控制器332 1042力矩模式下的独立关节PID 运动控制器335 1043速度和加速度前馈补偿341 1044集中前馈补偿独立关节PID 控制器343 105PID控制器的离散化345 1051数字控制系统简介346 1052数字PID算法的实现347 106机器人力控制的基本概念350 107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 A1旋量、线矢量与偶量355 A2旋量的基本运算356 A3运动旋量与力旋量357 A4旋量系358 A5运动旋量系与约束旋量系360 A6小结362 延读文献362 附录BMATLAB编程362 参考文献367 內容試閱： 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。 作者

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