本書介紹了機器人基礎及實踐的相關內容，將串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人和移動機器人的理論與實踐有機集成，并將機器人本體、環(huán)境構建以及機器人本體和環(huán)境交互的理論與實踐有機融合。本書共分為10章，內容涉及機器人概況、機器人運動學基礎與實踐平臺介紹、機器人正運動學理論與實踐、機器人逆運動學理論與實踐、機器人力學理論與實踐、機器人傳感理論與實踐、機器人環(huán)境識別理論與實踐、機器人定位及地圖構建理論與實踐、機器人運動規(guī)劃理論與實踐、機器人控制理論與實踐等�！ ”緯勺鳛槠胀ǜ叩仍盒C器人工程、自動化、機電一體化、電氣工程及其自動化、人工智能等工科專業(yè)的本科生和研究生教材，也可供廣大從事機器人應用系統(tǒng)開發(fā)的工程技術人員參考�！ ”緯溆邪琍PT課件、教學大綱、習題答案及數字孿生虛擬仿真實驗在內的全數字、高智能、立體化線上、線下教學資源。歡迎選用本書作教材的教師登錄www.cmpedu.com了解獲取方式�！ ”緯涮椎摹熬�上全數字化實踐平臺”網址為：http://110.41.23.108:8080。
本書遵循教指委相關指導文件和高等院校學生學習規(guī)律編寫而成。踐行四新理念，融入思政元素，注重理論與實踐相結合。
機器人是近年來發(fā)展起來的綜合學科，被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是全球公認的制高點。高精尖技術密集程度是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。作為引領世界未來的顛覆性技術，機器人正在全球范圍內創(chuàng)造新產業(yè)和新業(yè)態(tài)，推動生產和消費向智能化方向轉變，深刻影響著人類的生產和生活。隨著機器人技術在現(xiàn)代社會發(fā)展中的作用日益明顯，特別是進入21世紀以后，世界各國對機器人的重視程度日益提高，美國、歐盟各國、日本、韓國等發(fā)達國家和一些新興經濟國家，紛紛將機器人納入國家戰(zhàn)略計劃并進行重點規(guī)劃和部署。 黨的二十大報告明確指出科技是第一生產力，創(chuàng)新是第一動力，并強調了堅持深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，推進新型工業(yè)化，加快建設制造強國。同時，國家先后出臺了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列相關規(guī)劃，將機器人產業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)并給予重點支持。此外，工業(yè)和信息化部聯(lián)合十六部門印發(fā)了《“機器人+”應用行動實施方案》，提出了深化重點領域“機器人+”應用，增強“機器人+”應用基礎支撐能力，強化“機器人+”應用組織保障三方面內容。毫無疑問，隨著新一輪科技革命的深入推進，機器人及智能裝備制造業(yè)將進入快速發(fā)展時期，在引領我國制造業(yè)高端化、智能化、綠色化方面發(fā)揮著重要作用。 本書綜合介紹了機器人相關基礎與實踐內容，具有基礎理論介紹與綜合實踐相結合的特點，可作為本科生和研究生機器人技術類課程的教材和輔導用書，也適合從事機器人研究、開發(fā)和應用的科技人員學習參考。本書將串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人和移動機器人的理論和實踐有機集成，將機器人本體、環(huán)境構建以及機器人本體和環(huán)境交互的理論與實踐有機融合，是一本綜合三類機器人從本體到環(huán)境全方位的理論與實踐教材。本書第1章簡述機器人的發(fā)展歷史，討論機器人的特點、元件、系統(tǒng)及分類。第2章首先介紹機器人數學基礎，隨后介紹機器人機械結構及本書實踐平臺。第3章首先介紹機器人正運動學解決的問題，然后介紹機器人坐標系的建立，接著以機器人正運動學為例，介紹其正向運動的表示、正向運動方程的建立及運動方程的求解，最后以輪式仿人機器人、并聯(lián)機器人、移動機器人為例，介紹機器人正運動學技術實踐。第4章首先介紹機器人逆運動學求解問題，然后詳細介紹機器人逆運動學求解方法，最后以輪式仿人機器人和并聯(lián)機器人為例，分別介紹機器人逆運動學求解方法及機器人技術實踐。第5章首先介紹機器人力學解決的問題，然后分別介紹機器人靜力學和動力學分析方法，最后介紹機器人力學實踐案例及力學實踐訓練。第6章首先介紹機器人傳感器的分類和特性指標，然后分別介紹機器人的內部傳感器、外部傳感器和環(huán)境檢測傳感器，最后介紹機器人傳感技術實踐。第7章首先介紹機器人環(huán)境識別技術，然后分別介紹機器人物體識別和障礙物識別的基本方法。最后以機器人環(huán)境識別為例，介紹機器人目標識別和障礙物識別的具體實踐。第8章首先介紹機器人定位及地圖構建技術的發(fā)展，然后介紹機器人地圖構建方法、視覺和激光SLAM感知技術，最后介紹機器人定位及地圖構建實踐。第9章首先對機器人運動規(guī)劃技術進行介紹，然后分別在二維和三維空間內對機器人的路徑規(guī)劃技術、機器人軌跡規(guī)劃技術進行介紹，最后對運動規(guī)劃進行綜合實踐。第10章首先介紹機器人控制技術的發(fā)展，然后分別介紹機器人關節(jié)空間控制、機器人工作空間控制和機器人力控制的常見方法，最后通過實例介紹機器人控制實踐�！ ”緯晌鞅惫I(yè)大學樊澤明任主編，北京工業(yè)大學張祥銀、西北工業(yè)大學孫中奎任副主編，余孝軍、王鴻輝、劉準釓、劉文泉參加編寫。具體分工為：樊澤明編寫第1、8、9章，張祥銀編寫第3章，孫中奎編寫第5、10章，余孝軍編寫第2章，王鴻輝編寫第4、6章，劉準釓編寫第7章，余孝軍、劉文泉負責各章實踐部分的程序編制。全書由樊澤明負責整理和統(tǒng)稿。 本書在編寫和出版過程中，得到了眾多領導、專家和朋友的熱情鼓勵和幫助。本書參考了許多機器人專著、教材及網絡資源，在此對參考的專著、教材及網絡資源作者致以衷心的感謝�！ 【帯≌�
高等院校教師
前言第1章 緒論 11.1 機器人的發(fā)展歷史 11.1.1 機器人技術的發(fā)展 11.1.2 機器人應用的發(fā)展 31.2 機器人的定義及特點 51.2.1 機器人的定義 51.2.2 機器人的特點 61.3 機器人元件、系統(tǒng)與分類 71.3.1 機器人元件 71.3.2 機器人系統(tǒng) 91.3.3 機器人分類 101.4 本書綜述 16本章小結 20習題 21第2章 機器人運動學基礎與實踐平臺介紹 222.1 機器人數學基礎 222.1.1 齊次坐標及位姿矩陣 222.1.2 齊次變換 282.2 機器人機械結構 362.2.1 機器人執(zhí)行機構 362.2.2 機器人驅動機構 372.2.3 機器人傳動機構 382.3 實踐平臺介紹 392.3.1 輪式仿人機器人軟件系統(tǒng) 392.3.2 機器人仿真軟件V-REP 422.3.3 VMware Workstation 422.3.4 輪式仿人機器人 42本章小結 48習題 49第3章 機器人正運動學理論與實踐 513.1 機器人正運動學解決的問題 513.2 機器人坐標系的建立 523.2.1 機器人D-H方法 523.2.2 相鄰兩連桿坐標系的位姿表示 533.2.3 相鄰兩連桿坐標系的位姿確定 543.2.4 機器人非D-H方法 543.3 機器人正運動學的建立 563.3.1 機器人正向運動的表示 563.3.2 機器人正向運動方程的建立 563.3.3 機器人正向微分運動方程 573.3.4 機器人的雅可比矩陣 643.4 機器人正運動學實踐 723.4.1 輪式仿人機器人主作業(yè)系統(tǒng)正運動學實踐 743.4.2 輪式仿人機器人感知系統(tǒng)正運動學實踐 753.4.3 輪式仿人機器人輔助作業(yè)系統(tǒng)正運動學實踐 793.4.4 并聯(lián)機器人正運動學實踐 803.4.5 移動機器人正運動學實踐 833.5 輪式仿人機器人正運動學訓練 843.5.1 正運動學參數級訓練 843.5.2 正運動學編程級訓練 87本章小結 89習題 89第4章 機器人逆運動學理論與實踐 914.1 機器人逆運動學的求解問題 914.2 機器人逆運動學求解方法 924.2.1 機器人逆運動學的數值解法 924.2.2 機器人逆運動學的幾何解法 944.2.3 機器人逆運動學的解析解法 964.2.4 機器人逆雅可比矩陣 984.3 機器人逆運動學實踐案例 994.3.1 輪式仿人機器人主作業(yè)系統(tǒng)逆運動學求解實踐 994.3.2 輪式仿人機器人輔助作業(yè)系統(tǒng)逆運動學求解實踐 1024.3.3 并聯(lián)機器人逆運動學求解實踐 1044.3.4 移動機器人逆運動學求解實踐 1064.4 輪式仿人機器人逆運動學訓練 1064.4.1 逆運動學參數級訓練 1064.4.2 逆運動學編程級訓練 108本章小結 111習題 111第5章 機器人力學理論與實踐 1125.1 機器人力學解決的問題 1125.2 機器人靜力學分析 1125.2.1 機器人桿受力分析 1125.2.2 機器人力雅可比矩陣 1135.2.3 機器人靜力計算 1155.2.4 機器人的靜態(tài)特性 1165.3 機器人動力學分析 1215.3.1 牛頓-歐拉方程 1215.3.2 虛位移原理 1225.3.3 動力學普遍方程和拉格朗日方程 1245.4 輪式仿人機器人力學實踐案例 1285.4.1 輪式仿人機器人靜力學實踐案例 1285.4.2 輪式仿人機器人動力學單關節(jié)實踐案例 1315.5 輪式仿人機器人力學實踐訓練 1315.5.1 輪式仿人機器人訓練環(huán)境介紹 1315.5.2 輪式仿人機器人靜力學實踐訓練 133本章小結 141習題 141第6章 機器人傳感理論與實踐 1426.1 機器人傳感器概述 1426.1.1 機器人傳感器的分類 1426.1.2 傳感器的特性指標 1446.2 機器人內部傳感器 1456.2.1 位置（位移）傳感器 1466.2.2 速度和加速度傳感器 1466.2.3 力傳感器 1466.3 機器人外部傳感器 1476.3.1 觸覺傳感器 1476.3.2 壓覺傳感器 1486.3.3 接近傳感器 1496.3.4 其他外部傳感器 1496.4 機器人環(huán)境檢測傳感器 1526.4.1 機器人雙目視覺系統(tǒng) 1526.4.2 激光傳感器 1576.5 機器人傳感器實踐 1586.5.1 輪式仿人機器人傳感器參數級實踐 1586.5.2 輪式仿人機器人傳感器編程級實踐 160本章小結 163習題 163第7章 機器人環(huán)境識別理論與實踐 1647.1 機器人環(huán)境識別的技術發(fā)展 1647.1.1 物體識別的理解 1647.1.2 物體識別的發(fā)展歷程 1657.2 傳統(tǒng)的物體識別 1657.3 深度學習物體識別 1677.3.1 基于候選框的深度學習目標檢測算法 1687.3.2 基于回歸方法的深度學習目標檢測算法 1737.4 障礙物識別理論 1767.4.1 障礙證據 1767.4.2 障礙物去遮擋方法 1777.5 目標識別實踐 1817.5.1 水果目標識別實踐 1817.5.2 識別環(huán)境構建實踐 1847.5.3 水果識別參數級訓練 1877.5.4 水果識別編程級訓練 1897.6 障礙物識別實踐 1927.6.1 構建枝干語義分割數據集實踐 1927.6.2 代碼工程配置實踐案例 195本章小結 199習題 200第8章 機器人定位及地圖構建理論與實踐 2018.1 地圖表示與環(huán)境感知 2018.1.1 地圖表示方法 2018.1.2 二維地圖構建方法 2028.1.3 三維地圖構建方法 2088.2 機器人同步建圖與定位（SLAM）技術 2148.2.1 視覺SLAM 2148.2.2 激光SLAM 2188.3 地圖構建實踐案例 2208.3.1 機器人實驗室環(huán)境二維地圖構建實踐 2208.3.2 果樹三維地圖重建實踐 2228.4 地圖構建訓練 2308.4.1 二維地圖構建訓練 2308.4.2 三維地圖構建訓練 233本章小結 234習題 234第9章 機器人運動規(guī)劃理論與實踐 2359.1 機器人路徑規(guī)劃 2359.1.1 二維路徑規(guī)劃 2359.1.2 三維路徑規(guī)劃 2399.2 機器人軌跡規(guī)劃 2449.2.1 三次多項式軌跡規(guī)劃 2449.2.2 拋物線過渡的線性運動軌跡 2459.3 機器人運動規(guī)劃實踐案例 2479.3.1 果園二維路徑規(guī)劃實踐 2479.3.2 果樹三維路徑規(guī)劃 2499.4 輪式仿人機器人運動規(guī)劃訓練 2569.4.1 路徑規(guī)劃參數級訓練 2569.4.2 路徑規(guī)劃編程級訓練 262本章小結 267習題 267第10章 機器人控制理論與實踐 26910.1 機器人的控制特點和控制技術 26910.1.1 機器人的控制特點 27010.1.2 機器人的控制技術 27010.2 關節(jié)空間控制 27210.2.1 機器人關節(jié)模型分析 27210.2.2 基于模型的關節(jié)系統(tǒng)控制 27310.2.3 非模型關節(jié)空間控制方法 27410.3 工作空間控制 27510.3.1 工作空間的直接控制方法 27510.3.2 工作空間解耦控制方法 27610.3.3 自適應控制 27710.4 機器人力控制 27810.4.1 力/位混合控制問題 27810.4.2 力/位混合控制方法 27810.5 機器人控制實踐案例 28010.6 輪式仿人機器人控制訓練 28210.6.1 控制實踐環(huán)境 28210.6.2 控制參數級訓練 286本章小結 291習題 291參考文獻 292
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