在中國高等教育學會“機器人專業(yè)重點課程建設研究”專項課題的支持下，本書的編寫始終秉持“理論引導-項目教學”的理念，將基礎理論知識與實際工程應用有機融合。通過前7章內(nèi)容，全面闡述了機器人學的相關知識，包括機器人的定義和發(fā)展、機器人機構、機器人運動學和動力學、機器人軌跡規(guī)劃，并且每部分知識點均通過仿真進行分析。第8章通過協(xié)作機器人實際工程案例的分析，使讀者能夠?qū)η懊娴闹R點融會貫通。本書適合機器人工程、機械工程、機械電子工程等專業(yè)的高校師生以及從事機器人方向相關工作的技術人員閱讀。
《機器人學基礎》得到了中國高等教育學會“機器人專業(yè)重點課程建設研究”專項課題支持。本書基于“理論引導－項目教學”的理念，《機器人學基礎》將基礎理論知識與實際工程應用有機融合。通過對協(xié)作機器人典型構型的分析，將理論內(nèi)容融匯到具體實例中，使讀者能深入理解機器人學理論知識在實際中的應用，提高讀者的實踐能力和創(chuàng)新思維。各章節(jié)的核心知識點均配套相應的仿真操作實例，從數(shù)學模型的仿真驗證到運動學、軌跡規(guī)劃的程序?qū)崿F(xiàn)。每章章末均有一組習題，包括對知識點的考察和每章所學 MATLAB 軟件的相應練習；題量適中，難易適宜，且附有部分參考答案。
機器人技術作為多學科交叉融合的前沿領域，正以前所未有的速度改變著我們的生活和生產(chǎn)方式。從工業(yè)制造中的自動化生產(chǎn)線，到日常生活里的智能服務助手；從醫(yī)療領域的精準手術輔助，到宇宙探索，機器人的身影無處不在。機器人技術成為推動社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。掌握機器人學的基礎理論與實踐方法已成為相關專業(yè)學習者和從業(yè)者的核心需求。本書作為機器人相關專業(yè)的核心入門書籍，旨在為讀者搭建從理論認知到實踐應用的橋梁，同時將MATLAB及其Robotics Toolbox工具箱的應用貫穿全書，幫助讀者將抽象概念轉(zhuǎn)化為可操作的實踐能力。本書在內(nèi)容編排上，充分考慮初學者的認知規(guī)律和學習需求，遵循由淺入深、循序漸進的原則，并以工程實際為背景，理論知識、仿真技術、工程案例互為支撐。具體章節(jié)設計如下。第1章：從機器人的定義切入，講述了機器人的特點，然后介紹了機器人的發(fā)展史，分為機器人起源、國外機器人發(fā)展和國內(nèi)機器人發(fā)展3部分，最后介紹了機器人的主要研究方向，讓讀者建立對機器人的整體認知。第2章：聚焦機器人的機構基礎，介紹常見機構類型、機構簡圖的規(guī)范畫法，以及機器人的分類標準與方法，并引入了Robotics Toolbox工具箱。第3章：講解描述三維空間位置與姿態(tài)的數(shù)學工具，包括坐標變換、齊次矩陣等核心知識，并從這章開始介紹Robotics Toolbox的函數(shù)及函數(shù)的使用。第4章與第5章：深入探討機器人運動學的核心內(nèi)容，分別闡述正運動學與逆運動學的原理與求解方法，并基于Robotics Toolbox對機器人建模及進行正、逆運動學分析。第6章：概述了機器人動力學的基本概念，并重點討論了牛頓-歐拉法和拉格朗日法兩種動力學方法，最后基于Robotics Toolbox對機器人進行動力學仿真。第7章：介紹了機器人的運動規(guī)則，首先介紹了軌跡規(guī)劃的一般問題、生成方式等問題；其次介紹了幾種軌跡規(guī)劃方法，包括基于關節(jié)空間和笛卡兒空間的軌跡規(guī)劃方法，并基于Robotics Toolbox進行軌跡規(guī)劃。第8章：以AUBO-i5協(xié)作機器人為實例，將前文所述的運動學理論應用于具體機型，通過實例分析加深對理論知識的理解與運用能力。本書具有以下突出特色。1）以協(xié)作機器人核心技術為主線：本書由高校一線從事機器人教學與科研的教師團隊，攜手國內(nèi)首家生產(chǎn)協(xié)作機器人的遨博（北京）智能科技股份有限公司專家團隊共同打造，以協(xié)作機器人核心技術為主線，對其構型、運動學等內(nèi)容展開了詳細講解。通過對協(xié)作機器人典型機型的分析，將所講的理論內(nèi)容融匯到具體案例中，使讀者能深入理解機器人學理論知識在實際中的應用，提高讀者的實踐能力和創(chuàng)新思維。2）以Robotics Toolbox貫穿始終：各章節(jié)的核心知識點均配套相應的工具箱操作示例，從數(shù)學模型的仿真驗證到運動學、軌跡規(guī)劃的程序?qū)崿F(xiàn)。讀者很容易將本書中的知識點在Robotics Toolbox中進行仿真模擬實驗，進行知識點的復現(xiàn)，更直觀地體會和理解本書所講的知識點及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。本書可作為高等院校機器人工程、機械工程、機械電子工程相關專業(yè)的本科生和研究生教材，也可供對機器人技術感興趣的工程技術人員參考學習。在使用本書時，建議讀者在系統(tǒng)學習各章節(jié)理論知識的同時結(jié)合實際案例和練習題進行仿真操作，以達到更好的學習效果。本書由魏洪興、王殿君、陳亞、劉淑晶、路敦民、張方杰、王鵬、滕啟治編著。其中，王鵬編寫了各章節(jié)的Robotics Toolbox程序部分，滕啟治編寫了各章節(jié)的習題部分；其余部分的分工為魏洪興編寫了第1章和第8章，王殿君編寫了第3章和第6章，陳亞編寫了第4章和第5章前兩節(jié)，劉淑晶編寫了第2章，路敦民編寫了第7章，張方杰編寫了第5章后兩節(jié)。全書由魏洪興、王殿君和陳亞進行統(tǒng)稿。本書的編寫工作得到了中國高等教育學會“機器人專業(yè)重點課程建設研究”專項課題的支持。碩士研究生王子龍、高林林、楊佳衡、王靚、徐超強、崔智國、陳嘉豪、宋志虎、劉丁赫、韓楠、楊曉凡、李旭靜等參與了本書的校核工作。機械工業(yè)出版社對本書的編寫給予了指導和幫助。對此深表感謝！由于作者的水平有限，書中難免存在不足之處，希望得到廣大讀者的批評指正！作者
魏洪興，遨博（北京）智能科技股份有限公司董事長
前言第1章緒論1.1機器人的定義和特點1.1.1機器人的定義1.1.2機器人的特點1.2機器人的發(fā)展簡介1.2.1機器人的起源1.2.2國外機器人的發(fā)展1.2.3國內(nèi)機器人的發(fā)展1.3機器人學的主要研究方向1.4小結(jié)參考文獻習題第2章機器人機構2.1引言2.2機器人機構簡圖畫法2.2.1典型機器人機構的圖形符號2.2.2其他機器人機構的簡圖畫法2.3機器人分類2.3.1機器人按應用領域和服務對象劃分2.3.2機器人按機構劃分2.4MATLAB Robotics Toolbox2.4.1Robotics Toolbox簡介2.4.2Robotics Toolbox安裝2.5小結(jié)參考文獻習題第3章空間描述和變換3.1引言3.2機器人位置、姿態(tài)與位姿3.2.1位置3.2.2姿態(tài)3.2.3位姿3.3坐標系變換3.3.1坐標系平移3.3.2坐標系旋轉(zhuǎn)3.3.3坐標系變換綜合3.4變換算子3.4.1平移算子3.4.2旋轉(zhuǎn)算子3.4.3一般變換算子3.5變換算法3.5.1復合變換3.5.2逆變換3.5.3變換方程3.6繞一般軸的旋轉(zhuǎn)3.6.1旋轉(zhuǎn)矩陣通式3.6.2等效轉(zhuǎn)軸與等效轉(zhuǎn)角3.7其他姿態(tài)描述方法3.7.1固定角3.7.2歐拉角3.7.3四元數(shù)3.7.4空間姿態(tài)描述方法總結(jié)與對比3.8基于Robotics Toolbox的位姿描述3.8.1坐標系變換3.8.2姿態(tài)的描述3.8.3姿態(tài)可視化3.9小結(jié)參考文獻習題第4章機器人正運動學4.1引言4.2連桿的描述與定義4.2.1連桿關節(jié)軸的描述4.2.2相鄰連桿連接方式的描述4.2.3連桿參數(shù)4.3機器人正運動學4.3.1D-H法介紹4.3.2改進D-H法建模4.3.3標準D-H法建模4.3.4關節(jié)空間、笛卡兒空間和驅(qū)動器空間4.3.5工業(yè)機器人運動學實例4.3.6工具的定位4.3.7基于Robotics Toolbox的機器人建模與正運動學4.4小結(jié)參考文獻習題第5章機器人逆運動學5.1引言5.2機器人逆運動學5.2.1解的存在性與多解問題5.2.2代數(shù)解法和幾何解法5.2.3三軸相交的Pieper解法5.2.4工業(yè)機器人逆運動學實例5.2.5機器人運動學逆解的實際應用5.2.6基于Robotics Toolbox的機器人逆運動學5.3雅可比矩陣5.3.1雅可比矩陣的矢量積法5.3.2微分變換原理5.3.3雅可比矩陣的微分變換法5.3.4雅可比矩陣參考坐標系的變換5.3.5奇異性5.3.6雅可比條件數(shù)及可操作性5.3.7基于Robotics Toolbox的雅可比矩陣5.4小結(jié)參考文獻習題第6章機器人動力學6.1概述6.2動力學分析基礎6.2.1廣義坐標6.2.2虛位移和虛功原理6.2.3廣義外力6.2.4達朗貝爾原理6.2.5拉格朗日方程6.2.6慣性張量6.2.7牛頓-歐拉方程6.3機器人的牛頓-歐拉動力學建模6.3.12自由度機器人的牛頓-歐拉動力學建模6.3.2封閉形式的牛頓-歐拉動力學方程6.4機器人的拉格朗日動力學建模6.4.12自由度機器人的拉格朗日動力學建模6.4.2多自由度機器人的拉格朗日動力學建模6.5基于Robotics Toolbox的機器人動力學仿真6.5.1正向動力學仿真6.5.2逆向動力學仿真6.6小結(jié)參考文獻習題第7章機器人軌跡規(guī)劃7.1引言7.2軌跡規(guī)劃概述7.2.1機器人軌跡規(guī)劃問題實例7.2.2機器人軌跡的生成方式7.3關節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法7.3.1三次多項式插值7.3.2過路徑點的三次多項式插值7.3.3高次多項式插值7.3.4用拋物線過渡的線性插值7.4笛卡兒空間軌跡規(guī)劃方法7.4.1線性函數(shù)插值7.4.2圓弧插值7.4.3速度曲線7.5基于Robotics Toolbox的軌跡規(guī)劃7.6小結(jié)參考文獻習題第8章協(xié)作機器人實例與應用8.1引言8.2協(xié)作機器人體系結(jié)構8.3基于改進D-H法的協(xié)作機器人運動學建模與仿真8.3.1協(xié)作機器人正運動學建模8.3.2協(xié)作機器人正運動學仿真8.3.3協(xié)作機器人逆運動學建模8.3.4協(xié)作機器人逆運動學仿真8.4基于標準D-H法的協(xié)作機器人運動學建模與仿真8.5小結(jié)參考文獻習題部分習題答案
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