机器人学导论

第1章绪论

第2章机器人运动学

第3章机器人力学

第4章机器人轨迹生成

第5章操作臂的控制方法

第6章机器人设计

第7章机器人编程

第8章机器人应用

参考文献

第1章绪论

1.1机器人的概念和定义

“机器人（robot）”一词源于1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克（Capek）的科幻剧《罗萨姆的万能机器人公司》中奴隶的名字Robota。机器人发展至今已代表了一种新的经济形态，它将机器人技术的创新成果不断深度融合于经济社会的各领域之中，将机器人的概念不断普及到人类工作和生活的各个场景之中。

目前机器人领域对机器人的定义尚不统一，能够公认的是国际标准化组织（ISO）的定义：“机器人是一种能自动控制、可重复编程、多自由度、多功能的操作机。”我国国家标准对机器人的定义：“自动控制的、可重复编程、多用途、3个以上自由度的操作机。”而操作机又定义为：“通常由一系列互相铰接或相对滑动的构件组成的机构，用以抓取或移动物体。”

对国际上各种机器人的定义可归纳为：可以模拟人的动作，具有智力或感知与识别能力，是人造的机器或机械电子装置，靠自身动力和控制能力实现各种功能和动作。

机器人的显著特点是：拟人化、通用性、自主性和智能性。

智能机器人：具有感知、思考、决策和动作能力的系统的统称。这种概括和泛化的概念赋予了机器人更宽泛的内容，相继形成了腿式机器人、水下机器人、飞行机器人、医疗机器人、服务机器人等概念。将机器人技术扩展到许多工程领域则形成了各种“机器人化的机器”。正是由于机器人定义的概括性和开放性，才赋予了人们充分的想象和创造空间，使机器人科学成为一门具有活力和蓬勃发展的科学。

没有机器人，人将变为机器；机器人的发展必将推动人类不断从必然王国朝向自由王国发展。

机器人技术涉及力学、机械科学、控制科学、计算机科学、信息科学等多学科领域，如：机构学、控制论、计算机技术、信息技术、传感技术、仿生学和人工智能等，因此其定义和应用领域也将随着相关科学技术的发展而不断发展和变化。

传统概念下的数控机床和机器人的区别主要在于运动的解耦和耦合(指两个及两个以上的运动互相独立还是互相影响），其次在于通过编程完成一种还是多种加工任务。前者的运动一般是解耦的，通过编程完成的任务比较单一；后者的运动一般是耦合的，通过编程能完成多种任务。如图1.1所示是一种典型的工业机器人。但是随着自动化技术的发展，两者的区别越发不明显，比如多轴数控加工中心，已经成为一种运动耦合的、能通过编程完成多种任务的数控机床。

……

机器人学涉及力学、机械科学、控制科学、计算机科学、信息科学等多学科领域，综合性强，发展日新月异。本书注重读者掌握机器人学的基础知识，从理论到实践建立机器人技术应用的认知和概念。本书共分为8章。第1章介绍了机器人的概念和定义、名词术语、机器人的分类、应用和发展现状、学习本书的基础知识要求以及对一些关键问题的补充说明。第2章讲述了位姿描述、坐标变换、正逆运动学模型、速度雅可比等机器人运动学的基础知识。第3章讲述了机器人动力学建模方法、正逆动力学问题以及动力学性能指标等基础知识。第4章讲述了机器人关节空间或直角坐标空间的运动随时间的变化规律，即机器人轨迹生成方法。第5章根据机器人的机械系统、控制系统(硬件)和操作任务等要求，讲述了线性控制、非线性控制、力控制方法等常用控制方法的原理。第6章根据机器人的操作任务和技术要求，讲述了机器人结构、驱动器、传动系统、传感器、控制系统(硬件)的设计原则和基本设计方法。第7章主要介绍机器人编程系统、编程语言和离线编程系统的概念和基本编程方法。第8章从应用角度出发，基于前面介绍的机器人基本原理和机器人设计的基本知识，介绍了机器人技术在工程领域中的典型应用，以初步建立机器人技术应用的认知和概念。