机器人学(第4版)

作为一门高度交叉的前沿学科，机器人学激发了越来越多的具有不同背景的人们的广泛兴趣，已被深入研究，并获得快速发展，取得了令人瞩目的成就。进入21世纪以来，工业机器人产业发展速度加快，年增长率达到30%左右。其中，亚洲工业机器人的增长速度为突出，工业机器人市场前景向好。其中，中国从2014年起成为世界的机器人市场。近年来，随着人工智能进入一个新的发展时期，促进国际机器人的研究与应用也进入一个新的时期，推动机器人技术达到更高的水平。
本书主要介绍机器人学的基本原理和应用，是一部系统和全面的机器人学著作。全书共10章，涉及机器人学的概况、数理基础、运动学、动力学、控制、规划、编程和展望等内容。第1章简述机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类，探讨机器人学的研究和应用领域。第2章讨论机器人学的数理基础，包括空间质点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换，以及通用旋转变换等。第3章阐述机器人运动方程的表示与求解，即机器人正向运动学和逆向运动学问题，包括机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换短阵的表示，解释解法、数值解法等求解方法和机器人微分运动及其雅可比矩阵等。第4章涉及机器人动力学方程、动态特性和静态特性；着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿–欧拉动态平衡法，总结建立拉格朗日方程的步骤，并以二连杆和三连杆机械手为例推导机械手的动力学方程；探讨机器人的动态特性和静态特性。第5章研究机器人的位置和力控制，包括机器人的控制原则和控制方法、传动系统结构、位置伺服控制、位置和力混合控制、柔顺控制和分解运动控制等。第6章探讨机器人控制问题，涉及机器人的变结构控制、自适应控制和智能控制等。第7章介绍机器人传感器的特点与分类、各种典型的机器人内传感器和外传感器的工作原理。第8章讨论机器人规划问题。在说明机器人规划的作用和任务之后，从积木世界的机器人规划入手，逐步深入开展对机器人规划的讨论，包括规则演绎法、逻辑演算和通用搜索法及基于专家系统的规划等。在机器人路径规划方面，第8章在阐明机器人路径规划的主要方法和发展趋势之后，着重介绍了作者科研团队的一些研究新成果，如基于近似维诺图的机器人路径规划、基于免疫进化和示例学习的机器人路径规划和基于蚁群算法的机器人路径规划等。第9章概括论述机器人的程序设计，研究对机器人编程的要求和分类、机器人语言系统的结构和基本功能、机器人操作系统、几种重要的专用机器人语言、Python语言和MATLAB机器人学仿真工具，以及机器人的离线编程等。第10章分析机器人学的现状，展望机器人学的未来，包括国内外机器人技术和市场的发展状态和预测、机器人技术的发展趋势、各国雄心勃勃的机器人发展计划和应用机器人引起的社会问题等，并提出克隆技术对智能机器人的挑战问题。每章后均附有习题，供教师选用和学生练习。书末附有参考文献和英汉术语对照表，有助于学生深入研究和阅读机器人学的英文文献。
本书特别适合作为教材。当作为本科生教材时，可以跳过一些内容偏难的章节；当作为研究生教材时，教师可补充一些反映研究进展的学术论文和专题研究资料。本书也适合从事机器人学研究、开发和应用的科技人员学习参考。
本书版由蔡自兴编著。第二版、第三版和第四版由蔡自兴全面负责编写、修订和统稿；谢斌参加了第三版和第四版修订大纲的讨论，并修订了31节和32节及72节和93节等。
在本书的编写和出版过程中，得到众多领导、专家、教授、朋友和学生的热情鼓励和帮助。宋健院士的代序和张启先院士的序，一直是对本书作者和广大读者的极大支持和厚爱。包括中南大学、湖南自兴人工智能科技集团和清华大学及其出版社在内的许多机器人专家、高校师生、编辑和读者一直关心本书的编著和使用，并提出了一些十分中肯的建议。这些都是对作者的很大帮助，使我们深受鼓舞。在此特向有关领导、专家、编辑、合作者、师生和广大读者致以衷心的感谢。我还要特别感谢部分国内外机器人学专著、教材和有关论文的作者们。
本书在《机器人学（第三版）》的基础上全面修订而成。本次修订特别对第1章（绪论）、第3章（机器人运动学）、第6章（机器人高级控制）、第8章（机器人规划）和第9章（机器人程序设计）进行了重点修订，并对全书进行了勘误，使质量进一步提高。欢迎各位专家和广大读者在阅读后批评指正。

〖〗2022年春节〖〗于长沙鹅羊山德怡园

本书介绍机器人学的基本原理、关键技术及其应用。全书共12章，涉及机器人学的起源、发展、定义、特点、结构与分类，机器人学的数理基础、运动学、动力学与控制（包括位置控制、力控制和高级智能控制），机器人传感器、高层规划、轨迹规划和程序设计，以及机器人的应用和机器人学的展望等内容。全书与时俱进，全面反映国内外机器人学的**进展，是一部高水平的机器人学教材与专著。本书学术水平高，为“智能科学基础系列课程教学团队”的机器人学课程配套教材，其版曾获得*优秀教材一等奖等重要奖励。本修订版在原有基础上力求提高学术水平，为培养高素质高水平人才服务。 本书内容系统全面，反映出国内外机器人学的**进展，特别是全面修订机器人的数理基础和运动学，调整机器人控制和规划内容，改进人才培养效果。本书密切理论联系实际，加强计算能力培养，使学生学以致用。

本书介绍机器人学的基本原理、关键技术及其应用。全书共12章，涉及机器人学的起源、发展、定义、特点、结构与分类，机器人学的数理基础、运动学、动力学与控制（包括位置控制、力控制和高级智能控制），机器人传感器、高层规划、轨迹规划和程序设计，以及机器人的应用和机器人学的展望等内容。全书与时俱进，全面反映国内外机器人学的**进展，是一部高水平的机器人学教材与专著。本书学术水平高，为“智能科学基础系列课程教学团队”的机器人学课程配套教材，其版曾获得优秀教材一等奖等重要奖励。本修订版在原有基础上力求提高学术水平，为培养高素质高水平人才服务。 本书内容系统全面，反映出国内外机器人学的**进展，特别是全面修订机器人的数理基础和运动学，调整机器人控制和规划内容，改进人才培养效果。本书密切理论联系实际，加强计算能力培养，使学生学以致用。

蔡自兴  国际IEEE院士和IEEE终身院士（Fellow）、国际导航与运动控制科学院院士、纽约科学院院士、联合国专家，中南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师，湖南省自兴人工智能研究院首席科学家、自兴人工智能学院首席教授。首届全国高校教学名师奖、吴文俊人工智能科技奖成就奖、徐特立教育奖、宝钢全国优秀教师奖特等奖获得者。历任第八届湖南省政协副主席和全国政协第九届和第十届委员会委员，兼任中国人工智能学会副理事长及智能机器人专业委员会创会主任、IEEE计算智能学会评奖委员会委员和IEEE CIS进化计算技术委员会委员等。是我国人工智能、智能控制、机器人学诸学科的学术带头人之一，被誉为“中国人工智能教育人”、“中国智能机器人学科创始人”和“中国智能控制奠基者”。

第1章绪论
1.1机器人学的起源与发展
1.1.1机器人学的起源
1.1.2国际机器人学的发展
1.1.3中国机器人学的发展
1.2机器人的定义和特征
1.2.1机器人的定义
1.2.2机器人的主要特征
1.3机器人的构成与分类
1.3.1机器人系统的构成
1.3.2机器人的自由度
1.3.3机器人的分类
1.4机器人学的研究领域
1.5机器人学的应用领域
1.5.1工业机器人
1.5.2探索机器人
1.5.3服务机器人
1.5.4军用机器人
1.6本书概要
1.7本章小结
习题1

第2章数学基础
2.1位姿和坐标系描述
2.2平移和旋转坐标系映射
2.3平移和旋转齐次坐标变换
2.4物体的变换和变换方程
2.5通用旋转变换
2.6本章小结
习题2

第3章机器人运动学
3.1机器人运动方程的表示
3.1.1机械手运动姿态和方向角的表示
3.1.2平移变换的不同坐标系表示
3.1.3广义连杆和广义变换矩阵
3.1.4建立连杆坐标系的步骤和举例
3.2机器人运动方程的求解
3.2.1逆运动学求解的一般问题
3.2.2逆运动学的解析解法
3.2.3逆运动学的数值解法
3.3机器人运动的分析与综合举例
3.3.1机器人正向运动学举例
3.3.2机器人逆向运动学举例
3.4机器人的雅可比公式
3.4.1机器人的微分运动
3.4.2雅可比矩阵的定义与求解
3.4.3机器人雅可比矩阵计算举例
3.5本章小结
习题3

第4章机器人动力学
4.1刚体的动力学方程
4.1.1刚体的动能与位能
4.1.2拉格朗日方程和牛顿欧拉方程
4.2机械手动力学方程的计算与简化
4.2.1质点速度的计算
4.2.2质点动能和位能的计算
4.2.3机械手动力学方程的推导
4.2.4机械手动力学方程的简化
4.3机械手动力学方程举例
4.3.1二连杆机械手动力学方程
4.3.2三连杆机械手的速度和加速度方程
4.4机器人的动态特性
4.4.1动态特性概述
4.4.2稳定性
4.4.3空间分辨率
4.4.4精度
4.4.5重复性
4.5机械手的静态特性
4.5.1静力和静力矩的表示
4.5.2不同坐标系间的静力变换
4.5.3关节力矩的确定
4.5.4负荷质量的确定
4.6本章小结
习题4

第5章机器人位置和力控制
5.1机器人控制与传动概述
5.1.1机器人控制的分类、变量与层次
5.1.2机器人传动系统
5.2机器人的位置控制
5.2.1直流控制系统原理与数学模型
5.2.2机器人位置控制的一般结构
5.2.3单关节位置控制器的结构与模型
5.2.4多关节位置控制器的耦合与补偿
5.3机器人的力和位置混合控制
5.3.1柔顺运动与柔顺控制
5.3.2主动阻力控制
5.3.3力和位置混合控制方案和规律
5.3.4柔顺运动位移和力混合控制的计算
5.4本章小结
习题5

第6章机器人高级控制
6.1机器人的变结构控制
6.1.1变结构控制的特点和原理
6.1.2机器人的滑模变结构控制
6.1.3机器人轨迹跟踪滑模变结构控制
6.2机器人的自适应控制
6.2.1自适应控制器的状态模型和结构
6.2.2机器人模型参考自适应控制器
6.3机器人的智能控制
6.3.1智能控制与智能控制系统概述
6.3.2主要智能控制系统简介
6.3.3机器人自适应模糊控制
6.3.4多指灵巧手的神经控制
6.4基于深度学习的机器人控制
6.4.1基于深度学习的机器人控制概述
6.4.2基于深度学习的机器人控制示例
6.5本章小结
习题6

第7章机器人传感器
7.1机器人传感器概述
7.1.1机器人传感器的特点与分类
7.1.2应用传感器时应考虑的问题
7.2内传感器
7.2.1位移（位置）传感器
7.2.2速度和加速度传感器
7.2.3姿态传感器
7.2.4力觉传感器
7.3外传感器
7.3.1触觉传感器
7.3.2应力传感器
7.3.3接近度传感器
7.3.4其他外传感器
7.4机器人视觉装置
7.4.1机器人眼
7.4.2视频信号数字变换器
7.4.3固态视觉装置
7.4.4激光雷达
7.5本章小结
习题7

第8章机器人规划
8.1机器人规划概述
8.1.1规划的概念和作用
8.1.2机器人规划系统的任务与方法
8.2积木世界的机器人规划
8.2.1积木世界的机器人问题
8.2.2积木世界机器人规划的求解
8.3基于消解原理的机器人规划系统
8.3.1STRIPS的组成
8.3.2STRIPS规划过程
8.4基于专家系统的机器人规划
8.4.1规划系统结构和机理
8.4.2机器人规划专家系统
8.5机器人路径规划
8.5.1机器人路径规划的主要方法和发展趋势
8.5.2基于近似VORONOI图的机器人路径规划
8.5.3基于免疫进化和示例学习的机器人路径规划
8.5.4基于蚁群算法的机器人路径规划
8.6基于机器学习的机器人规划
8.7本章小结
习题8

第9章机器人程序设计
9.1机器人编程要求与语言类型
9.1.1对机器人编程的要求
9.1.2机器人编程语言的类型
9.2机器人语言系统结构和基本功能
9.2.1机器人语言系统的结构
9.2.2机器人编程语言的基本功能
9.3机器人操作系统ROS
9.4常用的工业机器人编程语言
9.4.1VAL语言
9.4.2SIGLA语言
9.4.3IML
9.4.4AL
9.5解释型脚本语言Python
9.5.1Python语言的基本数据结构
9.5.2选择结构和循环结构
9.5.3函数
9.6基于MATLAB的机器人学仿真
9.7机器人的离线编程
9.7.1机器人离线编程的特点和主要内容
9.7.2机器人离线编程系统的结构
9.7.3机器人离线编程仿真系统HOLPSS
9.8本章小结
习题9第10章机器人学展望
10.1机器人技术与市场的现状和预测
10.1.1世界机器人发展现状和发展预测
10.1.2中国工业机器人市场统计数据分析
10.2机器人技术的发展趋势
10.3各国雄心勃勃的机器人发展计划
10.4应用机器人引起的社会问题
10.5克隆技术对智能机器人的挑战
10.6本章小结
习题10

参考文献
英汉术语对照表

本书介绍机器人学的基本原理、关键技术及其应用。全书共12章，涉及机器人学的起源、发展、定义、特点、结构与分类，机器人学的数理基础、运动学、动力学与控制（包括位置控制、力控制和高级智能控制），机器人传感器、高层规划、轨迹规划和程序设计，以及机器人的应用和机器人学的展望等内容。全书与时俱进，全面反映国内外机器人学的**进展，是一部高水平的机器人学教材与专著。本书学术水平高，为“智能科学基础系列课程教学团队”的机器人学课程配套教材，其版曾获得*优秀教材一等奖等重要奖励。本修订版在原有基础上力求提高学术水平，为培养高素质高水平人才服务。 本书内容系统全面，反映出国内外机器人学的**进展，特别是全面修订机器人的数理基础和运动学，调整机器人控制和规划内容，改进人才培养效果。本书密切理论联系实际，加强计算能力培养，使学生学以致用。

蔡自兴  国际IEEE院士和IEEE终身院士（Fellow）、国际导航与运动控制科学院院士、纽约科学院院士、联合国专家，中南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师，湖南省自兴人工智能研究院首席科学家、自兴人工智能学院首席教授。首届全国高校教学名师奖、吴文俊人工智能科技奖成就奖、徐特立教育奖、宝钢全国优秀教师奖特等奖获得者。历任第八届湖南省政协副主席和全国政协第九届和第十届委员会委员，兼任中国人工智能学会副理事长及智能机器人专业委员会创会主任、IEEE计算智能学会评奖委员会委员和IEEE CIS进化计算技术委员会委员等。是我国人工智能、智能控制、机器人学诸学科的学术带头人之一，被誉为“中国人工智能教育人”、“中国智能机器人学科创始人”和“中国智能控制奠基者”。