机器人理论与技术基础

本书定位为一本专业基础课教材，因此本书的编著遵循“以学生为中心”的指导思想，章节内容安排以循序渐进为原则，按照由易到难、由浅入深、由简至繁的形式展开，既便于教师授课，又利于学生自学。本书共八章，具体内容包括绪论、机器人系统分析与设计基础、机器人运动学、机器人动力学、机器人运动规划、机器人控制、机器人编程语言、典型机器人系统的设计与实现。为了加强课程的学习效果，本书在相关章节安排实例分析，期望通过实例引发读者的深入思考，并在各章的最后编入扩展阅读内容，便于读者开展探索式学习，达到启发思维的目的。为了更好地将理论和实践相结合，本书对各章知识点所涉及的算法和系统给出相关算法伪代码或系统仿真实例以进行验证，同时在章节末尾编有习题和编程内容，有利于学生巩固、提高自己的知识和技能。
本书可作为机器人工程专业的高年级本科生或研究生教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员的参考用书。

前言
第1章 绪论
1.1 机器人的发展
1.1.1 机器人的历史
1.1.2 机器人及机器人学的定义
1.2 机器人的分类
1.3 机器人的发展趋势
1.4 本书章节安排与各章概要
1.4.1 本书章节安排
1.4.2 机器人系统分析与设计基础
1.4.3 机器人运动学
1.4.4 机器人动力学
1.4.5 机器人运动规划
1.4.6 机器人控制
1.4.7 机器人编程语言
1.4.8 典型机器人系统的设计与实现
1.5 扩展阅读
习题
第2章 机器人系统分析与设计基础
2.1 机器人与人工智能
2.2 机器人软件体系结构
2.2.1 层次结构
2.2.2 包容体系结构
2.2.3 分布式结构
2.2.4 仿生结构
2.2.5 体系结构中的任务规划
2.3 机器人系统的组成
2.4 机器人位形
2.4.1 机器人的坐标系及位姿
2.4.2 RPY角法
2.4.3 欧拉角法
2.4.4 罗德里格斯公式
2.4.5 四元数法
2.4.6 罗德里格斯参数法
2.4.7 位形与位形空间
2.5 机器人关节类型与自由度
2.5.1 关节类型
2.5.2 自由度计算
2.6 常用的机器人建模描述文件与仿真平台
2.6.1 常用的机器人建模描述文件
2.6.2 URDF机器人模型
2.6.3 常用的机器人仿真平台
2.7 机器人系统的设计方法
2.7.1 机器人系统设计的基本原则
2.7.2 机器人系统设计的步骤
2.8 基于ROS的机器人系统设计
2.8.1 ROS介绍
2.8.2 ROS2架构
2.8.3 基于ROS的机械臂仿真设计实例
2.8.4 基于ROS的移动机器人仿真设计实例
2.9 扩展阅读
习题
编程
第3章 机器人运动学
3.1 三自由度串联机械臂运动学——几何法
3.1.1 笛卡儿坐标型（PPP）
3.1.2 圆柱坐标型（RPP）
3.1.3 球坐标型（PRR）
3.1.4 平面关节型（RRP）
3.1.5 链式坐标型（RRR）
3.2 D-H表示法
3.3 SCARA机器人运动学
3.3.1 SCARA机器人坐标系的建立
3.3.2 SCARA机器人的正运动学分析
3.3.3 SCARA机器人的逆运动学分析（代数法）
3.4 机器人腕部结构
3.4.1 单自由度手腕
3.4.2 二自由度手腕
3.4.3 三自由度手腕
3.5 多轴串联机器人运动学求解方法分类
3.6 6R串联机器人正运动学
3.6.1 D-H表示法求解
3.6.2 旋量法求解
3.6.3 四元数法求解
3.6.4 对偶四元数法求解
3.7 多轴串联机器人逆运动学
3.7.1 满足Pieper准则的解析解法
3.7.2 解析法与几何向量法的混合求法
3.7.3 机器人雅可比矩阵
3.7.4 逆运动学的数值求解
3.8 速度与静力学
3.9 奇异性分析
3.10 工作空间分析
3.10.1 几何图解法
3.10.2 解析法
3.10.3 数值法
3.11 并联机器人运动学
3.11.1 并联机器人简介
3.11.2 Delta机器人运动学分析
3.11.3 Delta并联机器人的分类与应用
3.12 轮式移动机器人运动学
3.12.1 轮式移动机器人运动学基础模型
3.12.2 轮子运动约束
3.12.3 轮式移动机器人运动约束
3.12.4 移动机器人的机动性
3.12.5 带小脚轮的两轮差速驱动机器人运动学实例
3.12.6 全向轮式移动机器人运动学分析实例
3.13 扩展阅读
习题
编程
第4章 机器人动力学
4.1 拉格朗日动力学方法
4.2 基于矢量三角形法的递归牛顿-欧拉动力学方法
4.2.1 计算速度和加速度的外推法
4.2.2 作用在连杆上的力和力矩
4.2.3 计算力和力矩的内推法
4.3 基于旋量法的递归牛顿-欧拉方程
4.3.1 单刚体运动旋量-力旋量方程推导
4.3.2 采用运动旋量-力旋量表示的牛顿-欧拉方程
4.3.3 基于旋量法的牛顿-欧拉逆动力学方程推导
4.4 基于旋量法的组合形式动力学方程封闭解
4.5 空间向量表示法
4.5.1 空间运动向量和空间力向量
4.5.2 空间向量运算规则
4.5.3 空间加速度
4.5.4 空间动量与空间惯量
4.5.5 空间运动方程
4.6 基于空间向量表示法的刚体动力学模型
4.6.1 连接图
4.6.2 连杆和关节几何参数
4.6.3 连杆与关节之间速度、加速度以及力的传递
4.7 基于空间向量表示法的递归牛顿-欧拉逆动力学
4.8 基于关节体算法的正动力学
4.9 利用逆动力学求解开链机器人正动力学
4.9.1 利用逆动力学计算h(θ,θ)项的方法
4.9.2 利用逆动力学求M(θ)的方法
4.10 采用欧拉积分法进行正动力学数值计算
4.11 六轴协作机器人动力学分析实例
4.11.1 AUBO-i5机器人的MDH参数和连杆质量参数
4.11.2 将三维笛卡儿向量转换为六维空间向量表示
4.11.3 基于六维空间向量的递归牛顿-欧拉逆动力学方法实例测试
4.11.4 基于六维空间向量关节体算法的正动力学实例测试
4.11.5 一阶欧拉积分法实例测试
4.12 扩展阅读
习题
编程
第5章 机器人运动规划
5.1 机器人位形空间表达方法
5.2 轨迹生成算法
5.2.1 点到点轨迹生成
5.2.2 具有中间路径点的轨迹生成
5.3 位形空间离散化规划方法
5.3.1 组合规划方法
5.3.2 图搜索算法
5.3.3 基于采样的规划方法
5.4 势场法
5.5 动态窗口法
5.6 运动轨迹平滑
5.7 全局规划与局部规划
5.8 扩展阅读
习题
编程
第6章 机器人控制
6.1 机器人控制系统
6.2 参数标定与辨识
6.2.1 运动学参数标定
6.2.2 坐标系标定
6.2.3 动力学参数辨识
6.3 工业机器人控制
6.3.1 独立关节控制模型
6.3.2 独立关节设定点跟踪控制
6.3.3 独立关节力矩控制
6.3.4 多关节机器人控制
6.3.5 力控制
6.3.6 约束坐标系
6.3.7 力/位混合控制
6.3.8 AUBO-i5机械臂控制实例
6.4 移动机器人控制
6.4.1 移动机器人反馈控制原理
6.4.2 轮式移动机器人控制
6.4.3 全向移动机器人反馈控制
6.4.4 移动机器人里程计
6.5 扩展阅读
习题
编程
第7章 机器人编程语言
7.1 机器人语言发展历史
7.2 典型工业机器人语言简介
7.2.1 INFORM语言
7.2.2 RAPID语言
7.2.3 KRL语言
7.2.4 KAREL语言
7.2.5 URScript语言
7.3 机器人语言的分类
7.3.1 动作级编程语言
7.3.2 对象级编程语言
7.3.3 任务级编程语言
7.4 机器人编程语言的要求
7.5 机器人语言解析器原理
7.5.1 机器人语言指令集设计
7.5.2 机器人语言词库设计
7.5.3 词法分析
7.5.4 语法分析
7.5.5 编译/解析与执行
7.6 AUBOScript语言
7.6.1 AUBOScript标识符与变量
7.6.2 AUBOScript命令
7.7 AUBO-i5编程
7.7.1 示教器编程
7.7.2 SDK编程
7.8 扩展阅读
习题
编程
第8章 典型机器人系统的设计与实现
8.1 机器人系统设计需要考虑的因素
8.1.1 机器人的任务估计
8.1.2 应用机器人的三要素
8.1.3 使用机器人的经验准则
8.2 机器人系统的总体设计方法
8.2.1 系统分析
8.2.2 技术设计
8.3 分拣机器人系统设计
8.3.1 分拣机器人简介
8.3.2 包裹分拣机器人系统设计
8.4 搬运码垛机器人系统设计
8.4.1 搬运码垛机器人简介
8.4.2 工业机器人搬运码垛系统设计
8.5 移动机器人巡防系统设计
8.5.1 移动机器人巡防系统简介
8.5.2 机房巡防机器人系统设计
8.6 扩展阅读
习题
编程
参考文献