全国著名专家，亲历打造，深入浅出讲解机器人学。

本书是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作，主要介绍机器人学的基本原理及应用。全书共10章，主要内容包括机器人学的起源与发展、机器人学的数学基础、机器人运动方程的表示与求解、机器人动力学方程、机器人的控制原则和控制方法、机器人传感器、机器人轨迹规划、机器人的程序设计、机器人的应用等。.
本书适合作为高校本科生教材，也适合从事机器人学研究、开发和应用的科技人员参考。...

本书介绍机器人学的基本原理及其应用，是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作。全书共10章，主要内容包括：机器人学的起源与发展、机器人学的数学基础、机器人运动方程的表示与求解、机器人动力学方程、机器人的控制原则和控制方法、机器人传感器、机器人轨迹规划、机器人程序设计、机器人应用等。

蔡自兴　　
1962年毕业于西安交通大学电机工程系。现任中南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师、学位委员会主席。1983-1985年为美国普度大学和内华达大学访问学者,1988-1990年任中国科学院自动化研究所和北京大学信息科学中心客座研究员,1992-1993年任美国伦塞勒工业大学客座教授。2004年4-7月为俄罗斯科学院圣彼得堡信息学与自动化研究所客座研究员。2007年5-8月任丹麦技术大学客座教授。他曾被联合国工业发展组织(UNIDO)确认为联合国专家，是国际导航与运动控制科学院院士、纽约科学院院士、首届教育部高校国家级教学名师。
作者曾任第八届湖南省政协副主席，全国政协第九、十届委员会委员，并任中国人工智能学会副理事长及智能机器人专业委员会主任、中国自动化学会理事、中国计算机学会模式识别与人工智能专业委员会委员、《智能系统学报》编委会副主任,《机器人》等杂志编委,国防科技大学、北京航空航天大学、北京邮电大学等校兼职教授。
作者主要从事智能系统、人工智能、智能控制、智能机器人研究，是我国智能控制、人工智能、机器人学诸学科的学术带头人之一,被誉为“中国智能控制的奠基者”和“中国人工智能教学第一人”。已在国内外发表论文600余篇，出版教材和专著30多部。

机器人学作为一门高度交叉的前沿学科，引起许多具有不同专业背景人们的广泛兴趣，对其进行深入研究，并使其获得快速发展。自第一台电子编程工业机器人问世以来近5０年间，机器人学已取得令人瞩目的成就。正如宋健教授１９９９年７月５日在国际自动控制联合会第十四届世界大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”
　　本书介绍机器人学的基本原理及其应用，是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作。全书共10章。第1章简述机器人学的起源与发展，讨论机器人学的意义，分析机器人的特点、结构与分类，探讨机器人学与人工智能的关系、机器人学的研究领域和人工智能争论对机器人学的影响。第2章讨论机器人学的数学基础，包括空间任意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，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矩阵的表示，欧拉变换、滚-仰-偏变换和球面变换等求解方法等。第4章涉及机器人动力学方程，着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法；然后总结出建立拉格朗日方程的步骤。第5章研究机器人的控制原则和控制方法，包括机器人的位置伺服控制、力和位置混合控制和智能控制等。第6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7章讨论机器人轨迹规划问题，着重研究关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。第8章比较概括地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，几种重要的专用机器人语言，以及机器人的离线编程等。第9章探讨机器人的应用问题，论述应用机器人必须考虑的因素和采用机器人的步骤，分析机器人的应用领域，介绍工业机器人的应用实例。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现状和预测、２１世纪机器人技术的发展趋势等，并提出克隆技术对智能机器人的挑战问题。
　　本书适合作为本科生教材。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。
　　在本书编写和出版过程中，得到众多领导、专家、教授、朋友和学生的热情鼓励和帮助。赖旭芝、唐琎、谢斌、陈白帆、魏世勇等参加了本书部分章节的讨论、编写及校对工作。全国政协副主席、中国工程首任院长宋健院士在国际自动控制联合会第十四届世界大会开幕式上所做主题报告摘录，作为本书代序，是对本书作者和广大读者的极大支持和厚爱。这些都使作者深受鼓舞。在此特向有关领导、专家、合作者和广大读者致以衷心的感谢。
　　我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，他们是陈恳、J J Craig、封锡盛、K S Fu、霍伟、蒋新松、A J Kovio、罗公亮、N J Nilsson、G N Saridis、B.Niku Saeed、宋健、孙迪生、孙增圻、王田苗、王炎、熊有伦、张伯鹏、张启先、张钟俊等。
　　由于本书编写时间仓促，书中一定有不足之处，希望得到各位专家和广大读者的批评指正。
　　
　　蔡自兴
　　２００9年5月１7日
　　于中南大学

现代自动控制技术的进步，为科学研究和探测工作开辟了新的可能性，开拓了靠人力所不能胜任的新科学事业。20世纪90年代实现了6000米到10 000米深海探测。实现了对太阳系的金星、火星、木星及一些卫星和彗星的探测。哈勃空间望远镜的轨道运行给天文学家研究宇宙提供了前所未有的工具和机会。１９９７年美国科学家们研制的探路者号（Pathfinder）小车胜利地完成了火星表面的实地探测，是本世纪自动化技术最高成就之一。
　　机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。仅仅花了２０年，机器人从爬行学会了两腿走路，成为直立机器人，而人类从爬行到直立花了上百万年。机器人已能用手使用工具，能看、听、用多种语言说话。它安心可靠地干最脏最累的活。据估计,现在全世界已有近１００万个机器人在生产线上工作。有近万家工厂在生产机器人，销售额每年增长２０％以上。机器人们正雄心勃勃，准备在２１世纪进入服务业，当出租车司机，到医院里去当护士，到家庭去照顾老人，到银行里去当出纳。
　　如果微电子学再进一步，就可以把IBM/6000SP挤进它的脑袋里，运行Deep Blue软件，像1997年5月击败世界冠军Gary Kasparov 那样，使世界象棋大师们望而生畏。Lsaac Asimov 曾设想“机器人有数学天才，能心算三重积分，做张量分析题目如同吃点心一样”，这些已不难做到。
　　20世纪60年代出现过的恐惧和反对自动化和机器人的社会心态已被证明是没有根据的。今天，一些应用机器人最多的国家失业率并没有明显升高，即使有，也没有人指责控制科学家和工程师，那是金融家和政治家的过错。相反，智能技术广泛进入社会，有利于提高人民生活质量，提高劳动生产率，提高全社会的文化素质，创造更多的就业机会。
　　站在进入21世纪的门槛，回顾人类文明进步的近代史，如果说19世纪实现了社会体力劳动机械化，延伸了人的体力，那么20世纪的主要特征是实现了劳动生产自动化，极大地提高了社会劳动生产率，创造了比过去任何时期都多得多的社会财富，彻底改变了人类的生产和生活方式，提高了人们的生活质量，延长了人类的平均寿命。这完全是现代科学技术的功劳。我们可以感到骄傲的是，控制论科学家和工程师们为此做出了重要贡献。预计21世纪，自动化技术仍将是高技术前沿，继续是推进新技术革命的核心力量。制造业和服务业仍然是它取得辉煌成就的主要领域。
　　在生命科学和人工智能的推动下，控制理论和自动化领域出现了提高控制系统智能的强大趋势。1992年成立了一个新学术团体——国际自动控制联合会（International Federation on Intelligent Automation，IFIA），标志着智能控制研究已进入了科学前沿。对这门新学科今后的发展方向和道路已经取得了一些共识。可以列举以下诸点：
　　第一，研究和模仿人类智能是智能控制的最高目标。所以，人们把能自动识别和记忆信号（图像、语言、文字）、会学习、能推理、有自动决策能力的自动控制系统称之为智能控制系统。
　　第二，智能控制必须靠多学科联合才能取得新的突破。生命科学和脑科学关于人体和脑功能机制的更深入的知识是不可缺少的。揭开生物界的进化机制、生命系统中自组织能力、免疫能力和遗传能力的精确结构对建造智能控制系统极为重要。这主要是生物化学家和遗传学家的任务，但控制论科学家和工程师们能够为此做出贡献。
　　第三，智能的提高，不能全靠子系统的堆积。要做到“整体大于组分之和”，只靠非线性效应是不够的。智能越高，系统将越复杂。复杂巨系统的行为和结构必定是分层次的。子系统和整体的利益和谐统一是有机体得以生存发展的基本原则。每一个层次都有自己的新特征和状态描述。要建立每个层次能上下相容的结构和与周边友好的界面。统计力学中从分子热运动到气体宏观状态参数抽取是层次划分的范例，这就是物理学家们称之为“粗粒化”抽取(Coarse-graining extraction)的最好说明。
　　第四，世界一切生物进化都是逐步的，人类从新石器时代到机器化时代经历了１万年。从机械自动化到电子自动化仅花了１００年。要做到智能自动化，把机器人的智商提高到智人水平，还需要数十年。这是科学技术进步不可逾越的过程。２０世纪后半叶，微电子学、生命科学、自动化技术突飞猛进，为下世纪实现智能控制和智能自动化创造了很好的起始条件。为达到此目标，不仅需要技术的进步，更需要科学思想和理论的突破。很多科学家坚持认为，这需要发现新的原理，或者改造已知的物理学基本定理，才能彻底懂得和仿造人类的智能，才能设计和制造出具有高级智能的自动控制系统。无论如何，进程已经开始。可以设想，再过５０年，第３１次IFAC大会时，人类的生产效率比现在要提高１０倍，不再有人挨饿。全世界老人都可以有一个机器人服务员，在身边帮助料理生活。每一个参加会议的人都可能在文件箱中带一个机器人秘书，就像现在的电子笔记本一样。
　　２１世纪对人类是一个特别重要的历史时期。世界人口将稳定在一个较高的水平上，例如120亿，比现在再翻一番。科学界要为保障人类和我们的家园——地球的生存和可持续发展做出必须的贡献，而控制论科学家和工程师应当承担主要任务。进一步发展和大力推广应用控制论和自动化技术，保证未来我们的后代在一个没有短缺、饥饿和污染的世界上生活得更幸福，是天赋我责。正如物理学家 Murroy Gell-mann 所说，在可见的未来，包括人类在内的自然进化将让位于人类科学技术和文化的进步。Cybernetics 一词来自希腊文，原意为舵手，我们至少有资格成为舵手们的科学顾问和助手，对推动社会进步发挥更大作用，这是我们的光荣。

蔡自兴：暂无

代序
前言

第1章　绪论1
　1.1　机器人学的发展1
　　1.1.1　机器人的由来1
　　1.1.2　机器人的定义1
　　1.1.3　机器人学的进展2
　1.2　机器人的特点、结构与分类3
　　1.2.1　机器人的主要特点3
　　1.2.2　机器人系统的结构3
　　1.2.3　机器人的自由度4
　　1.2.4　机器人的分类5
　1.3　机器人学与人工智能8
　　1.3.1　机器人学与人工智能的关系8
　　1.3.2　机器人学的研究领域9
　　1.3.3　智能机器人9
　　1.3.4　人工智能的争论及其对机器人学的
影响10
　1.4　本书概要12
　1.5　小结13
　习题13
第2章　数学基础15
　2.1　位置和姿态的表示15
　　2.1.1　位置描述15
　　2.1.2　方位描述15
　　2.1.3　位姿描述16
　2.2　坐标变换16
　　2.2.1　平移坐标变换16
　　2.2.2　旋转坐标变换17
　2.3　齐次坐标变换17
　　2.3.1　齐次变换18
　　2.3.2　平移齐次坐标变换19
　　2.3.3　旋转齐次坐标变换19
　2.4　物体的变换及逆变换21
　　2.4.1　物体位置描述21
　　2.4.2　齐次变换的逆变换22
　　2.4.3　变换方程初步23
　2.5　通用旋转变换24
　　2.5.1　通用旋转变换公式24
　　2.5.2　等效转角与转轴25
　2.6　小结26
　习题26
第3章　机器人运动学29
　3.1　机器人运动方程的表示29
　　3.1.1　运动姿态和方向角29
　　3.1.2　运动位置和坐标31
　　3.1.3　连杆变换矩阵及其乘积33
　3.2　机械手运动方程的求解36
　　3.2.1　欧拉变换解36
　　3.2.2　滚、仰、偏变换解39
　　3.2.3　球面变换解39
　3.3　PUMA 560机器人运动方程40
　　3.3.1　PUMA 560运动分析40
　　3.3.2　PUMA 560运动综合44
　3.4　小结46
　习题47
第4章　机器人动力学51
　4.1　刚体动力学51
　　4.1.1　刚体的动能与位能51
　　4.1.2　动力学方程的两种求法53
　4.2　机械手动力学方程57
　　4.2.1　速度的计算58
　　4.2.2　动能和位能的计算59
　　4.2.3　动力学方程的推导61
　4.3　机械手动力学方程实例62
　4.4　小结64
　习题65
第5章　机器人控制67
　5.1　机器人的基本控制原则67
　　5.1.1　基本控制原则67
　　5.1.2　伺服控制系统举例69
　5.2　机器人的位置控制71
　　5.2.1　直流传动系统的建模71
　　5.2.2　位置控制的基本结构73
　　5.2.3　单关节位置控制器75
　　5.2.4　多关节位置控制器81
　5.3　机器人的力和位置混合控制83
　　5.3.1　力和位置混合控制方案83
　　5.3.2　力和位置混合控制系统控制规律的
综合85
　5.4　机器人的智能控制88
　　5.4.1　智能控制系统的分类88
　　5.4.2　机器人自适应模糊控制93
　　5.4.3　多指灵巧手的神经控制96
　5.5　小结99
　习题99
第6章　机器人传感器102
　6.1　机器人传感器概述102
　　6.1.1　机器人传感器的特点与分类102
　　6.1.2　应用传感器时应考虑的问题103
　6.2　内传感器104
　　6.2.1　位移位置传感器104
　　6.2.2　速度和加速度传感器107
　　6.2.3　力觉传感器109
　6.3　外传感器111
　　6.3.1　触觉传感器111
　　6.3.2　应力传感器113
　　6.3.3　接近度传感器114
　　6.3.4　其他外传感器116
　6.4　机器人视觉装置117
　　6.4.1　机器人眼117
　　6.4.2　视频信号数字变换器118
　　6.4.3　固态视觉装置120
　6.5　小结122
　习题122
第7章　机器人轨迹规划124
　7.1　轨迹规划应考虑的问题124
　7.2　关节轨迹的插值计算125
　　7.2.1　三次多项式插值125
　　7.2.2　过路径点的三次多项式插值126
　　7.2.3　高阶多项式插值127
　　7.2.4　用抛物线过渡的线性插值128
　　7.1.5　过路径点用抛物线过渡的线性
插值128
　7.3　笛卡儿路径轨迹规划130
　7.4　规划轨迹的实时生成134
　7.5　小结137
　习题137
第8章　机器人编程139
　8.1　机器人编程要求与语言类型139
　　8.1.1　对机器人编程的要求139
　　8.1.2　机器人编程语言的类型140
　8.2　机器人语言系统结构和基本功能141
　　8.2.1　机器人语言系统的结构141
　　8.2.2　机器人编程语言的基本功能142
　8.3　常用的机器人编程语言143
　　8.3.1　VAL语言143
　　8.3.2　SIGLA语言144
　　8.3.3　IML语言145
　　8.3.4　AL语言145
　8.4　机器人的离线编程146
　　8.4.1　机器人离线编程的特点和主要
内容146
　　8.4.2　机器人离线编程系统的结构147
　8.5　小结150
　习题150
第9章　机器人应用152
　9.1　应用工业机器人必须考虑的因素152
　　9.1.1　机器人的任务估计152
　　9.1.2　应用机器人三要素152
　　9.1.3　使用机器人的经验准则153
　　9.1.4　采用机器人的步骤153
　9.2　机器人的应用领域154
　　9.2.1　工业机器人154
　　9.2.2　探索机器人155
　　9.2.3　服务机器人156
　　9.2.4　军事机器人156
　9.3　工业机器人应用举例157
　　9.3.1　材料搬运机器人157
　　9.3.2　焊接机器人158
　　9.3.3　喷漆机器人160
　9.4　小结161
　习题162
第10章　机器人学展望163
　10.1　机器人技术和市场的现状163
　　10.1.1　世界机器人发展现状163
　　10.1.2　国内机器人的发展现状163
　10.2　21世纪机器人技术的发展趋势165
　10.3　应用机器人引起的社会问题167
　10.4　小结168
　习题168
参 考 文 献169