本书只需要读者对物理和数学有基本的知识，内容涵盖：机器人学概论、工业机器人机构的基本特征；、机器人机构几何模型、机器人的运动学和动力学、机器人传感器和机器人轨迹规划、机器人视觉、执行器轨迹或力的基本控制方案；带有进给装置和机器人抓手的机器人工作单元。第二版在上一版的基础上扩展了新主题：协作机器人、移动机器人和类人机器人。本书适用作为电气、机械、计算机、土木等专业的机器人学入门课程

CHOICE杂志年度杰出学术专著

可能很难对机器人的定义达成一致，但从事机器人学研究工作的人大都愿意引用“机器人之父”约瑟夫·F.英格伯格（Joseph F. Engelberger，1925—2015）的名言：“我不能定义机器人，但我一看到机器人就知道是它。”
机器人这个名词不是源于科学或工程技术词汇，首次出现是用在1921年在布拉格上演的由捷克作家卡雷尔·查皮克编写的戏剧“R.U.R”（Rossum’s Universal Robots，罗莎姆的万能机器人）中，robot这个词本身是他的兄弟约瑟夫发明的。在戏剧中，机器人是人造的技艺高超的工人，它不具备一切不必要的特性（如情绪、创造性，以及感知痛苦的能力等）。在该戏剧的开场白中给出了机器人的定义：“机器人不是人类，它们比人类在机械上更完美，并且具有令人惊讶的智力能力，但它们没有灵魂。从技术上讲，工程师的创造物比自然的产物更精细。”
本书已在斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学电气工程学院经过数十年的使用和改进，该学院的A. Kral和T. Bajd在1980年出版了第一本关于工业机器人的专著Industrijska robotika。成功培养多批本科生的事实有效证明了该教材对讲解机器人学这门严苛的课程是适用的。
本书的第1版在2011年被CHOICE杂志选定为年度杰出学术专著。第2版以第1版为基础，其主要优点是言简意赅。第1章中包含了不同机器人的分类，尤其对工业机器人进行了介绍；用齐次变换矩阵对一个物体的位置、方向和位移进行描述，这些矩阵是分析机器人机构的基础，并将通过简单的几何推理来介绍；机器人机构的几何模型将借助原始的、容易操作的向量描述进行解释。由于机器人世界是六维空间的，因此机器人末端执行器的方向在本版中得到了更多的关注。
本书通过仅有两个旋转自由度的机构引入了机器人运动学和动力学，该机构是最流行的工业机器人机构中的重要组成部分。机器人动力学的介绍仅基于牛顿定律的知识，且进行了进一步简化以更容易理解其相对复杂的内容。机器人工作空间在为计划任务选择合适的机器人中起到了重要作用。并联机器人的运动学明显与串行机械手的运动学有区别，值得更加关注。
本书中介绍的机器人传感器不仅与工业机械手相关，也涉及像仿人机器人这样的复杂系统。机器人视觉在工业应用中发挥着越来越重要的作用。机器人轨迹规划是有效控制机器人的基础。书中还介绍了实现期望的末端轨迹及机器人与环境间力的作用的基本控制框架。机器人的应用场景主要是产品装配生产线，其中，机器人是生产线的一部分，或完全独立地运行。此外，书中还描述了机器人的抓爪、工具及感知装置。
随着工厂环境的日益复杂，人和机器人之间的交互变得不可避免。协作机器人就是为安全地进行人与机器人交互设计的。使用轮式移动机器人可以进一步提高生产的灵活性。将来，就像在第14章所展示的，人和机器人将相互陪伴。仿人机器人的复杂性需要更高级的数学知识。关于标准化、测量精度和重复性等内容，也是工业机器人用户感兴趣的。
本书要求极少的数学和物理高级知识，因此它适合作为工科（电气、机械、计算机、土木工程）学生机器人学入门课程的教材。那些不研究机器人但可能在工作环境中遇到机器人，并期望简单快速地了解相关知识的工程师们，可将本书作为参考。

Matjaz Mihelj和Tadej Bajd
2018年4月于卢布尔雅那

人工智能/机器人

本书向读者介绍机器人学、工业机器人机构和各种机器人，如并联机器人、移动机器人和仿人机器人，并因其简洁性而得到称赞。
本书涉及以下内容：机器人学的通用介绍，工业机器人机构的基本特性，由齐次变换矩阵描述的物体的位置和运动，以机器人手腕方向表示的机器人几何学模型，机器人运动学和动力学，机器人传感器和机器人轨迹规划、机器人视觉基础，实现期望的终端执行器轨迹或力的基本控制框架、有进料装置和机器人抓爪等机器人工作单元。
本书在第1版的基础上扩展了以下内容：并联机器人，协作机器人，示教机器人，移动机器人，以及仿人机器人。
本书非常适用于机器人学或工业机器人课程，且极大地降低了对物理和数学知识的要求。
本书的作者有20多年的机器人教学经验。本书第1版于2011年被CHOICE杂志评为年度杰出学术专著。

本书是一本有代表性的机器人学教材，不仅涵盖了机械手、并联机器人、协作机器人等工业机器人的相关内容，也包括了轮式移动机器人、仿人机器人等经典机器人系统，并介绍了使机器人形成完整应用系统所涉及的机器人感知、规划、控制技术，如机器人常用传感器、机器人视觉、轨迹规划、运动控制，以及工业机器人在实际应用中的作业环境、作业精度和可重复性性能评测等，兼具基础性、系统性和先进性。
本书的特点是概念清晰、基础知识要求简单、建模及分析完整且易于理解，适合课堂讲授和学生自学。根据我们多年从事机器人专业教学的经验，这是一本难得的适合机器人专业的教材，对国内高校新工科中的机器人工程专业的课程建设将有促进作用。
相信本书无论从理论推导，还是从实际应用方面，对于初次接触机器人技术的学生将有很大帮助，对从事机器人技术开发和应用的技术人员也有重要的参考价值。
肖军浩副教授、黄开宏博士、于清华博士、曾志文副教授分工翻译相关章节；卢惠民教授和郑志强教授完成了全书的统稿工作。在翻译过程中，得到了代维、周智千、陈柏良、施成浩、郭策、朱鹏铭、钟铮语、郭子睿等博士生的大力协助。
译者在尽量尊重原文的前提下，按国内常用的习惯对相应的术语或表达进行了翻译，但还是难免有不当之处，敬请读者批评指正。

译　者
2021年于长沙

译者序
前言
第1章　绪论 1
1.1 机械手 3
1.2 工业机器人 6
第2章　齐次变换矩阵 9
2.1 平移变换 9
2.2 旋转变换 10
2.3 位姿和位移 13
2.4 机器人的几何模型 16
第3章　机器人机构的几何描述 21
3.1　运动副的矢量参数 21
3.2　机构的矢量参数 24
第4章　方向 30
第5章　二连杆机械手 37
5.1　运动学 37
5.2　静力学 41
5.3　工作空间 42
5.4　动力学 46
第6章　并联机器人 54
6.1　并联机器人的特点 54
6.1.1　自由度数 55
6.1.2　并联机器人的优点和缺点 57
6.2　并联机器人的运动学编排 57
6.2.1　斯提沃尔特-苟夫平台 57
6.2.2　德尔塔机器人 58
6.2.3　平面并联机器人 59
6.2.4　并联仿人肩 60
6.3　并联机器人的建模与设计 61
6.3.1　并联机器人的运动学参数和坐标 62
6.3.2　并联机器人的逆向运动学和正向运动学 63
6.3.3　设计并联机器人 64
第7章　机器人所用传感器 66
7.1　感知原理 66
7.2　运动传感器 66
7.2.1　传感器的安装位置 66
7.2.2　电位计 67
7.2.3　光电编码器 68
7.2.4　磁编码器 72
7.2.5　转速计 72
7.2.6　惯性测量单元 73
7.3　接触式传感器 75
7.3.1　触觉传感器 75
7.3.2　限位开关和碰撞传感器 76
7.3.3　力和力矩传感器 76
7.3.4　关节力矩传感器 78
7.4　接近和测距传感器 79
7.4.1　超声波测距仪 79
7.4.2　激光测距仪和激光扫描仪 81
第8章　机器人视觉 83
8.1　系统配置 83
8.2　正向投影 83
8.3　反向投影 88
8.3.1　单摄像机 88
8.3.2　立体视觉 90
8.4　图像处理 92
8.5　从图像获得物体位姿信息 92
8.5.1　摄像机标定 93
8.5.2　物体位姿 94
第9章　轨迹规划 96
9.1　两点间轨迹的插值 96
9.2　路径点插值法 98
第10章　机器人控制 104
10.1　基于内部坐标系的机器人控制 105
10.1.1　PD位置控制 105
10.1.2　具有重力补偿的PD位置控制 106
10.1.3　基于逆向动力学的机器人控制 107
10.2　基于外部坐标系的机器人控制 110
10.2.1　基于转置雅可比矩阵的控制 111
10.2.2　基于逆雅可比矩阵的控制 112
10.2.3　具有重力补偿的PD位置控制 112
10.2.4　基于逆向动力学的机器人控制 113
10.3　基于接触力的机器人控制 115
10.3.1　通过逆向动力学线性化机器人系统 116
10.3.2　力的控制 117
第11章　机器人工作环境 120
11.1　机器人安全性 120
11.2　装配过程中的机器人外围设备 124
11.3　供料装置 125
11.4　传送带 129
11.5　机器人抓爪和工具 130
第12章　协作机器人 135
12.1　协作工业机器人系统 135
12.2　协作机器人概述 136
12.3　协作操作 138
12.3.1　安全可控的机器人停止 139
12.3.2　示教 139
12.3.3　速度和距离监控 140
12.3.4　功率和力的限制 142
12.4　协作机器人的抓爪 144
12.5　协作机器人系统的应用 145
第13章　移动机器人 147
13.1　移动机器人运动学 148
13.2　导航 153
13.2.1　定位 153
13.2.2　路径规划 156
13.2.3　路径控制 157
第14章　仿人机器人 163
14.1　双足移动 164
14.1.1　零力矩点 164
14.1.2　步态生成 166
14.2　模仿学习 169
14.2.1　观察人类运动并将其迁移至仿人机器人运动 169
14.2.2　动态运动基元 172
14.2.3　线性动力学系统的收敛性 173
14.2.4　点到点运动的动态运动基元 173
14.2.5　通过单次示教估算DMP参数 176
14.2.6　DMP调制 177
第15章　工业机械臂的精度和重复性 180
附录　圆周运动加速度的推导 189
参考资料 191
索引 192