机器人技术基础（刘瑛）

党的二十大报告中，习近平总书记指出要建设现代化产业体系，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。这些重点工作都与智能制造相关，可以说智能制造是我国从制造大国转向制造强国，使中国制造业占据全球优势的主要路径。在向制造强国奋进的道路上，发展机器人是大势所趋。目前在我国机器人产业爆发式成长的态势下，需要大量掌握机器人技术的专业人才。不论是机械、机电等传统专业，还是机器人工程、智能制造工程等新兴专业，纷纷将机器人技术相关课程纳入其培养体系。
编者从事机器人技术基础本科教学工作多年，熟悉市面上与机器人技术基础相关的教材，在使用中发现有不便或不足之处。该课程涉及机械、电子、控制甚至生物多个领域，对高等数学、线性代数等数学基础也有很高的要求，这就决定了这门课程十分硬核的特征。如何讲解才能让学生更好地理解和掌握，这是编者长期思考和探索的问题。这种思考形成了本书的几个特点。
（1）丰富的图片
有很多内容仅用语言表达不易理解，看了图片却能很快领会，所谓一图胜千言。本书的图片比例非常高，在编写过程中编者往往是首先精心挑选和绘制图片，然后再围绕图片用通俗易懂的文字讲述原理。在有些章节，比如讲述编码器的工作原理、不同的轨迹规划方式时，还提供了动画（扫码可见），尽可能多地降低读者的认知负荷。
（2）为例题配套程序和视频讲解
本书的核心章节包括机器人的运动学、动力学、控制以及轨迹规划，它们均涉及需要分析计算的内容。如果仅用传统理论推导的形式展示，读者往往难以理解公式、参数与物理世界究竟有何联系。MATLAB/Simulink功能非常强大，可以广泛应用于机器人教学中。本书核心章节的例题均配套了MATLAB程序或Simulink仿真，只要运行一下即可将抽象的概念和公式用数据、图片、动画等形式生动地展现出来。如果简单修改程序的参数，就会产生不同的运行结果，从而进一步理解各个参数的具体含义。这种可视化的学习方法不但易于理解，更会让学习变得妙趣横生。
（3）符合认知规律的章节组织形式
每一章都从问题导入开始，使读者通过案例相关的问题聚焦本章的主要内容，接下来明确列出本章的学习目标，正文之后的总结则帮助读者重新梳理本章的内容。最具特色的是课后习题，分为工程基础问题和设计问题两大类，前者与普通教材的习题无异，后者则为本书的特色所在，即通过一个系统设计项目贯穿教材始终，让碎片化知识融会贯通。比如学习机器人结构时，要求用三维软件对PUMA560机器人进行结构建模和装配；学习运动学时，要求仿照例题用MATLAB程序解决PUMA560机器人的正逆运动学问题；学习动力学、控制及轨迹规划时，设计问题均围绕该机器人进行。学完整本书时，学生也就设计出了自己的一个串联机器人，并可通过软件进行仿真，从而获得很强的成就感。由于工作量较大，这个项目可以由小组同学共同完成。
本书在内容上聚焦于串联机器人，共分7章。第1章介绍了机器人的历史、分类及其基本参数，结合学科和科技的发展，探讨了机器人的发展趋势。第2章介绍了串联、并联和移动机器人的本体结构，给出结构设计要点和常用的结构形式。第3章介绍机器人坐标系及其位姿的描述方法、机器人的D-H表示法、正向运动学和逆向运动学等内容。第4章分析机器人的速度和速度雅可比矩阵，介绍用拉格朗日方程进行动力学分析的方法。第5章介绍机器人内部和外部传感器的类型及其工作原理。第6章介绍机器人控制系统，包括电动机驱动的系统动力学建模、关节位置控制以及力控制。第7章讨论在关节空间和操作空间运动的轨迹规划和生成方式。
本书是编者在多年的教学经验、科研实践的基础上编写而成的。第1、5章由北方工业大学李文副教授编写，其他章节由北方工业大学刘瑛副教授编写。郭淇和王恩红两位研究生作为第一读者，从学生的视角提出许多宝贵的建议，确保本书内容安排循序渐进、讲解深入浅出，便于学生学习和理解，在此一并表示感谢。
由于水平所限，书中难免有不足之处，欢迎读者通过liuying@ncut.edu.cn联系我们，帮助我们不断完善。

编著者 
2023.10于北京

刘瑛，女，北方工业大学机械与材料工程学院副教授，硕士生导师。长期从事机器人及其零部件的设计与研究、机械制造装备与技术的研究工作。在一线教授《机器人设计与实践》《 MATLAB 语言及其应用》《机械概论》等课程长达近二十年，并录制了机器人等课程的相关教学视频，在多所高校推广使用。

本书是“高等院校智能制造人才培养系列教材”之一，面向智能制造相关专业，目标是打造适合培养智能制造工程人才的教材体系，以培养适应智能制造发展需求的应用型人才。
本书主要介绍机器人技术的内涵和体系，以串联机器人为重点，涵盖串、并联和移动机器人的本体结构，机器人坐标系及其位姿描述，正向和逆向运动学分析，机器人的动力学分析，机器人内部和外部传感器的类型与工作原理，机器人的控制系统，关节空间和操作空间运动规划等核心内容。各章均按照思维导图、学习目标、问题导入、主要内容、本章小结、习题的结构编排。本书讲解深入浅出，并配有大量图片、MATLAB程序以及视频讲解，将抽象内容可视化。
本书可作为高等学校机器人工程、智能制造工程、机械设计制造及自动化、机械电子工程、自动控制和计算机应用等专业本科生和研究生专业课程的教材，同时也可为从事机器人研究和制造的科研及工程人员提供参考。

第1章　绪论	1
1.1 机器人的发展与定义	2
1.1.1 机器人发展简史	2
1.1.2 机器人的定义	6
1.2　机器人的组成与分类	7
1.2.1 机器人的组成	7
1.2.2 机器人的分类	9
1.3 机器人的技术参数	13
1.3.1 自由度	13
1.3.2 精度	14
1.3.3 工作空间	15
1.3.4 工作速度	15
1.3.5 承载能力	16
1.3.6 防护等级	16
1.4 机器人的应用与发展趋势	17
1.4.1 机器人的应用	17
1.4.2 机器人的发展趋势	18
1.5 机器人相关学科和课程	19
1.5.1 机器人相关学科	19
1.5.2 机器人相关课程	20
本章小结	21
习题	22

第2章 机器人本体结构	23
2.1 串联机器人的结构	24
2.1.1 驱动机构	24
2.1.2 传动机构	27
2.1.3 传动机构的定位与消隙技术	37
2.1.4 执行机构	40
2.2 并联机器人的结构	53
2.2.1 并联机构	53
2.2.2 并联机器人	54
2.3 移动机器人的结构	55
2.3.1 车轮式移动机器人	55
2.3.2 履带式移动机器人	56
2.3.3 步行机器人	57
本章小结	58
习题	58

第3章 机器人运动学分析	60
3.1 机器人位姿和坐标变换	61
3.1.1 位置与姿态	61
3.1.2 坐标变换	62
3.1.3 齐次坐标变换	65
3.1.4 左乘与右乘规则	70
3.2 串联机器人位姿分析	72
3.2.1 坐标系的建立	73
3.2.2 D-H参数及连杆坐标系变换矩阵的确定	75
3.2.3 运动方程	76
3.3 串联机器人运动学分析	76
3.3.1 正向运动学	77
3.3.2 逆向运动学	84
3.3.3 关于反解的讨论	91
本章小结	93
习题	94

第4章 机器人动力学分析	96
4.1 速度分析	97
4.1.1 速度雅可比	97
4.1.2 速度分析具体案例	102
4.2 静力学分析	104
4.2.1 力雅可比	104
4.2.2 静力学的两类问题	105
4.3 动力学分析	106
4.3.1 动力学分析基础和方法	106
4.3.2 拉格朗日方程	108
4.3.3 关节空间和操作空间中的动力学方程	113
本章小结	114
习题	114

第5章 机器人传感器	118
5.1 机器人传感器概述	119
5.1.1 机器人传感器的分类	120
5.1.2 传感器的性能指标	121
5.1.3 机器人传感器的要求	124
5.2 机器人内部传感器	125
5.2.1 位置传感器	125
5.2.2 速度传感器	131
5.2.3 加速度传感器	134
5.2.4 姿态传感器	136
5.3 机器人外部传感器	136
5.3.1 视觉传感器	137
5.3.2 听觉传感器	139
5.3.3 触觉传感器	141
5.3.4 接近与距离觉传感器	146
5.3.5 工业机器人的常用传感器	149
5.4 多传感器信息融合	150
本章小结	152
习题	152

第6章 机器人控制系统	154
6.1 机器人控制系统概述	155
6.1.1 机器人控制系统的构成	155
6.1.2 机器人的控制层次和特点	158
6.1.3 机器人典型控制方式	159
6.2 机器人位置控制	160
6.2.1 伺服驱动及其传递函数	160
6.2.2 单关节位置控制器的结构设计	167
6.2.3 单关节位置控制器的增益参数确定	171
6.2.4 单关节位置控制器误差分析	173
6.2.5 单关节位置PID控制	176
6.2.6 多关节位置控制	177
6.3 机器人力控制	179
6.3.1 力控制概述	179
6.3.2 阻抗控制	181
6.3.3 力/位混合控制	185
本章小结	187
习题	187

第7章 机器人运动规划	190
7.1 机器人运动规划概述	191
7.1.1 运动规划的基本概念	191
7.1.2 轨迹规划的一般问题	192
7.1.3 轨迹的生成方式及控制过程	193
7.1.4 关节空间和操作空间的轨迹规划	194
7.2 关节空间的轨迹规划方法	195
7.2.1 三次多项式插补	196
7.2.2 高阶多项式插补	199
7.2.3 多项式插补用于多点间轨迹规划	202
7.2.4 抛物线过渡的线性插补	206
7.2.5 抛物线过渡的线性插补用于多点间轨迹规划	209
7.3 操作空间的轨迹规划	213
7.3.1 空间直线插补	213
7.3.2 空间圆弧插补	215
7.3.3 机器人的末端姿态插补	221
7.3.4 操作空间轨迹规划的几何问题	224
本章小结	227
习题	227

参考文献	230