人工智能、機(jī)器人、智能制造、創(chuàng)新設(shè)計等名詞已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ�活中的熱門話題，有關(guān)機(jī)器人的各種各樣的社會交流活動也引起了人們對機(jī)器人的興趣，尤其是激起了學(xué)生們了解和學(xué)習(xí)機(jī)器人的熱情。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，有關(guān)機(jī)器人的教科書也層出不窮。然而，機(jī)器人學(xué)是機(jī)械、電子、計算機(jī)等多學(xué)科融合的產(chǎn)物，僅通過一兩本教科書的學(xué)習(xí)就完全掌握機(jī)器人技術(shù)還是具有很大挑戰(zhàn)性的。同時，人們也注意到，平時所觀看的眼花繚亂的機(jī)器人表演，并不能代替我們系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器人理論及技術(shù)。

為什么大多數(shù)人覺得與機(jī)器人相關(guān)的理論及技術(shù)難以掌握？從體系上而言，機(jī)器人學(xué)并不像其他學(xué)科那么完善，這可能是難學(xué)的原因之一； 另一原因更可能是學(xué)習(xí)或教學(xué)模式與這門課程不相稱，如沒有實際的機(jī)器人操作實驗室或方便的實驗用品，學(xué)習(xí)訓(xùn)練用的相應(yīng)軟件也不完整，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)的成本和時間代價被無形抬高，最終得出的結(jié)論是機(jī)器人課程難學(xué)。近年來，機(jī)器人技術(shù)在各個行業(yè)的成功應(yīng)用大大推動了機(jī)器人理論及技術(shù)的發(fā)展，尤其是在高等教育和職業(yè)培訓(xùn)方面，更是呈現(xiàn)了如雨后春筍般的發(fā)展。人們對機(jī)器人學(xué)的興趣也越來越濃厚，尤其是兒童和家長們也情不自禁地加入到學(xué)習(xí)機(jī)器人的行列中，這種情況自然導(dǎo)致相關(guān)的機(jī)器人教育理論與裝備快速發(fā)展。

大量實踐表明，實際的操作和訓(xùn)練對學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)具有極大的幫助。學(xué)生可以通過邊學(xué)習(xí)理論知識，邊進(jìn)行實驗及操作，達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。本書嘗試結(jié)合配套的桌面機(jī)器人實驗器材，把機(jī)器人理論學(xué)習(xí)與實驗過程密切聯(lián)系起來，從而使機(jī)器人的學(xué)習(xí)成為既有理論又有實踐的互動過程。學(xué)生可以在充分的實驗操作基礎(chǔ)上，快速理解和逐步掌握有關(guān)機(jī)器人的理論及技術(shù)。

本書主要討論機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)及其控制，包括空間變換、機(jī)械臂運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)、運動控制和路徑規(guī)劃等。為了提高學(xué)習(xí)效率和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本書將機(jī)械臂基本原理與技術(shù)的學(xué)習(xí)過程建立在桌面機(jī)械臂實體與虛擬軟件一對一的基礎(chǔ)上。例如，機(jī)械臂運動學(xué)的實驗可以在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)，也可以借助實體機(jī)械臂完成真實的操作。本書及配套的機(jī)器人實物和實驗內(nèi)容，力圖應(yīng)用簡明扼要、深入淺出的圖文和實驗教具來闡述有關(guān)機(jī)器人的知識，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大大提高。

本書內(nèi)容劃分為8章，每一章都配有練習(xí)題，供機(jī)器人學(xué)課程檢驗所學(xué)內(nèi)容。另外，每一章節(jié)后面都配有相關(guān)實驗課的內(nèi)容介紹，這些實驗都可以在虛擬實驗室中實現(xiàn)，并以6軸桌面機(jī)械臂實體為主要實驗設(shè)備讓學(xué)生可以進(jìn)行實際的操作和編程訓(xùn)練，具體的實驗內(nèi)容可以在相關(guān)網(wǎng)站下載，并且大部分的實驗內(nèi)容是互動和實時更新的。通過理論學(xué)習(xí)與具體實驗相結(jié)合，幫助學(xué)生深入理解所學(xué)的書本知識，并將其應(yīng)用到實際問題中。有條件的學(xué)校還可以結(jié)合工業(yè)級機(jī)器人實驗系統(tǒng)進(jìn)行更深入的操作和訓(xùn)練。

本書的主要內(nèi)容如下：

第1章概述，主要介紹了機(jī)械臂的基本原理、零部件及其結(jié)構(gòu)，并說明了機(jī)器人基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備和學(xué)習(xí)方法。

第2章空間變換，主要介紹了剛體的位姿分析和坐標(biāo)變換，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地討論了幾種其他的坐標(biāo)變換表示方法。這些內(nèi)容是機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識，需要牢固掌握。

第3章運動學(xué)，詳細(xì)描述了機(jī)器人系統(tǒng)各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系建立和連桿的DH參數(shù)，并系統(tǒng)地推導(dǎo)了典型機(jī)械臂的正逆運動學(xué)模型。這些內(nèi)容是機(jī)器人學(xué)的重點內(nèi)容，也是后續(xù)學(xué)習(xí)必須掌握的基礎(chǔ)內(nèi)容。

第4章靜力學(xué)，采用牛頓�矚W拉迭代原理介紹了機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)的靜力學(xué)計算，并推導(dǎo)了典型機(jī)械臂的靜力學(xué)模型，還討論了雅可比矩陣在靜力學(xué)中的應(yīng)用。

第5章動力學(xué)，主要介紹了歐拉�怖�格朗日方程和牛頓�矚W拉迭代算法，并分別應(yīng)用這兩種方法推導(dǎo)機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)的動力學(xué)計算和動力學(xué)模型。

第6章討論機(jī)械臂運動控制，應(yīng)用古典控制理論實現(xiàn)對機(jī)械臂單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)的空間運動控制，并介紹了基于狀態(tài)空間的控制和機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第7章分析運動軌跡規(guī)劃，從關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間兩個角度進(jìn)行機(jī)器人的軌跡規(guī)劃，根據(jù)期望點序列完成多項式的計算，實現(xiàn)機(jī)械臂的空間操作、示教操作等。

第8章詳細(xì)講解了如何將機(jī)器人學(xué)中的運動學(xué)等相關(guān)理論應(yīng)用于一臺小型桌面機(jī)械臂，并控制桌面機(jī)械臂實現(xiàn)點位控制及軌跡控制； 同時還講解了桌面機(jī)械臂的運動控制系統(tǒng)原理，以解決桌面機(jī)械臂運動的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性問題。

本書由賈瑞清教授、盧繼霞副教授、馬飛博士、周東旭碩士、謝明佐碩士、劉曉萍碩士等合作研究與編寫。其中，第1、3、4章由賈瑞清編寫； 第2、5章由馬飛和賈瑞清合作編寫； 第6章由盧繼霞和賈瑞清合作編寫； 第7章由劉曉萍編寫； 第8章由周東旭編寫。本書配套的實驗項目及實驗程序由謝明佐和劉曉萍合作設(shè)計與編寫。

作者衷心感謝所有對本書的準(zhǔn)備提供幫助的人。感謝劉歡碩士、宣鵬程碩士、王乾博士、張鈞嘉碩士、董會碩士、高鵬碩士、郭晶碩士在本書編寫過程中提供的實驗和測試技術(shù)支持； 感謝賈敏博士協(xié)助制作本書的插圖和對本書的技術(shù)策劃； 特別感謝美國TGL總裁王磊先生對本書寫作過程中提供的全方位支持。

編著者

2020年5月 于北京