第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 机器人的概念 1
1.3 机器人发展历史 3
1.3.1 机器人发展历程 3
1.3.2 机器人发展现状 7
1.3.3 机器人发展方向 12
1.4 机器人分类 14
1.4.1 固定式机器人 15
1.4.2 移动式机器人 18
思考题 24
第2章 机器人的总体和机械结构设计 25
2.1 机器人的基本组成及技术参数 25
2.1.1 机器人的基本组成 25
2.1.2 机器人的技术参数 26
2.2 机器人总体设计 30
2.2.1 系统分析 30
2.2.2 技术设计 30
2.2.3 仿真分析 33
2.3 机器人机械系统设计 33
2.3.1 机器人驱动方式 33
2.3.2 关节驱动方式 36
2.3.3 材料的选择 38
2.4 传动部件设计 39
2.4.1 关节 39
2.4.2 传动件的定位和消隙 42
2.4.3 机器人传动机构 46
2.5 行走机构设计 53
2.5.1 轮式机器人 53
2.5.2 足式机器人 55
2.5.3 履带式机器人 59
2.5.4 其他行走机器人 60
2.5.5 行走机构设计应注意的问题 61
2.6 机身设计 61
2.6.1 机身的典型结构 61
2.6.2 机身驱动力（力矩）计算 62
2.6.3 机身平衡系统 64
2.6.4 机身设计要注意的问题 65
2.7 臂部设计 65
2.7.1 臂部设计的基本要求 65
2.7.2 臂部的典型机构 66
2.7.3 臂部运动驱动力计算 67
2.8 腕部设计 68
2.8.1 腕部的自由度和设计时应注意的问题 68
2.8.2 腕部的典型结构 69
2.8.3 腕部驱动力矩的计算 72
2.9 手部设计 73
2.9.1 机器人手部的功能 73
2.9.2 手部的分类及工作原理 73
2.9.3 空气负压式吸盘吸力的计算 77
2.9.4 典型的机器人手爪 78
2.9.5 关节式机械手设计 81
思考题 85
第3章 机器人运动学 86
3.1 刚体的位姿描述 86
3.1.1 位置的描述 86
3.1.2 方位的描述 87
3.1.3 位姿的描述 87
3.1.4 手爪坐标系 87
3.2 坐标变换 88
3.2.1 坐标平移 88
3.2.2 坐标旋转 88
3.2.3 一般变换 89
3.3 齐次坐标和齐次变换 89
3.3.1 齐次坐标 89
3.3.2 齐次变换 90
3.4 齐次变换矩阵的运算 91
3.5 机器人常用坐标系及变换方程 93
3.6 欧拉变换与RPY变换 95
3.6.1 欧拉角与欧拉变换 95
3.6.2 RPY角与RPY变换 96
3.6.3 机械手欧拉腕和RPY腕 97
3.7 机器人连杆参数及D－H坐标变换 98
3.7.1 连杆参数 99
3.7.2 连杆坐标系及连杆的D－ H坐标变换 100
3.8 机器人运动学方程 101
3.8.1 运动学方程 101
3.8.2 典型机器人运动学方程 102
3.9 机器人逆运动学 110
3.9.1 机器人运动学逆解有关问题 110
3.9.2 典型臂运动学逆解 111
3.9.3 机器人运动学逆解 114
思考题 117
第4章 微分运动和雅可比矩阵 120
4.1 雅可比矩阵的定义 120
4.2 微分运动与广义速度 121
4.3 雅可比矩阵的构造法 123
4.3.1 矢量积法 124
4.3.2 微分变换法 124
4.4 PUMA560机器人的雅可比矩阵 126
4.5 斯坦福机器人的雅可比矩阵 128
4.6 逆雅可比矩阵及广义逆雅可比矩阵 129
4.6.1 逆雅可比矩阵 129
4.6.2 广义逆（伪逆）雅可比矩阵 129
4.6.3 雅可比矩阵的奇异性 131
4.7 力雅可比 131
4.8 加速度关系 132
思考题 132
第5章 机器人动力学 134
5.1 牛顿—欧拉动力学方程 134
5.1.1 连杆相对基座的运动学 134
5.1.2 连杆运动学的递推关系式 136
5.1.3 质心的速度和加速度 136
5.1.4 连杆动力学递推关系式 137
5.1.5 牛顿—欧拉运动方程 138
5.1.6 改进牛顿—欧拉算法 138
5.1.7 牛顿—欧拉动力学方程举例 140
5.2 拉格朗日动力学 142
5.2.1 拉格朗日函数 143
5.2.2 机器人系统动能 143
5.2.3 机器人系统势能 143
5.2.4 拉格朗日方程 143
5.2.5 拉格朗日动力学举例 144
5.3 关节空间和操作空间动力学 145
5.3.1 关节空间动力学方程 145
5.3.2 操作空间动力学方程 145
5.3.3 关节力矩—操作运动方程 146
思考题 146
第6章 轨迹规划和生成 147
6.1 机器人规划基本概念 147
6.1.1 机器人规划 147
6.1.2 机器人轨迹规划 148
6.2 关节空间法 149
6.2.1 任务轨迹到关节轨迹的转换 149
6.2.2 三次多项式函数插值 150
6.2.3 抛物线连接的线性函数插值 154
6.2.4 B样条轨迹规划 159
6.2.5 时间最优轨迹规划 160
6.3 直角坐标空间法 163
6.3.1 线性函数插值 163
6.3.2 圆弧插值 165
6.3.3 定时插值与定距插值 167
6.3.4 基于四元数的插值 168
6.3.5 与关节空间法的比较 170
6.4 轨迹的实时生成 171
6.4.1 采用关节空间法时的轨迹生成 171
6.4.2 采用直角坐标空间法的轨迹生成 173
6.5 路径的描述 174
6.6 进一步的规划研究 174
6.6.1 利用动力学模型的轨迹规划 174
6.6.2 任务规划 175
思考题 176
第7章 机器人运动与力控制 177
7.1 机器人控制综述 177
7.1.1 机器人控制系统的特性和基本要求 177
7.1.2 机器人控制方法的分类 178
7.1.3 机器人控制系统的硬件构成 183
7.1.4 机器人软件伺服控制器 185
7.2 机器人独立关节控制 186
7.2.1 以直流伺服电动机为驱动器的单关节控制 187
7.2.2 以交流电机为驱动器的单关节控制 191
7.3 基于连杆动力学的运动控制 193
7.3.1 重力补偿PD控制 194
7.3.2 计算力矩控制 196
7.3.3 操作空间直接控制 198
7.3.4 运动控制方法总结 200
7.4 机器人的力控制 200
思考题 213
第8章 机器人智能控制 214
8.1 机器人鲁棒控制 214
8.2 机器人自适应控制 219
8.3 机器人神经网络控制 222
8.4 机器人的模糊控制 224
8.4.1 模糊控制简述 224
8.4.2 机器人模糊控制 226
思考题 228
第9章 机器人示教与机器人编程语言 229
9.1 机器人示教方法 229
9.1.1 位置和姿态信息示教法 229
9.1.2 顺序信息示教法 232
9.1.3 运动条件与作业条件示教法 233
9.2 机器人示教信息的使用 234
9.3 机器人编程语言类型 236
9.3.1 动作级编程语言 237
9.3.2 对象级编程语言 238
9.3.3 任务级编程语言 238
9.4 机器人编程系统结构与功能 239
9.4.1 编程语言系统的结构 239
9.4.2 编程语言系统的基本功能 239
9.5 常见的机器人编程语言 241
9.5.1 VAL语言 241
9.5.2 AL语言 243
9.5.3 SIGLA语言 244
9.5.4 IML语言 244
9.6 机器人离线编程系统 245
9.6.1 离线编程的主要内容 245
9.6.2 离线编程系统的结构 246
9.6.3 离线编程系统的自动子任务 248
9.7 典型机器人示教编程方法 249
9.7.1 KUKA机器人 250
9.7.2 ABB机器人 251
9.7.3 新松机器人 252
9.7.4 示教编程实例 253
思考题 255
第10章 机器人关键部件 256
10.1 高精度减速机 256
10.1.1 RV减速机 256
10.1.2 谐波齿轮减速机 258
10.1.3 行星齿轮减速机 261
10.1.4 减速机的选型 263
10.2 伺服电机 263
10.2.1 直流伺服电机 264
10.2.2 交流伺服电机 267
10.2.3 伺服电机的选型 269
10.3 伺服驱动器 272
10.3.1 伺服驱动器的结构 272
10.3.2 伺服驱动器的伺服参数 274
10.3.3 伺服驱动器的控制方式 275
10.4 控制器 275
10.4.1 运动控制器简介 276
10.4.2 运动控制器的功能 278
10.4.3 运动控制器的架构 279
10.4.4 运动控制器的分类 283
10.4.5 常用运动控制器简介 285
10.4.6 运动控制器的优缺点 288
10.4.7 新型机器人控制器 288
思考题 289
第11章 机器人传感器 290
11.1 传感器基本分类 290
11.1.1 静态特性 291
11.1.2 动态特性 291
11.2 内传感器 292
11.2.1 位置、位移传感器 292
11.2.2 速度传感器 302
11.2.3 加速度传感器 306
11.3 外传感器 308
11.3.1 力觉传感器 308
11.3.2 触觉传感器 320
11.3.3 视觉传感器 322
11.4 其他功能传感器 327
11.4.1 激光雷达 327
11.4.2 惯性导航系统 328
思考题 330
第12章 机器人视觉技术 331
12.1 机器人视觉系统的基本原理 331
12.2 摄像机的图像生成模型 332
12.2.1 摄像机的几何模型 332
12.2.2 摄像机的光学模型 335
12.3 图像的初级处理 337
12.3.1 图像的预处理 337
12.3.2 图像的分离方法 340
12.3.3 图像的重心位置及惯性矩计算 343
12.4 单目立体成像模型 344
12.5 机器人双目视觉技术 345
12.5.1 双目立体视觉的基本概念 345
12.5.2 双目立体视觉测距原理 347
12.6 机器人视觉系统实例 349
12.6.1 激光辅助机器人视觉系统 349
12.6.2 利用视觉识别抓取工件的机器人系统 351
12.6.3 其他机器人视觉系统实例 352
思考题 353
第13章 机器人的应用 354
13.1 工业机器人 354
13.1.1 焊接机器人 354
13.1.2 喷涂机器人 358
13.1.3 装配机器人 360
13.1.4 移动搬运机器人（AGV） 362
13.1.5 巡检机器人 368
13.2 服务机器人 370
13.2.1 家庭服务机器人 370
13.2.2 专用服务机器人 373
13.3 农业机器人 374
13.4 医用机器人 375
13.5 军事机器人 375
思考题 376
参考文献 377