人工智能、機器人、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)機器人的各種各樣的社會交流活動也引起了人們對機器人的興趣，尤其是激起了學生們了解和學習機器人的熱情。隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，有關(guān)機器人的教科書也層出不窮。然而，機器人學是機械、電子、計算機等多學科融合的產(chǎn)物，僅通過一兩本教科書的學習就完全掌握機器人技術(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器人表演，并不能代替我們系統(tǒng)地學習和掌握機器人理論及技術(shù)。

為什么大多數(shù)人覺得與機器人相關(guān)的理論及技術(shù)難以掌握？從體系上而言，機器人學并不像其他學科那么完善，這可能是難學的原因之一； 另一原因更可能是學習或教學模式與這門課程不相稱，如沒有實際的機器人操作實驗室或方便的實驗用品，學習訓練用的相應軟件也不完整，從而導致學習的成本和時間代價被無形抬高，最終得出的結(jié)論是機器人課程難學。近年來，機器人技術(shù)在各個行業(yè)的成功應用大大推動了機器人理論及技術(shù)的發(fā)展，尤其是在高等教育和職業(yè)培訓方面，更是呈現(xiàn)了如雨后春筍般的發(fā)展。人們對機器人學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習機器人的行列中，這種情況自然導致相關(guān)的機器人教育理論與裝備快速發(fā)展。

大量實踐表明，實際的操作和訓練對學習機器人學具有極大的幫助。學生可以通過邊學習理論知識，邊進行實驗及操作，達到事半功倍的學習效果。本書嘗試結(jié)合配套的桌面機器人實驗器材，把機器人理論學習與實驗過程密切聯(lián)系起來，從而使機器人的學習成為既有理論又有實踐的互動過程。學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)機器人的理論及技術(shù)。

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

本書內(nèi)容劃分為8章，每一章都配有練習題，供機器人學課程檢驗所學內(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軸桌面機械臂實體為主要實驗設(shè)備讓學生可以進行實際的操作和編程訓練，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。通過理論學習與具體實驗相結(jié)合，幫助學生深入理解所學的書本知識，并將其應用到實際問題中。有條件的學校還可以結(jié)合工業(yè)級機器人實驗系統(tǒng)進行更深入的操作和訓練。

本書的主要內(nèi)容如下：

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

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

第3章運動學，詳細描述了機器人系統(tǒng)各關(guān)節(jié)的坐標系建立和連桿的DH參數(shù)，并系統(tǒng)地推導了典型機械臂的正逆運動學模型。這些內(nèi)容是機器人學的重點內(nèi)容，也是后續(xù)學習必須掌握的基礎(chǔ)內(nèi)容。

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

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

第6章討論機械臂運動控制，應用古典控制理論實現(xiàn)對機械臂單關(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行機器人的軌跡規(guī)劃，根據(jù)期望點序列完成多項式的計算，實現(xiàn)機械臂的空間操作、示教操作等。

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