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本書(shū)系統(tǒng)地介紹了機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí),重心放在機(jī)器人機(jī)構(gòu)、建模、規(guī)劃與控制等方面,為本科機(jī)器人工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的入門(mén)教材。
全書(shū)共10章。第1章為緒論;第2章和第3章分別介紹了與機(jī)器人系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),為讀者提供了對(duì)機(jī)器人的總體認(rèn)識(shí);第4章作為機(jī)器人的數(shù)理基礎(chǔ),詳細(xì)討論了如何構(gòu)建剛體運(yùn)動(dòng)模型;第5~7章主要講述了有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的基礎(chǔ)內(nèi)容,包括串聯(lián)機(jī)器人的位移分析(第5章)、串聯(lián)機(jī)器人的速度與靜力分析(第6章)和并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)(第7章);第8~10章主要講述了有關(guān)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、規(guī)劃與控制方面的基礎(chǔ)知識(shí),包括串聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模(第8章)、機(jī)器人軌跡生成(第9章)與機(jī)器人控制基礎(chǔ)(第10章)等。此外,作為正文的補(bǔ)充,在附錄中介紹了旋量理論基礎(chǔ)、MATLAB編程等內(nèi)容。
本書(shū)可作為機(jī)器人工程等專(zhuān)業(yè)本科專(zhuān)業(yè)教材或研究生教材,也可作為相關(guān)科研人員與工程技術(shù)人員參考用書(shū)。

2015年,國(guó)內(nèi)首個(gè)機(jī)器人工程本科新工科專(zhuān)業(yè)獲批,構(gòu)建與機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)的課程資源變得越來(lái)越迫切。其中,“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”(或“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”)作為支撐該專(zhuān)業(yè)理論與技術(shù)基礎(chǔ)的入門(mén)課,被很多高校列入核心課程系列中。然而,市面教材大多面向研究生編寫(xiě),適合本科生使用的教材相對(duì)匱乏,配套教材建設(shè)成了重中之重。
北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所長(zhǎng)期從事與機(jī)器人相關(guān)的教學(xué)和科研工作。作為研究所的教師,本書(shū)作者一直工作在機(jī)器人科研和課程教學(xué)一線,主講研究生課程“機(jī)器人學(xué)的現(xiàn)代數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”“自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論”、機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)本科生核心課程“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”等。自2020年春季開(kāi)始,作者又承擔(dān)了機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”核心專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)。
教學(xué)過(guò)程中,作者注意到市面上尚缺少面向機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)且符合下述特征的《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》教科書(shū):①明確定位:只涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、機(jī)械原理、自動(dòng)控制原理等先修課程,適用于本科生學(xué)習(xí);②強(qiáng)化基礎(chǔ):圍繞典型機(jī)器人工作原理,全面、詳細(xì)、由淺入深地介紹與機(jī)器人機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和規(guī)劃相關(guān)的最基礎(chǔ)理論。為彌補(bǔ)上述缺憾、有效支撐專(zhuān)業(yè)教學(xué),本書(shū)作者按上述理念,從撰寫(xiě)講義開(kāi)始,通過(guò)近兩年的時(shí)間逐漸形成文稿,并經(jīng)過(guò)兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐,才最后定稿。
全書(shū)包含10章,涵蓋機(jī)器人系統(tǒng)組成、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、規(guī)劃、控制等經(jīng)典內(nèi)容。若全部將本書(shū)所有章節(jié)的內(nèi)容講完,再加上編程或配套的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié),可能需要56~64個(gè)學(xué)時(shí)。而目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校相關(guān)課程設(shè)置為32~48學(xué)時(shí),因此需要選講或者選學(xué)本教材中所提供的相關(guān)內(nèi)容。其中,第2~6章和第8~9章內(nèi)容是機(jī)器人學(xué)的理論基礎(chǔ),建議必學(xué),而帶*號(hào)的內(nèi)容可作為學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)資料。
為了幫助讀者梳理所學(xué)到的知識(shí),在每章開(kāi)始均設(shè)有“內(nèi)容導(dǎo)讀與學(xué)習(xí)目標(biāo)”模塊;每章的結(jié)尾包含有一個(gè)“本章小結(jié)”,對(duì)各章中出現(xiàn)的重要概念和公式進(jìn)行了高度凝練、概括。同時(shí),每章末尾還提供了一些可擴(kuò)展、延讀的參考文獻(xiàn)。為夯實(shí)課程思政、豐富教學(xué)內(nèi)容,每章還設(shè)有“小知識(shí)”“背景知識(shí)”和“知識(shí)擴(kuò)展”等模塊。
為使學(xué)有余力的讀者深入理解現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)中的一些基本概念和方法,本書(shū)還提供了有關(guān)旋量等現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具以及相關(guān)問(wèn)題求解的內(nèi)容,分散在各章節(jié)的選學(xué)內(nèi)容(用*號(hào)標(biāo)識(shí))和附錄A中。
另外,各章后面都安排有較豐富的習(xí)題,分為問(wèn)答題論證、分析題和MATLAB編程題三種類(lèi)型。建議讀者盡可能完成每道題,尤其是MATLAB編程類(lèi)的題目(學(xué)習(xí)指導(dǎo)見(jiàn)附錄B),以利于理解基礎(chǔ)理論、強(qiáng)化實(shí)踐能力。
全書(shū)編寫(xiě)分工如下:主體內(nèi)容由于靖軍和王巍共同編寫(xiě),兩人對(duì)本書(shū)具有同等貢獻(xiàn)。李大寨、趙宏哲、蔡月日、田耀斌等老師參與了本書(shū)的編寫(xiě)工作。鄧明廣助教完成了全部課后習(xí)題答案的整理,李建和王楚芊助教參與了部分課后習(xí)題答案的解答和校對(duì)工作。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)2018級(jí)全體同學(xué)參與了教材的試用和校對(duì),并為課后習(xí)題解答提供了素材。
本教材的編寫(xiě),參考了國(guó)內(nèi)外大量經(jīng)典教材與專(zhuān)著,這里對(duì)其作者表示最誠(chéng)摯的敬意!特別提及的是,已產(chǎn)生廣泛影響力的克雷格教授所著《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》、蔡倫文教授所著《機(jī)器人分析:串并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)》、西西里亞諾等所著《機(jī)器人學(xué):建模、規(guī)劃與控制》、熊有倫院士等所著《機(jī)器人學(xué):建模、控制與視覺(jué)》、黃真教授等所著《并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制》等,為本書(shū)編寫(xiě)提供了絕佳的創(chuàng)意和素材。
特別鳴謝遨博(北京)智能科技有限公司的劉剛工程師,他在機(jī)器人軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)架構(gòu)方面給出了很好的建議!
此外,本書(shū)還得到了北京航空航天大學(xué)校級(jí)規(guī)劃教材的立項(xiàng),并給予出版經(jīng)費(fèi)的強(qiáng)有力支持,對(duì)此表示感謝!
由于編者水平有限,書(shū)中難免有疏虞之處,敬請(qǐng)讀者和專(zhuān)家批評(píng)指正。
作者

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