機器人技術基礎（劉瑛）

黨的二十大報告中，習近平總書記指出要建設現代化產業體系，堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國。這些重點工作都與智能制造相關，可以說智能制造是我國從制造大國轉向制造強國，使中國制造業占據全球優勢的主要路徑。在向制造強國奮進的道路上，發展機器人是大勢所趨。目前在我國機器人產業爆發式成長的態勢下，需要大量掌握機器人技術的專業人才。不論是機械、機電等傳統專業，還是機器人工程、智能制造工程等新興專業，紛紛將機器人技術相關課程納入其培養體系。
編者從事機器人技術基礎本科教學工作多年，熟悉市面上與機器人技術基礎相關的教材，在使用中發現有不便或不足之處。該課程涉及機械、電子、控制甚至生物多個領域，對高等數學、線性代數等數學基礎也有很高的要求，這就決定了這門課程十分硬核的特征。如何講解才能讓學生更好地理解和掌握，這是編者長期思考和探索的問題。這種思考形成了本書的幾個特點。
（1）豐富的圖片
有很多內容僅用語言表達不易理解，看了圖片卻能很快領會，所謂一圖勝千言。本書的圖片比例非常高，在編寫過程中編者往往是首先精心挑選和繪制圖片，然后再圍繞圖片用通俗易懂的文字講述原理。在有些章節，比如講述編碼器的工作原理、不同的軌跡規劃方式時，還提供了動畫（掃碼可見），盡可能多地降低讀者的認知負荷。
（2）為例題配套程序和視頻講解
本書的核心章節包括機器人的運動學、動力學、控制以及軌跡規劃，它們均涉及需要分析計算的內容。如果僅用傳統理論推導的形式展示，讀者往往難以理解公式、參數與物理世界究竟有何聯系。MATLAB/Simulink功能非常強大，可以廣泛應用于機器人教學中。本書核心章節的例題均配套了MATLAB程序或Simulink仿真，只要運行一下即可將抽象的概念和公式用數據、圖片、動畫等形式生動地展現出來。如果簡單修改程序的參數，就會產生不同的運行結果，從而進一步理解各個參數的具體含義。這種可視化的學習方法不但易于理解，更會讓學習變得妙趣橫生。
（3）符合認知規律的章節組織形式
每一章都從問題導入開始，使讀者通過案例相關的問題聚焦本章的主要內容，接下來明確列出本章的學習目標，正文之后的總結則幫助讀者重新梳理本章的內容。最具特色的是課后習題，分為工程基礎問題和設計問題兩大類，前者與普通教材的習題無異，后者則為本書的特色所在，即通過一個系統設計項目貫穿教材始終，讓碎片化知識融會貫通。比如學習機器人結構時，要求用三維軟件對PUMA560機器人進行結構建模和裝配；學習運動學時，要求仿照例題用MATLAB程序解決PUMA560機器人的正逆運動學問題；學習動力學、控制及軌跡規劃時，設計問題均圍繞該機器人進行。學完整本書時，學生也就設計出了自己的一個串聯機器人，并可通過軟件進行仿真，從而獲得很強的成就感。由于工作量較大，這個項目可以由小組同學共同完成。
本書在內容上聚焦于串聯機器人，共分7章。第1章介紹了機器人的歷史、分類及其基本參數，結合學科和科技的發展，探討了機器人的發展趨勢。第2章介紹了串聯、并聯和移動機器人的本體結構，給出結構設計要點和常用的結構形式。第3章介紹機器人坐標系及其位姿的描述方法、機器人的D-H表示法、正向運動學和逆向運動學等內容。第4章分析機器人的速度和速度雅可比矩陣，介紹用拉格朗日方程進行動力學分析的方法。第5章介紹機器人內部和外部傳感器的類型及其工作原理。第6章介紹機器人控制系統，包括電動機驅動的系統動力學建模、關節位置控制以及力控制。第7章討論在關節空間和操作空間運動的軌跡規劃和生成方式。
本書是編者在多年的教學經驗、科研實踐的基礎上編寫而成的。第1、5章由北方工業大學李文副教授編寫，其他章節由北方工業大學劉瑛副教授編寫。郭淇和王恩紅兩位研究生作為第一讀者，從學生的視角提出許多寶貴的建議，確保本書內容安排循序漸進、講解深入淺出，便于學生學習和理解，在此一并表示感謝。
由于水平所限，書中難免有不足之處，歡迎讀者通過liuying@ncut.edu.cn聯系我們，幫助我們不斷完善。

編著者 
2023.10于北京

劉瑛，女，北方工業大學機械與材料工程學院副教授，碩士生導師。長期從事機器人及其零部件的設計與研究、機械制造裝備與技術的研究工作。在一線教授《機器人設計與實踐》《 MATLAB 語言及其應用》《機械概論》等課程長達近二十年，并錄制了機器人等課程的相關教學視頻，在多所高校推廣使用。

本書是“高等院校智能制造人才培養系列教材”之一，面向智能制造相關專業，目標是打造適合培養智能制造工程人才的教材體系，以培養適應智能制造發展需求的應用型人才。
本書主要介紹機器人技術的內涵和體系，以串聯機器人為重點，涵蓋串、并聯和移動機器人的本體結構，機器人坐標系及其位姿描述，正向和逆向運動學分析，機器人的動力學分析，機器人內部和外部傳感器的類型與工作原理，機器人的控制系統，關節空間和操作空間運動規劃等核心內容。各章均按照思維導圖、學習目標、問題導入、主要內容、本章小結、習題的結構編排。本書講解深入淺出，并配有大量圖片、MATLAB程序以及視頻講解，將抽象內容可視化。
本書可作為高等學校機器人工程、智能制造工程、機械設計制造及自動化、機械電子工程、自動控制和計算機應用等專業本科生和研究生專業課程的教材，同時也可為從事機器人研究和制造的科研及工程人員提供參考。

第1章　緒論	1
1.1 機器人的發展與定義	2
1.1.1 機器人發展簡史	2
1.1.2 機器人的定義	6
1.2　機器人的組成與分類	7
1.2.1 機器人的組成	7
1.2.2 機器人的分類	9
1.3 機器人的技術參數	13
1.3.1 自由度	13
1.3.2 精度	14
1.3.3 工作空間	15
1.3.4 工作速度	15
1.3.5 承載能力	16
1.3.6 防護等級	16
1.4 機器人的應用與發展趨勢	17
1.4.1 機器人的應用	17
1.4.2 機器人的發展趨勢	18
1.5 機器人相關學科和課程	19
1.5.1 機器人相關學科	19
1.5.2 機器人相關課程	20
本章小結	21
習題	22

第2章 機器人本體結構	23
2.1 串聯機器人的結構	24
2.1.1 驅動機構	24
2.1.2 傳動機構	27
2.1.3 傳動機構的定位與消隙技術	37
2.1.4 執行機構	40
2.2 并聯機器人的結構	53
2.2.1 并聯機構	53
2.2.2 并聯機器人	54
2.3 移動機器人的結構	55
2.3.1 車輪式移動機器人	55
2.3.2 履帶式移動機器人	56
2.3.3 步行機器人	57
本章小結	58
習題	58

第3章 機器人運動學分析	60
3.1 機器人位姿和坐標變換	61
3.1.1 位置與姿態	61
3.1.2 坐標變換	62
3.1.3 齊次坐標變換	65
3.1.4 左乘與右乘規則	70
3.2 串聯機器人位姿分析	72
3.2.1 坐標系的建立	73
3.2.2 D-H參數及連桿坐標系變換矩陣的確定	75
3.2.3 運動方程	76
3.3 串聯機器人運動學分析	76
3.3.1 正向運動學	77
3.3.2 逆向運動學	84
3.3.3 關于反解的討論	91
本章小結	93
習題	94

第4章 機器人動力學分析	96
4.1 速度分析	97
4.1.1 速度雅可比	97
4.1.2 速度分析具體案例	102
4.2 靜力學分析	104
4.2.1 力雅可比	104
4.2.2 靜力學的兩類問題	105
4.3 動力學分析	106
4.3.1 動力學分析基礎和方法	106
4.3.2 拉格朗日方程	108
4.3.3 關節空間和操作空間中的動力學方程	113
本章小結	114
習題	114

第5章 機器人傳感器	118
5.1 機器人傳感器概述	119
5.1.1 機器人傳感器的分類	120
5.1.2 傳感器的性能指標	121
5.1.3 機器人傳感器的要求	124
5.2 機器人內部傳感器	125
5.2.1 位置傳感器	125
5.2.2 速度傳感器	131
5.2.3 加速度傳感器	134
5.2.4 姿態傳感器	136
5.3 機器人外部傳感器	136
5.3.1 視覺傳感器	137
5.3.2 聽覺傳感器	139
5.3.3 觸覺傳感器	141
5.3.4 接近與距離覺傳感器	146
5.3.5 工業機器人的常用傳感器	149
5.4 多傳感器信息融合	150
本章小結	152
習題	152

第6章 機器人控制系統	154
6.1 機器人控制系統概述	155
6.1.1 機器人控制系統的構成	155
6.1.2 機器人的控制層次和特點	158
6.1.3 機器人典型控制方式	159
6.2 機器人位置控制	160
6.2.1 伺服驅動及其傳遞函數	160
6.2.2 單關節位置控制器的結構設計	167
6.2.3 單關節位置控制器的增益參數確定	171
6.2.4 單關節位置控制器誤差分析	173
6.2.5 單關節位置PID控制	176
6.2.6 多關節位置控制	177
6.3 機器人力控制	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
本章小結	187
習題	187

第7章 機器人運動規劃	190
7.1 機器人運動規劃概述	191
7.1.1 運動規劃的基本概念	191
7.1.2 軌跡規劃的一般問題	192
7.1.3 軌跡的生成方式及控制過程	193
7.1.4 關節空間和操作空間的軌跡規劃	194
7.2 關節空間的軌跡規劃方法	195
7.2.1 三次多項式插補	196
7.2.2 高階多項式插補	199
7.2.3 多項式插補用于多點間軌跡規劃	202
7.2.4 拋物線過渡的線性插補	206
7.2.5 拋物線過渡的線性插補用于多點間軌跡規劃	209
7.3 操作空間的軌跡規劃	213
7.3.1 空間直線插補	213
7.3.2 空間圓弧插補	215
7.3.3 機器人的末端姿態插補	221
7.3.4 操作空間軌跡規劃的幾何問題	224
本章小結	227
習題	227

參考文獻	230