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为适应机器人产业发展以及新工科对自动化类、机械类机器人技术相关专业人才培养的要求，本书以建模、标定、规划、控制、视觉等为主要内容，较为系统地阐述了机器人控制技术的相关基础知识。

本书共九章。第1章介绍机器人发展史和机器人基本知识；第2章介绍机器人坐标变换、分析机器人运动学；第3章介绍机器人工件坐标系和工具坐标系的标定方法；第4章讨论机器人关节空间轨迹规划和笛卡儿空间轨迹规划；第5章分析机器人雅可比矩阵和机器人动力学建模方法；第6章介绍关节驱动和单关节独立线性控制；第7章讨论机器人的非线性控制方法；第8章分析机器人力位混合控制和阻抗控制；第9章介绍机器人视觉基本原理和图像处理技术。本书自第2章起每章*后都针对重点知识点设计了相应的习题。

本书可作为机器人工程、智能制造、自动化、机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业本科生或相关学科研究生的教材或参考书，也可供从事机器人研发、应用的科技工作者参考。

本书配有电子课件，选用本教材的教师可通过以下方式之一索取：登录www.cmpedu.com注册下载，加微信jinaqing_candy索取，或发邮件至jinacmp@163.com索取(注明姓名、学校等信息)。

前言

第1章绪论1

1.1机器人概述1

1.1.1机器人的起源1

1.1.2机器人的定义与特点2

1.1.3机器人技术的发展3

1.2机器人分类6

1.3机器人的主要技术参数9

第2章机器人运动学分析13

2.1位姿描述与坐标变换13

2.1.1位置和姿态的表示13

2.1.2坐标变换15

2.1.3齐次坐标变换16

2.1.4通用旋转变换18

2.2姿态的欧拉角描述20

2.3连杆描述与DH参数22

2.4典型机械臂结构及正运动学25

2.4.1RRR平面三连杆25

2.4.2RRR拟人臂26

2.4.3RRR球形腕26

2.4.4RRP球形臂28

2.5逆运动学问题30

2.5.1平面三连杆的求解30

2.5.2拟人臂的求解31

2.5.3球形腕的求解32

2.5.4球形臂的求解33

2.6典型6R工业机器人运动学实例34

2.6.1工业机器人 DH建模37

2.6.2工业机器人正运动学分析38

2.6.3工业机器人逆运动学分析40

习题44

第3章机器人坐标系标定48

3.1机器人坐标系标定概述48

3.2机器人工具坐标系的标定48

3.2.1机器人坐标系的定义48

3.2.2工具坐标系的标定50

3.2.3工件坐标系的标定52

3.3标定实例55

习题58

第4章机器人操作臂轨迹规划59

4.1机器人轨迹规划基本概念59

4.2关节空间路径规划62

4.2.1多项式路径规划62

4.2.2抛物线拟合线性插值路径规划64

4.3笛卡儿空间路径规划67

4.3.1轨迹规划的基本描述67

4.3.2空间直线位置插值68

4.3.3空间圆弧位置插值68

4.3.4升降速控制69

4.3.5姿态插值69

习题71

第5章机器人动力学72

5.1雅可比矩阵与速度变换72

5.1.1雅可比矩阵72

5.1.2两关节机器人雅可比矩阵73

5.1.3六关节机器人雅可比矩阵74

5.1.4奇异性74

5.2静力学分析与力雅可比矩阵75

5.2.1静力学分析75

5.2.2力雅可比矩阵77

5.3机器人动力学建模79

5.3.1拉格朗日方程79

5.3.2两关节机器人动力学建模80

5.3.3桁架机器人动力学83

5.4关节空间和操作空间动力学85

5.5一般关节空间动力学86

习题87

第6章机器人关节驱动与线性控制89

6.1机器人控制概述89

6.1.1机器人控制方式89

6.1.2机器人位置控制90

6.1.3二阶线性系统91

6.2机器人传感器92

6.2.1机器人传感器分类92

6.2.2常见的内部传感器93

6.2.3机器人外部传感器94

6.3关节驱动与位置控制95

6.3.1直流电动机模型95

6.3.2单关节建模96

6.3.3单关节位置比例控制97

6.3.4交流伺服电动机与驱动99

6.4工业机器人控制系统举例102

6.4.1工业机器人控制系统102

6.4.2PUMA560机器人工作原理103

习题104

第7章机器人非线性控制105

7.1非线性控制基础105

7.2李雅普诺夫稳定性理论107

7.2.1稳定性基本概念108

7.2.2李雅普诺夫直接法108

7.3PD位置控制113

7.4操作臂的非线性跟踪控制117

7.4.1前馈PD控制117

7.4.2计算力矩控制120

习题122

第8章机器人的力控制123

8.1质量弹簧系统力控制123

8.2约束运动125

8.3力/位置混合控制127

8.4阻抗控制130

8.5力控实例132

8.5.1力/位置混合控制实例132

8.5.2阻抗控制实例132

习题134

第9章机器人视觉136

9.1机器人视觉概述136

9.1.1视觉系统137

9.1.2视觉传感器138

9.2视觉算法与图像处理139

9.2.1数据结构139

9.2.2灰度值变换139

9.2.3图像平滑140

9.2.4傅里叶变换142

9.2.5几何变换143

9.2.6图像分割146

9.2.7特征提取146

9.2.8形态学148

9.2.9边缘提取150

9.33D视觉技术153

9.3.1摄像机模型和参数153

9.3.2摄像机标定154

9.3.3双目立体视觉155

9.3.4光片技术156

9.3.5结构光技术157

9.3.6焦距深度技术158

9.3.7飞行时间技术159

9.4机器人视觉实例160

9.4.1软硬件平台161

9.4.2系统配置162

9.4.3眼手标定162

9.4.4工件的二维图像处理163

9.4.5参考系坐标转换163

习题164

参考文献166

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前言

随着科学技术的发展和社会的进步，各种机器人已广泛应用在制造业、农业、海洋探测、军事、娱乐、医疗以及家庭等各个方面。机器人的研发、制造及应用水平是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。 机器人学集控制工程、电气工程、计算机科学、机械工程、系统工程等技术与力学、数学知识等于一体，是跨越传统工程领域、对接前沿新技术、引领科技方向的新兴领域。同时，作为一门综合性学科，机器人学将带动相关专业学科的深度融合与发展。近年来，我国机器人产业呈现爆发式增长，越来越多的高校开设相关专业，增设相关课程。为满足高校相关课程对机器人控制技术方面教材的需求，我们特编写了本书。

本书包含九章，较全面地介绍了与机器人控制相关的专业知识。第1章介绍了机器人的内涵、类型以及主要技术参数；第2章系统介绍了机器人坐标变换与位姿描述、连杆描述与DH参数、典型操作臂结构及正逆运动学、典型6R工业机器人运动学实例等；第3章介绍了机器人工件坐标系、工具坐标系的标定方法；第4章介绍了机器人关节空间轨迹规划方法和笛卡儿空间轨迹规划方法；第5章系统介绍了雅可比矩阵和机器人动力学建模；第6章简要介绍了关节驱动的基本原理以及单关节独立的线性PID控制；第7章介绍了非线性系统稳定性的概念和基于机器人非线性模型的控制方法；第8章重点介绍了力控制约束运动以及常见的力/位置混合控制和阻抗控制；第9章介绍了机器人视觉涉及的基本概念、原理和图像处理技术等。

本书的第1～4章由李宏胜编写，第5、6章由刘娣编写，第7、8章由张文辉编写，第9章由赵岚编写。全书由李宏胜、张文辉修改定稿，刘娣、赵岚、乔贵方协助整理。

机器人学是一门综合性学科，发展迅速，且涉及专业范围很广。由于编者水平有限，书中不足之处和错误在所难免，恳请广大读者批评指正。

李宏胜