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| 內容簡介： |
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本书全面系统地论述了机器人开发设计的工程基础理论和知识。全书共8章，内容包括：机器人的定义、发展历史、分类、功能和构成；刚体系统的基本运动学、力学方程；机器人关节、连杆机构、DH建模方法和运动学、动力学方程；机器人常用驱动电动机的工作原理和控制方法；机器人内部传感器、外部传感器、传感器的融合设计；机器人控制器的功能、结构、控制系统的通信；机器人操作系统的体系结构、核心概念、应用方法和典型实例；以机器人操作系统作为开发平台的协作机器人仿真模型建立、仿真开发和物理环境实验。本书适合机器人工程专业的高年级本科生和研究生学习，同时也可作为机器人方向的研发者及工程师的参考资料。
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前言第1章概述111机器人的定义和发展历史1111机器人的定义1112机器人的发展历史212机器人的分类4121工业机器人4122服务机器人8123特种机器人1013机器人的功能和构成12131机器人的功能12132机器人的构成12思考题16第2章机器人数学基础1721描述和变换17211位置和姿态的描述17212坐标系映射18213平移旋转变换2022线速度和角速度21221线速度22222角速度22223刚体的线速度和角速度2323刚体的加速度24231线加速度24232角加速度2524平动和转动的力学方程25241惯性张量25242Newton方程和Euler方程26思考题27第3章机器人的机构和运动2931传动机构29311齿轮传动29312丝杠30313带传动31314连杆传动32315减速装置3332机械臂的构型35321连杆和关节35322关节的自由度38323机械臂的基本结构4033机器人运动学41331正运动学41332DH建模实例45333逆运动学48334工作空间5534动力学56341 NewtonEuler递推方法56342迭代形式与封闭形式的动力学方程58343动力学方程应用举例58思考题61第4章机器人的驱动——电动机6241概述6242有刷直流电动机63421有刷直流电动机的工作原理64422有刷直流电动机的控制方法6843步进电动机70431步进电动机的工作原理71432步进电动机的控制方法7344永磁同步电动机73441永磁同步电动机的工作原理74442永磁同步电动机的控制方法7745舵机81451舵机的结构82452舵机的工作原理82453舵机的选型84思考题84第5章机器人的传感器和感知8651概述8652传感器的分类8653内部传感器87531位置和角度测量87532线速度和角速度测量92533加速度和角加速度测量93534姿态测量96535坐标位置传感器9854外部传感器100541视觉传感器100542触觉传感器103543力觉传感器106544接近觉传感器108545距离传感器110546听觉、味觉、嗅觉传感器11355传感器融合应用示例115思考题118第6章机器人控制器11961控制器的功能11962控制器的结构12163运动规划123631关节空间的轨迹规划123632操作空间的轨迹规划12664机器人编程127641机器人编程级别128642机器人语言的功能12965控制系统中的通信131651RS232131652USB132653Ethernet133654WiFi134655蓝牙135656IrDA135657CAN136思考题137第7章机器人操作系统13871概述138711为什么使用机器人操作系统139712ROS的特点140713ROS的版本14172ROS入门142721计算图143722ROS的文件系统146723ROS的开源社区147724安装ROS147725ROS的启动与命令工具150726ROS实践15173进一步理解ROS中的概念和机制156731节点156732话题157733服务160734动作161735参数161736命名16374ROS的编程应用164741构建系统164742话题编程流程172743服务编程流程179744动作编程流程182思考题186第8章机械臂应用示例18781机械臂简介18882机械臂建模189821ROS中的机器人模型189822URDF文件编写192823AUBO机械臂模型代码解读197824改进URDF模型20283机械臂仿真204831RViz平台204832Moveit!架构205833RViz+Moveit!仿真过程20784机械臂运行实验210841系统连接与搭建210842机械臂运动控制211843视觉抓取实现212思考题214参考文献215
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机器人的发展是从工业应用开始的，因此被称为“制造业皇冠顶端的明珠”。科学家和企业家们不断致力于拓展机器人的应用领域，使机器人能为人类提供更多的服务。工业机器人从传统的重复作业的机器，向与人协作的智能化方向发展；医疗手术机器人可以和专业医生优势互补，进行更精确、创伤更小的各种手术；扫地机器人作为家用机器人的一个成功应用案例走进了千家万户；军用机器人的研究也进展迅速，先进的人形机器人能够完成跑跳、翻跟头等高难度动作……科技的进步为机器人应用的“百花盛开”奠定了基础，世界人口老龄化促使各个国家加强了机器人领域的战略部署，机器人工程专业是顺应机器人的发展趋势、加大机器人技术人才培养力度而设立的一个新兴专业。机器人工程学科是以控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、生物医学工程和认知科学等学科中涉及的机器人科学技术问题为研究对象，综合应用自然科学、工程技术、社会科学、人文科学等相关学科的理论、方法和技术，研究机器人的智能感知、优化控制与系统设计、人机交互模式等学术问题的一个多领域交叉的前沿学科。机器人工程学科的描述直接体现了该学科所涉及的宽广的工程基础，也给每一位想要投身于机器人领域的科技人员提出了挑战。机器人的发展目标是在不同领域为人类服务。为了实现这一目标，如何汇集、融合、应用各项技术就是机器人工程专业的研究内容和发展方向。面对多学科宽广知识的交叉融合，机器人工程专业的学生和机器人领域的技术人员，需要掌握机器人开发设计的工程基础知识。因此，梳理机器人工程知识结构，介绍机器人工程基础知识，就是撰写本书的目的。机器人的设计来源于对人类的仿生，这种设计理念可以帮助我们梳理机器人工程的知识结构。通过将机器人与人类躯体的结构、肌肉、感知和控制做类比，本书把机器人的工程基础知识主要划分为：机械机构、驱动方法、传感感知、控制系统，并围绕这几个方面介绍机器人设计开发的相关工程基础知识。本书的主要内容编排如下：第1章是机器人工程基础的介绍。从机器人的定义和发展历史入手介绍机器人的基本概念；进而介绍机器人的分类方法，并针对不同的分类，介绍具有代表性的机器人产品。分析机器人的功能和构成，概述了后续章节的主要内容。第2章讲述了空间刚体系统的基本描述方法和基本数学公式。三维空间的位置和姿态的描述方法是机器人设计的重要内容。以三维空间描述方法为基础，讨论了刚体的线速度、线加速度、角速度、角加速度在三维坐标系中的描述方法。刚体动力学描述的公式是牛顿（Newton）方程和欧拉（Euler）方程，除了速度和加速度之外，其中的参数还包括质量和惯性张量。第3章讨论机器人的机构和运动。介绍了机器人机构设计中的主要传动机构，引出并讨论了连杆、关节、自由度的概念。围绕机械臂的构型，采用DH方法论述了机械臂的正运动学和逆运动学，采用NewtonEuler递推方法建立机器人动力学方程，并给出了典型机械臂的示例。第4章的内容是机器人的驱动方法。驱动是机器人能够实现运动的重要内容，就像人类的肌肉一样。相比于液压和气动驱动，电驱动是机器人的主要驱动方式。因此主要介绍有刷直流电动机、步进电动机和永磁同步电动机的驱动原理和控制方法。舵机作为很多机器人中常用的驱动模块，对其结构、原理和参数进行专门介绍。第5章介绍了机器人工程设计中常用的传感器。包括内部传感器和外部传感器。其中内部传感器介绍了位置和角度、速度和角速度、加速度和角加速度、姿态以及世界坐标位置的测量传感器；外部传感器类比人类的感知能力，介绍了常用的视觉、触觉、力觉、距离的测量方法，以及听觉、味觉、嗅觉这些特殊传感器的原理。后讨论了多传感器融合的硬件设计示例。第6章探讨了机器人控制器的功能和结构。在控制器中的机器人编程和与之相关的轨迹规划是这一章的重点内容。通信技术是机器人控制器分布式设计的基础，这里介绍了机器人控制系统中常用的几种通信方式。第7章讨论了机器人操作系统的相关内容。机器人操作系统是机器人开发的资源公用平台。本章首先介绍了机器人操作系统的产生背景、特点和发展历程；之后以一个简单的例子介绍了机器人操作系统的基本概念和使用方法；然后进一步讨论了机器人操作系统的一些关键概念；后介绍了机器人操作系统的编程应用方法。第8章采用应用示例的方式介绍了机器人建模仿真和运行应用的主要方法。以AUBOi5协作机械臂为例，实现了机器人的运动控制和基于视觉的抓取任务。本书的内容适合高年级本科生或低年级研究生作为机器人工程课程教材学习使用，也可以作为机器人工程技术人员的参考书籍。非常感谢协助我们完成本书的很多人。研究生酆禾阳同学，在协作机械臂实验平台上开发了机器人运动和控制的多项实验内容，其中关于机器人操作系统和机械臂仿真控制的工作为本书相关内容做了有力支撑。遨博（北京）智能科技有限公司为我们开展教学工作提供了机械臂实验平台，并在开发应用中提供了大力支持。在此表示真诚的感谢！由于编者水平有限，书中不妥与错误之处在所难免，恳请广大读者批评指正。编者
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