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第一章绪论
通过本章的学习，使学生了解机器人学的起源与发展，知晓机器人学包含的内容，讨论机器人的定义，分析机器人的特点、结构与分类，探讨机器人学与人工智能之间相辅相成的关系。
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●1.1机器人的由来与发展
机器人概念几乎与人类发展历史相伴。尽管100多年前，机器人才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却已存在3000多年了。机器人的思想并不是西方国家的独创，中华民族五千年的历史，早就孕育了机器人的思想基础。
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●1.2机器人的定义与分类
机器人这个名字的含义可谓仁者见仁智者见智，科幻图书和电影对于人们认识机器人以及机器人能做什么都有着深刻的影响，那么到底什么是机器人呢？至今国际上还没有合适的为人们普遍同意的机器人定义。机器人的分类按照不同的分类方法可以分为不同的种类，将从四个不同的角度讲解机器人的分类方法。
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●1.3机器人的结构组成
机器人的实际结构是非常复杂，本节将从机器人的运动副、连杆和自由度等方面讲解机器人的结构组成、机器人的系统结构及与机器人结构相关的性能指标。
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●1.4机器人学研究进展
伴随信息技术的飞速发展，机器人日新月异，有着极其广泛的研究和应用领域，这些领域体现出了广泛的学科交叉，涉及到众多的课题，比如机器人体系的结构、机构、控制，智能、传感、机器人装配、机器人语言等，机器人已在工业，农业，商业，旅游业、空间和海洋以及国防等领域获得了越来越普遍的应用。
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第二章机器人数学基础
机器人是通过末端执行机构来实现空间中的复杂运动，那么，需要用一种描述刚体位移、速度、加速度等的数学方法来表示物体在空间的运动。本章主要讲解如何用数学方法来对机器人进行描述，包括：位置、姿态与坐标系，坐标系变换与计算，欧拉变换、RPY变换、通用旋转变换等。
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●2.1位置和姿态的表示
为表达机器人在空间中的运动，本节主要讲解用位置矢量、姿态（方位）矢量、平面、坐标系等概念来描述物体与物体间的关系。
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●2.2坐标变换
空间中任意点在不同坐标系中的描述是不一样的，为了阐明从一个坐标系到另一个坐标系的描述关系，本节主要讨论这种变换之间的数学关系。
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●2.3齐次坐标变换
本节引入了齐次坐标的概念，讲解了齐次坐标变换，以及齐次平移变换和齐次旋转变换，讨论了坐标变换的顺序问题。
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●2.4物体的变换及逆变换
介绍了如何用齐次坐标来表述物体的位置和姿态，并通过例题进行阐述物体的变换过程，推导了齐次变换的逆变换。
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●2.5通用旋转变换
机器人的运动姿态往往是由绕着各个坐标轴的旋转序列来规定的，本节介绍了欧拉角、RPY角，柱面坐标、球面坐标的旋转序列，推导了绕着任意轴旋转的通用旋转变换公式。
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第三章机器人运动学
本章主要讲解连杆的描述、连杆关节的描述，机器人正运动学推导、逆运动学的可解性，代数解和几何解法及典型机械臂的正逆运动学推导。
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●3.1连杆变换矩阵及其乘积
机器人是由多根连杆组成的，连杆与连杆相连接的部位就是关节，要对机器人的每一根连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和姿态。
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●3.2机器人运动方程
机器人运动学是从机构的角度来描述和研究机器人的运动特性。机器人运动学的正问题或者叫正运动学，它研究的是已知机器人各连杆的几何参数和关节变量，求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。
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●3.3机器人逆运动学方程
机器人的逆运动学，是已知机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态，求解机器人到达预期位置的各个关节变量。
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●3.4PUMA 560机器人运动方程
本节结合一个非常典型的puma560机器人，推导这个6自由度机器人的正逆运动学方程。
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●3.5matlab运动学仿真
本节基于Matlab的Robotics Toolbox工具箱，讲解机器人的坐标变换、如何构建机器人、驱动机器人、显示机器人，以及运动学求解。
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第四章机器人动力学
机器人动力学研究的是关节驱动器产生的力如何改变关节的运动、从而改变末端执行器的运动。所要控制的变量也从运动学中关节的位置或速度，变成了关节的力。
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●4.1欧拉第一定律
欧拉定律是牛顿运动定律的延伸，欧拉第一定律描述的是：刚体的线性运动与所受外力的关系。它主要描述的是线性运动。欧拉第一定律说明，刚体线性动量的变化率等于它所受到的外力。
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●4.2欧拉第二定律
欧拉第二定律类似于欧拉第一定律讲的是物体角运动与它所受力矩的关系。最终得到的扭矩方程是关于角加速度和角速度的一个方程。
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●4.3牛顿欧拉法推导机器人动力学
用牛顿欧拉法推导机器人的动力学，我们需要两个步骤，首先是正向传递速度及加速度，也就是从基座开始依次计算每一个连杆的速度加速度一直到末端执行器，其次是反向传递力，从末端执行器所受的外力开始依次算回来，求出每个关节的扭矩或者力，从方法上理解，推导机器人动力学的牛顿欧拉法是一个递归算法。
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●4.4拉格朗日法推导机器人动力学
拉格朗日推导机器人动力学是从功和能量角度入手，引入了广义坐标的概念，用数学分析方法重新表述了牛顿力学，与牛顿欧拉法的区别主要有两个方面，第一是不依赖空间坐标系，第二是不需要分析系统内部的约束力。
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●4.5雅克比矩阵
雅克比矩阵的作用是将关节空间的速度与操作空间的速度联系起来。首先，雅可比矩阵的上半部分Jv由末端执行器的位置向量对关节求导得出，而末端执行器的位置向量可以通过正运动学求解得到；其次，雅可比矩阵的下半部分Jw可由每个旋转关节的z轴以基准坐标系为参照系写出的单位向量得到。把Jv和Jw合起来就可以得到一个m×n的矩阵，其中m是末端执行器操作空间的自由度数（对于空间机器人通常m=6），n是机器人的关节数量。
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●4.6机器人动能与质量矩阵
理解机械臂的动力学方程，我们可以从这三部分分别入手。 （1）由质量矩阵描述的、关节加速度部分的作用； （2）由v描述的、关节速度部分的作用； （3）由g描述的、只与关节位置有关的保守力部分的作用。
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第五章机器人轨迹规划
轨迹是指机械臂在运动过程中每时每刻的位移，速度和加速度确定的路径。轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。轨迹规划的目的是生成运动控制系统的参考输入，以确保末端执行器完成规划的轨迹。轨迹规划主要分两种：一种是点位作业、另一种是连续路径运动或轮廓运动。
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●5.1关节空间的轨迹规划
轨迹规划器可形象地看成为一个黑箱，其输入包括路径的“设定”和“约束”，输出的是机械臂末端执行器的位姿序列，表示末端执行器在各离散时刻的中间位姿。轨迹规划既可在关节空间中进行，也可在笛卡尔坐标系中进行，但是所规划的轨迹函数都必须连续和平滑，使机械臂的运动平稳。
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●5.2关节空间法
利用受控参数实现关节空间中机械臂运动的规划。有许多不同阶次的多项式函数及抛物线过渡的线性函数可用于实现这个目的，主要研究的方法有：三次多项式轨迹规划、抛物线过渡的关节空间轨迹规划、具有中间点及抛物线过渡的关节空间轨迹规划等。
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●5.3笛卡尔坐标空间轨迹规划
机械臂末端执行器插补算法包括位置插补与姿态插补。其中，姿态插补一般采取线性方式。位置插补方式，包括直线插补，圆弧插补，抛物线插补，样条线插补等，最基础的是直线和圆弧插补算法。
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●5.4轨迹的实时生成
轨迹实时生成的过程是将关节空间轨迹规划所得的计算结果，即各个路径段的数据发送给控制系统，控制系统的轨迹生成器利用这些数据，依据轨迹更新的速率计算出角度、速度和加速度。从而实现轨迹的生成与实时更新。
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●5.5动力学约束下的运动规划
动力学约束下的运动规划主要有两种，梯形速度曲线是比较简单的针对位置运动中速度控制的曲线，其运动过程是从给定的位置起点开始，以给定加速度运动，当运动到给定的最大速度 时，以最大速度实现匀速运动，最后以给定的反向加速度运动到另一个位置终点。正弦加速度曲线的加速度呈现余弦曲线，保证了机械臂末端执行器运动轨迹的平滑，从而减少机械臂关节机构机械振动。
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第六章机器人传感器
机器人通过各种传感器或传感系统，向自身提供如视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等感觉，犹如人具有眼睛、耳朵、皮肤和鼻子等感官一样。这种智能机器人的智能由传感器提供，我们也可以称之为传感机器人。机器人的感觉装置主要以视觉、力觉和触觉最为重要。
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●6.1机器人传感器的特点与分类
机器人工作时，需要检测其自身的状态、作业对象与作业环境的状态，故机器人所用传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。
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●6.2接近开关
接近开关通常只有二值输出，用来判断在规定距离范围内是否有物体存在，因此接近开关通常又称为接近觉传感器。
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第七章机器人的本体运动控制
运动控制系统的主要任务是控制工业机器人在任务空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序以及动作的时间等。工业机器人的控制主要分为两大类型：位置控制和力控制，本章我们首先对位置控制进行阐述。
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●7.1机器人关节模型和关节控制
本节我们建立机器人单关节控制对象的运动方程和传递函数，它反映了单关节控制对象的输入电压与关节角位移之间的关系，同时讲解基于关节坐标的机器人单关节伺服控制。
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●7.2基于笛卡尔坐标的机器人控制
基于笛卡尔坐标的控制需要输入期望的笛卡尔坐标轨迹、速度和加速度，使各个关节电机以不同的速度协调配合，控制末端执行器沿笛卡尔坐标空间的任意轨迹运动。
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●7.3工业机器人位置控制
工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人末端执行器沿预定的轨迹运行。位置控制分为点位控制和连续轨迹控制两类。
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●7.4机器人的分解运动控制
在实际运行中，机械臂的各个关节不是独立运动的，而是协调运动的，即对各关节以协调的位置和速度进行控制，这就有必要研究机器人的分解运动控制问题。分解运动意味着各关节电机联合运动，并分解为沿关节坐标轴的独立可控运动。
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第八章工业机器人的力控制
工业机器人在进行装配、分拣、抓取等任务时，不仅要求其具有精准的定位能力，还需要良好的输出力/力矩调节能力，此外，由于机器人工作环境较为复杂，且当前人-机协作日益紧密，工业机器人在进行作业时，应具备良好的柔顺性，从而避免突然碰撞对人或机器人本体造成损伤。针对上述要求，需要对工业机器人输出力和力矩进行有效控制。
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●8.1力控制的基本概念
力控制即为力控制技术，一般是指以力/力矩作为被控量，通过力/力矩传感器反馈机器人当前力/力矩信息，利用合适的控制算法，通过闭环控制使机器人较好完成预期规划任务。
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●8.2零力控制
零力控制是指通过补偿机器人重力和摩擦力的影响，使得在等效失重的状态下，机器人能够对外力体现出一种顺应性运动状态。零力控制是直接示教控制方案的关键技术。
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●8.3力和位置的混合控制
力和位混合控制的目的是对末端执行器运动和接触力的并行控制问题分解为两个解耦的单独子问题。
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第九章机器人编程语言及离线仿真
机器人编程是机器人运动和控制问题的结合点，编程系统的核心问题是操作运动控制问题。本章主要讲解机器人编程的要求和语言类型、语言系统结构和基本功能、机器人离线编程等。
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●9.1机器人编程要求与语言类型
由于机器人的机构和运动与一般的机械都不相同，因而它的程序设计也具有特色，所以对机器人程序设计会有一些特别的要求，本节主要讲解机器人的编程要求，介绍主要的编程语言及类型。
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●9.2机器人语言系统结构和基本功能
跟其他计算机语言一样，机器人语言实际上也是一个语言系统，它既包含了语言本身，又包含了处理系统。本节讲解了机器人语言操作系统的基本操作状态、主要程序模块，并通过具体实例介绍了两种典型的编程语言。
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●9.3机器人离线编程
离线编程是机器人编程里非常重要的一项内容，它具备示教编程所不具备的优点。本节介绍了离线编程的系统组成，并以RoboDK机器人离线仿真软件为例，讲解了离线编程的步骤过程。
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第十章机器人的未来
进入21世纪以来，一般功能的传统工业机器人应用趋于饱和，高级生产和特种领域需要智能机器人参与，促使智能机器人获得较为迅速的发展。本章总结了机器人未来发展的趋势、研究热点，介绍仿生机器人的相关内容，并探讨机器人的伦理。
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●10.1机器人的技术发展与研究热点
本节回顾国内外机器人技术的发展历程，总结了未来机器人发展的八个研究热点。
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●10.2仿生机器人
仿生机器人是近十几年来出现仿生型机器人，主要思想来源于仿生学，是仿生学的先进技术与机器人领域的各种应用的最佳结合，本节介绍了国内外的仿生机器人技术。
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●10.3机器人伦理
说到机器人未来应用时，很多学者都担忧机器人智能是否会超越人类智能机器人发展，会不会威胁到人类生存的问题？本节探讨了机器人会引起哪些社会问题，以及机器人与人类能否和谐共处的问题。
