陶永，男，1979年出生，北京航空航天大学副研究员，博导，2009年毕业于北京航空航天大学机械电子工程专业，获工学博士学位。主要研究方向为智能机器人先进控制技术与集成应用、嵌入式机电一体化控制、智能制造和航空领域发展战略研究等。 在期刊和国际会议上发表论文80余篇，其中SCI收录20余篇，EI/ISTP收录30余篇，申请国家发明专利20余项，已授权12项。主编教材1本，参编3本。

中国机械工程学会机器人分会专家委委员，中国电子学会嵌入式系统与机器人分会专家委专家，中国机电一体化技术应用协会标准化工作委员会专家委员。获得2020年机械工业科学技术奖一等奖“高精度模块化人机协作机器 人关键技术及产业化”；2019年上海市技术发明奖二等奖“基于模块化体系结构的智能移动机器人关键技术及其应用”；、2017年 “江苏省科技进步奖”二等奖；2016年机械工业科学技术奖二等奖1项。“第二届中国科协优秀科技论文”奖、“F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”奖获得者；获得2020 首届全国机械工业设计创新大赛金；2019年中国机电一体化技术应用协会成立30周年“制造好青年奖”。

王田苗，1960年出生，1982年、1984年、1990年分别在西安交通大学大学、西北工业大学获得学士、硕士与博士学位，1990-1995年分别在清华大学智能技术与系统国家重点实验室从事地面移动机器人研究博士后与意大利国家仿生实验室从事医疗外科机器人研究博士后。现为北航机器人研究所教授博导，机械工业服务机器人重点实验室主任与智能技术与机器人工程技术中心主任，校学术委员会副主任委员。曾获得国家教育部特聘教授长江学者，国家杰出青年基金获得者，国务院学位委员会学科评议组成员及国家自然科学基金信息领域评审专家组成员，国防科技机器人创新团队带头人，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，突出专家国务院政府津贴获得者等，曾聘为国家863计划“十五”机器人主题专家组组长、“十一五”先进制造技术领域专家组组长及中国制造业信息化专家组副组长，“十二五”服务机器人重点项目专家组组长，北航机械工程及自动化学院院长，北航机器人研究所所长。

近年来主要从事嵌入式智能感知与控制以及在医疗外科机器人、特种服务机器人等方面理论技术和应用研究。在1997年国内率先开展了医疗外科机器人研究，成功应用于上千例临床应用，2013年参加了第29届南极科

该书将理论和实际相结合，在介绍基础理论和知识的同时，给出了相关的应用示例，用以综合运用本章的内容，同时每章还附有练习题。

第1章绪论

1.1机器人学的起源与发展历史

1.1.1机器人的发展历程

1.1.2机器人技术的研究领域与学科范围

1.1.3机器人的发展趋势

1.2机器人的定义和特点

1.2.1机器人的定义

1.2.2机器人的主要特点

1.3机器人分类与体系结构

1.3.1机器人的分类

1.3.2机器人的体系

1.3.3机器人的三大部件及系统集成设计与应用

1.4机器人的应用环境

1.4.1工业机器人的应用环境

1.4.2服务机器人的应用环境

1.4.3特种机器人的应用环境

1.5机器人学的研究领域

1.5.1机器人驱动、建模与控制

1.5.2传感器与感知系统

1.5.3机器人自动规划与调度

1.5.4机器人控制系统

1.5.5应用研究

本章小结

参考文献

思考题

思考题参考答案

第2章机器人结构与驱动

2.1机器人系统特征与主要参数

2.1.1机器人系统特征

2.1.2机器人系统主要参数

2.2机械结构

2.2.1连杆

2.2.2关节

2.2.3末端执行器

2.3关节传动

2.3.1关节轴承

2.3.2传动装置

2.3.3驱动装置——步进电动机驱动器

2.3.4驱动装置——无刷直流电动机

2.3.5驱动装置——伺服驱动器

2.3.6串联机器人

2.3.7并联机器人

2.3.8串并联机器人

2.4机器人性能

2.4.1机器人性能指标

2.4.2机器人组件的性能与选择

本章小结

参考文献

思考题与练习题

思考题与练习题参考答案

第3章机器人运动学与动力学

3.1位姿描述与齐次变换

3.1.1位置描述

3.1.2姿态描述

3.1.3位姿描述

3.1.4运动坐标系描述

3.1.5齐次坐标变换

3.2正运动学与逆运动学

3.2.1连杆参数与关节变量

3.2.2DH方法与正运动学方程

3.2.3逆运动学方程

3.3雅可比公式

3.3.1雅可比矩阵

3.3.2机器人的微分运动

3.3.3雅可比矩阵的计算

3.4动力学方程

3.4.1拉格朗日法

3.4.2多自由度机器人拉格朗日动力学

3.4.3牛顿欧拉方程

3.5机器人静态特性与动态特性

3.5.1机器人的静态特性

3.5.2机器人的动态特性

本章小结

参考文献

思考题与练习题

思考题与练习题参考答案

第4章机器人传感器与视觉

4.1机器人传感器

4.1.1机器人传感器概述

4.1.2机器人内部传感器

4.1.3机器人外部传感器

4.2机器人视觉及图像处理

4.2.1机器人图像处理技术

4.2.2机器人视觉

4.3机器人视觉核心技术

4.3.1机器人手眼标定

4.3.2机器人位姿估计

4.3.3机器人视觉伺服控制

4.4机器人传感器信息融合

4.4.1机器人多传感器数据融合方法

4.4.2机器人多传感器融合的应用实例

本章小结

参考文献

思考题与练习题

思考题与练习题参考答案

第5章机器人规划与人机交互

5.1机器人任务规划

5.1.1任务规划的作用与问题分解

5.1.2机器人任务规划基本要素

5.1.3机器人规划系统的任务与方法

5.1.4机器人任务规划的发展现状

5.1.5典型的机器人任务规划系统

5.1.6机器人规划系统的任务举例

5.2机器人运动规划方法

5.2.1机器人运动规划的概念与发展现状

5.2.2位形空间

5.2.3障碍

5.2.4图形搜索类规划算法

5.2.5基于人工势场的规划方法

5.3机器人轨迹规划

5.3.1机器人轨迹规划概述与发展现状

5.3.2机器人关节轨迹的插值

5.3.3笛卡儿空间规划方法

5.3.4机器人轨迹的实时生成

5.4人机交互

5.4.1人与机器人交互(HRI)概念和发展现状

5.4.2人机交互技术应用

本章小结

参考文献

思考题与练习题

思考题与练习题参考答案

第6章机器人典型控制算法

6.1PID控制方法

6.1.1PID控制算法原理

6.1.2PID控制算法分类

6.1.3改进型PID控制器

6.1.4PID控制方法的参数整定与自整定

6.2自适应模糊控制算法

6.2.1基本概念

6.2.2基本原理

6.2.3模糊控制器的设计

6.2.4自适应模糊控制器的设计

6.2.5常见的模糊控制器

6.2.6自适应模糊控制器分类

6.2.7自适应模糊控制算法的应用

6.3遗传算法

6.3.1遗传算法发展过程

6.3.2遗传算法原理

6.3.3遗传算法改进

6.3.4遗传算法应用

6.4神经网络算法

6.4.1神经元模型

6.4.2感知机算法及多层神经网络

6.4.3前向传播与反向传播算法

6.4.4寻求最优解

6.4.5常见的神经网络

6.5自学习/深度学习算法

6.5.1深度学习发展史

6.5.2深层全连接神经网络搭建

6.5.3卷积神经网络

6.5.4循环神经网络

6.5.5生成对抗网络

6.5.6新型深度学习模型简介

6.6遥操作与人机交互算法

6.6.1遥操作技术发展

6.6.2基于网络的遥操作机器人系统体系结构

6.6.3遥操作机器人系统时延

6.6.4基于虚拟现实的预测仿真与视频融合技术

本章小结

参考文献

思考题与练习题

思考题与练习题参考答案

第7章机器人的典型应用

7.1工业机器人的典型应用

7.1.1工业机器人概述

7.1.2焊接机器人

7.1.3喷涂机器人

7.1.4搬运及码垛机器人

7.1.5自动导向车

7.1.6机械加工机器人

7.1.7新一代人机协作机器人

7.2服务机器人的典型应用

7.2.1服务机器人概述

7.2.2清洁机器人

7.2.3教育机器人

7.2.4医疗及康复机器人

7.2.5陪护机器人

7.3特种机器人的典型应用

7.3.1特种机器人的概述

7.3.2特殊空间机器人

7.3.3智能无人驾驶汽车

7.3.4军用机器人

7.3.5抢险及搜救机器人

本章小结

参考文献

思考题

思考题参考答案

机器人是多学科交叉与融合的结晶，是新型材料、仿生技术、传感器技术、机械电子技术、自动化控制技术、计算机技术、人工智能与互联网技术等多领域、多学科交叉融合的综合性高科技技术，被认为是对未来国家智能制造、社会发展与民生服务、国防安全等领域发展具有重要意义的前沿战略性高技术之一。 

机器人作为一类智能机器，具有感知、决策、交互与执行等功能与特性，逐步从大学、实验室走向实际应用和产业化； 伴随着工业化革命对生产效率、产品质量、劳动力短缺等迫切需求，随着机器人在工业、科教、医疗、养老、安全、社会等应用领域的不断拓展和深入，机器人已成为人类现代社会中不可或缺的重要伙伴和助手，在过去60多年的研究、开发、制造和应用机器人的过程中，一门新的学科——“机器人学”正在应运而生，机器人学是一门关于机器人理论、技术与系统的学说，是机器人产业和技术发展的基石。

本书作为清华大学出版社机器人系列丛书的导论，是一本关于机器人学概述与入门的图书，本书是该系列丛书的基础，旨在引领读者踏进机器人学的大门，培养对机器人的兴趣，了解机器人的基础知识，推动机器人的应用开发。其中关于机器人的介绍涵盖范围广泛，但限于篇幅不能详细展开，部分内容在系列丛书的其他书目中将有详细讲述。

本书是一部较为系统的机器人学引导性教材，涉及机器人学的概况、发展历史、运动学与动力学、传感器、规划与人机交互、典型控制算法、典型应用等内容。真诚希望本书能为机器人领域的读者和相关人员提供一个系统的总体概况介绍，为其后续的深入学习和研究奠定坚实的理论基础。本书可作为本科生及研究生的基础课程教材，也可作为机器人学领域研究人员以及工程师的参考资料。

本书内容主要由三部分组成。

第一部分介绍机器人的定义与体系，包含第1章绪论，介绍机器人学的起源与发展、机器人的定义与分类、机器人学的主要研究领域、应用环境和重要意义。

第二部分主要介绍机器人的科学问题与核心关键技术，包含第2~6章，详细讲解机器人学领域的主要科学问题和关键技术，包括机构与驱动、运动学与动力学、传感器与视觉、规划与人机交互、典型的控制算法等。其中，第2章机器人结构与驱动，对机器人的机构与驱动进行系统的介绍，通过学习，掌握机器人机构的基本特征、分类方式等知识，帮助读者构建对机器人建模的基本框架。第3章机器人运动学与动力学，介绍机器人位姿的描述和齐次坐标的表示，是运动学分析的数学基础，然后讲述机器人运动学的正逆问题，重点介绍DH方法建立机器人运动学过程，并介绍机器人的静态特性与动态特性。第4章机器人传感器与视觉，重点介绍机器人传感器的原理、分类，重点介绍典型的内部、外部传感器及其特点，图像处理、视觉技术和多传感器信息融合方法等内容。第5章机器人规划与人机交互，主要介绍机器人的任务规划、运动规划、路径规划和人机交互等方面知识，包含机器人任务规划的作用、规划系统的任务与方法，图形搜索、人工势场等典型的机器人运动规划方法，关节空间和工作空间中机器人运动规划和轨迹生成方法，典型的人与机器人之间的交互方式。第6章机器人典型控制算法，面向人工智能技术正在越来越多地用于机器人的控制，重点介绍PID控制方法、自适应模糊控制算法、遗传算法、神经网络算法、自学习/深度学习算法等基础知识及其在机器人控制中的典型应用，并对机器人的遥操作与人机交互算法进行简要介绍。

第三部分介绍机器人的典型应用，包含第7章机器人的典型应用。通过丰富的案例介绍智能机器人在各领域的典型应用，涵盖工业机器人、服务机器人和特种机器人的关键核心技术、前沿科技以及典型的应用案例。

本书的第1章、第2章由侯涛刚博士参与编写，第3章由孙文成、聂磊参与编写，第4章由谢先武、张强参与编写，第5章由房增亮、邹遇、任帆参与编写，第6章由刘文勇老师参与编写，第7章由刘辉、江山、陈超勇参与编写，在此对他们的帮助表示衷心的感谢。

本书得到科技部高技术发展研究中心刘进长研究员，我国的机器人领域专家张钹、王天然、蔡鹤皋、封锡盛、熊有伦、丁汉、王耀南、蔡自兴、李泽湘、赵杰、谭民、黄田、黄强、孙立宁、王耀南、于海斌、乔红、王树新、刘成良、韩建达、金亚萍、孙富春、曲道奎、徐方、许礼进、刘景泰、侯增广、熊蔡华、方勇纯、段星光、陈殿生、熊蓉、欧勇盛、王伟等同行提供的帮助与建议，在此，编者表示深深的敬意。

在本书的编写过程中，参考了国内外出版的大量书籍和论文，编者对相关国内外机器人学专著、教材和有关论文的作者深表感谢。

机器人学是一门复杂的交叉综合性学科，涉及专业知识范围广，由于编者水平有限，书中难免有不足和错误之处，恳请读者批评指正。

陶永王田苗

2020年12月于北京航空航天大学新主楼