本书介绍机器人学的基本原理及其应用，全面反映国内外机器人学研究和应用的最新进展，是一部系统和全面的机器人学著作和教材。本书共12章，内容涉及机器人学的概况、数理基础、运动学、动力学、位置和力控制、高级控制、传感器、高层规划、轨迹规划、程序设计、应用和展望等内容。 该书对第二版进行了全面的修订与补充，在保持第二版丰富内容和明显特色的基础上，特别更新了机器人研究发展状况及机器人技术和市场信息，修改了机器人运动方程的表示（正向运动学）和机器人运动方程的求解（逆向运动学），增加了激光雷达和基于MATLAB的机器人学仿真等内容。 本书特别适合作为高年级本科生和研究生的机器人学教材，也适合从事机器人学研究、开发和应用的科技人员学习参考。
机器人成为人类社会的现实已经60多年了。作为一门高度交叉的前沿学科，机器人学已引起越来越多的具有不同背景人们的广泛兴趣，进行深入研究，并获得快速发展，取得令人注目的成就。进入21世纪以来，工业机器人产业发展速度加快，年增长率达到30%左右。其中，亚洲工业机器人增长速度最为突出，高达43%，工业机器人市场前景看好。中国有望成为世界最大的机器人市场。近年来，世界主要机器人大国正在雄心勃勃和争先恐后地发展智能机器人技术，这必将促进国际机器人研究与应用进入一个新的时期，推动机器人技术达到一个新的水平。
本书介绍机器人学的基本原理及其应用，是一部系统和全面的机器人学著作。全书共12章，涉及机器人学的概况、数理基础、运动学、动力学、控制、规划、编程、应用和展望等内容。第一章简述机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类，探讨机器人学的研究领域。第二章讨论机器人学的数理基础，包括空间质点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换，以及通用旋转变换等。第三章阐述机器人运动方程的表示与求解，即机器人正向运动学和逆向运动学问题，包括机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换短阵的表示，代数解法、几何解法、欧拉变换、滚仰偏变换和球面变换等求解方法以及机器人微分运动及其雅可比矩阵等。第四章涉及机器人动力学方程、动态特性和静态特性；着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿欧拉动态平衡法，然后总结出建立拉格朗日方程的步骤，并以二连杆和三连杆机械手为例推导出机械手动力学方程；最后探讨机器人的动态特性和静态特性。第五章研究机器人的位置和力控制，包括机器人的控制原则和控制方法、传动系统结构、位置伺服控制、位置和力混合控制、柔顺控制和分解运动控制等。第六章探讨机器人的高级控制，涉及机器人的变结构控制、自适应控制和智能控制等。第七章介绍机器人传感器的特点与分类、各种典型的机器人内传感器和外传感器的工作原理。第八章讨论机器人高层规划问题。在说明机器人规划的作用和任务之后，从积木世界的机器人规划入手，逐步深入开展对机器人规划的讨论，包括规则演绎法、逻辑演算和通用搜索法及基于专家系统的规划等；在机器人路径规划方面，本章在阐明机器人路径规划的主要方法和发展趋势之后，着重介绍了作者科研团队的一些研究新成果，如基于近似Voronoi图的机器人路径规划、基于模拟退火算法的机器人局部路径规划、基于免疫进化和示例学习的机器人路径规划和基于蚁群算法的机器人路径规划等。第九章讨论机器人轨迹规划问题，着重研究关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。第十章概括论述机器人的程序设计，研究对机器人编程的要求和分类、机器人语言系统的结构和基本功能、几种重要的专用机器人语言和MATLAB机器人学仿真工具，以及机器人的离线编程等。第十一章探讨机器人的应用问题，论述应用机器人必须考虑的因素和采用机器人的步骤，分析机器人的应用领域，涉及工业机器人、探索机器人、服务机器人和军事机器人等。第十二章分析机器人学的现状，展望机器人学的未来，包括国内外机器人技术和市场的最新发展状态和预测、机器人技术的发展趋势、各国雄心勃勃的机器人发展计划和应用机器人引起的社会问题等，并提出克隆技术对智能机器人的挑战问题。每章最后均附有习题，供教师选用和学生练习。书末附有参考文献和英汉术语对照表，有助于学生深入研究和阅读机器人学的英文文献。
本书特别适合作为本科生教材。当作为本科生教材时，可以跳过一些偏难内容章节不用；当作为研究生教材时，教师可补充一些反映最新研究进展的学术论文和专题研究资料。本书也适合从事机器人学研究、开发和应用的科技人员学习参考。
本书第一版由蔡自兴编著。第二版和第三版由蔡自兴全面负责编写、修订和统稿；其中，邹小兵、李枚毅、郑敏捷、黄明登和赵慧等参加了第八章第五节的编写。谢斌参加了第三版修订大纲的讨论，并修订了第三章第一节和第二节及第十章第五节。江南大学李挺合作参加了第三版第三章第一节的修订。程波、吴冰璐等参加部分插图的绘制工作。
在本书编写和出版过程中，得到众多领导、专家、教授、朋友和学生的热情鼓励和帮助。宋健院士的代序和张启先院士的序，一直是对本书作者和广大读者的极大支持和厚爱。许多机器人专家、高校师生和读者一直关心本书的编著和使用，并提出一些十分中肯的建议。这些都是对作者的很大帮助，使我们深受鼓舞。在此特向有关领导、专家、合作者、师生和广大读者致以衷心的感谢。我还要特别感谢部分国内外机器人学专著、教材和有关论文的作者们。
本书是在《机器人学》第二版的基础上经过全面修订和补充而成。本次特别对第三章（机器人运动学）、第十章（机器人程序设计）和第十二章（机器人学展望）进行重点修订，更新和统一了全书的符号表示，并对全书进行了全面勘误，使本书质量获得进一步提高。书中不足之处，希望得到各位专家和广大读者的批评指正。
第一章 绪论
1.1 机器人学的起源与发展
1.1.1 机器人学的起源
1.1.2 机器人学的发展
1.2 机器人的定义和特点
1.2.1 机器人的定义
1.2.2 机器人的主要特征
1.3 机器人的构成与分类
1.3.1 机器人系统的构成
1.3.2 机器人的自由度
1.3.3 机器人的分类
1.4 机器人学的研究领域
1.5 本书概要
1.6 本章小结
习题1
第二章 数学基础
2.1 位姿和坐标系描述
2.2 平移和旋转坐标系映射
2.3 平移和旋转齐次坐标变换
2.4 物体的变换和变换方程
2.5 通用旋转变换
2.6 本章小结
习题2
第三章 机器人运动学
3.1 机器人运动方程的表示
3.1.1 机械手运动姿态和方向角的表示
3.1.2 平移变换的不同坐标系表示
3.1.3 广义连杆和广义变换矩阵
3.1.4 建立连杆坐标系的步骤和举例
3.2 机器人运动方程的求解
3.2.1 逆运动学求解的一般问题
3.2.2 逆运动学的代数解法与几何解法
3.2.3 逆运动学的其他解法
3.3 机器人运动的分析与综合举例
3.3.1 机器人正向运动学举例
3.3.2 机器人逆向运动学举例
3.4 机器人的雅可比公式
3.4.1 机器人的微分运动
3.4.2 雅可比矩阵的定义与求解
3.4.3 机器人雅可比矩阵计算举例
3.5 本章小结
习题3
第四章 机器人动力学
4.1 刚体的动力学方程
4.1.1 刚体的动能与位能
4.1.2 拉格朗日方程和牛顿欧拉方程
4.2 机械手动力学方程的计算与简化
4.2.1 质点速度的计算
4.2.2 质点动能和位能的计算
4.2.3 机械手动力学方程的推导
4.2.4 机械手动力学方程的简化
4.3 机械手动力学方程举例
4.3.1 二连杆机械手动力学方程
4.3.2 三连杆机械手的速度和加速度方程
4.4 机器人的动态特性
4.4.1 动态特性概述
4.4.2 稳定性
4.4.3 空间分辨度
4.4.4 精度
4.4.5 重复性
4.5 机械手的静态特性
4.5.1 静力和静力矩的表示
4.5.2 不同坐标系间静力的变换
4.5.3 关节力矩的确定
4.5.4 负荷质量的确定
4.6 本章小结
习题4
第五章 机器人位置和力控制
5.1 机器人控制与传动概述
5.1.1 机器人控制的分类、变量与层次
5.1.2 机器人传动系统
5.2 机器人的位置控制
5.2.1 直流控制系统原理与数学模型
5.2.2 机器人位置控制的一般结构
5.2.3 单关节位置控制器的结构与模型
5.2.4 多关节位置控制器的耦合与补偿
5.3 机器人的力和位置混合控制
5.3.1 柔顺运动与柔顺控制
5.3.2 主动阻力控制
5.3.3 力和位置混合控制方案和规律
5.3.4 柔顺运动位移和力混合控制的计算
5.4 机器人的分解运动控制
5.4.1 分解运动控制原理
5.4.2 分解运动速度控制
5.4.3 分解运动加速度控制
5.4.4 分解运动力控制
5.5 本章小结
习题5
第六章 机器人高级控制
6.1 机器人的变结构控制
6.1.1 变结构控制的特点和原理
6.1.2 机器人的滑模变结构控制
6.1.3 机器人轨迹跟踪滑模变结构控制
6.2 机器人的自适应控制
6.2.1 自适应控制器的状态模型和结构
6.2.2 机器人模型参考自适应控制器
6.2.3 机器人自校正自适应控制器
6.2.4 机器人线性摄动自适应控制器
6.3 机器人的智能控制
6.3.1 智能控制与智能控制系统概述
6.3.2 主要智能控制系统简介
6.3.3 机器人自适应模糊控制
6.3.4 多指灵巧手的神经控制
6.4 本章小结
习题6
第七章 机器人传感器
7.1 机器人传感器概述
7.1.1 机器人传感器的特点与分类
7.1.2 应用传感器时应考虑的问题
7.2 内传感器
7.2.1 位移（位置）传感器
7.2.2 速度和加速度传感器
7.2.3 力觉传感器
7.3 外传感器
7.3.1 触觉传感器
7.3.2 应力传感器
7.3.3 接近度传感器
7.3.4 其他外传感器
7.4 机器人视觉装置
7.4.1 机器人眼
7.4.2 视频信号数字变换器
7.4.3 固态视觉装置
7.4.4 激光雷达
7.5 本章小结
习题7
第八章 机器人高层规划
8.1 机器人规划概述
8.1.1 规划的作用与问题分解途径
8.1.2 机器人规划系统的任务与方法
8.2 积木世界的机器人规划
8.2.1 积木世界的机器人问题
8.2.2 积木世界机器人规划的求解
8.3 基于消解原理的机器人规划系统
8.3.1 STRIPS系统的组成
8.3.2 STRIPS系统规划过程
8.3.3 含有多重解答的规划
8.4 基于专家系统的机器人规划
8.4.1 规划系统的结构和机理
8.4.2 ROPES机器人规划系统
8.5 机器人路径规划
8.5.1 机器人路径规划的主要方法和发展趋势
8.5.2 基于近似Voronoi图的机器人路径规划
8.5.3 基于模拟退火算法的机器人局部路径规划
8.5.4 基于免疫进化和示例学习的机器人路径规划
8.5.5 基于蚁群算法的机器人路径规划
8.6 本章小结
习题8
第九章 机器人轨迹规划
9.1 轨迹规划应考虑的问题
9.2 关节轨迹的插值计算
9.3 笛卡儿路径轨迹规划
9.4 规划轨迹的实时生成
9.5 本章小结
习题9
第十章 机器人程序设计
10.1 机器人编程要求与语言类型
10.1.1 对机器人编程的要求
10.1.2 机器人编程语言的类型
10.2 机器人语言系统结构和基本功能
10.2.1 机器人语言系统的结构
10.2.2 机器人编程语言的基本功能
10.3 常用的机器人编程语言
10.3.1 VAL语言
10.3.2 SIGLA语言
10.3.3 IML语言
10.3.4 AL语言
10.4 机器人的离线编程
10.4.1 机器人离线编程的特点和主要内容
10.4.2 机器人离线编程系统的结构
10.4.3 机器人离线编程仿真系统HOLPSS
10.5 基于MATLAB的机器人学仿真
10.6 本章小结
习题10
第十一章 机器人应用
11.1 应用工业机器人必须考虑的因素
11.1.1 机器人的任务估计
11.1.2 应用机器人三要素
11.1.3 使用机器人的经验准则
11.1.4 采用机器人的步骤
11.2 机器人的应用领域
11.2.1 工业机器人
11.2.2 探索机器人
11.2.3 服务机器人
11.2.4 军事机器人
11.3 工业机器人应用举例
11.3.1 材料搬运机器人
11.3.2 焊接机器人
11.3.3 喷漆机器人
11.4 本章小结
习题11
第十二章 机器人学展望
12.1 机器人技术和市场的现状及预测
12.2 机器人技术的发展趋势
12.3 各国雄心勃勃的发展机器人计划
12.4 应用机器人引起的社会问题
12.5 克隆技术对智能机器人的挑战
12.6 本章小结
习题12
参考文献
英汉对照术语表
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