本书系统介绍了机器人的基本组成和工作原理。全书共分10章。其中第1章介绍必要的基础知识，如机器人的发展历史、机器人的组成与特点、机器人语言及机器人应用等。第2章和第3章分析机器人的运动学。第4章分析机器人的动力学。第5章讨论机器人在关节空间和直角坐标空间的路径和轨迹规划。第6章介绍机器人的运动控制。第7章介绍机器人的各种驱动装置，如液压和气动装置、直流伺服电机及步进电机等。第8章讨论用于机器人的各种传感器。第9章介绍机器人视觉系统。第10章介绍用于机器人的模糊控制方法。该书每章后面均给出设计项目，将理论与实际相结合，用以综合运用本章的内容，同时每章后面还附有参考文献和习题。

本书全面、简明地介绍了机器人的力学和运动学，包括机器人运动学、微分运动、机器人动力学和轨迹规划，还介绍了微处理器的应用、控制系统、视觉传感器和驱动器，使得该书对机械工程师、电子和电气工程师、计算机工程师及工程技术人员都很有用。同时，书中也为学生和机器人爱好者提供了许多设计项目的构想，内容从机器人的分析到设计，以及驱动器到视觉系统。该书还对模糊逻辑控制进行了简要的介绍。关于控制的一章给出了足够的材料，从而使学习控制系统课程的学生可以更好地理解机器人的控制和设计。

本书全面、简明地介绍了机器人的力学和运动学，包括机器人运动学、微分运动、机器人动力学和轨迹规划，还介绍了微处理器的应用、控制系统、视觉传感器和驱动器，使得该书对机械工程师、电子和电气工程师、计算机工程师及工程技术人员都很有用。同时，书中也为学生和机器人爱好者提供了许多设计项目的构想，内容从机器人的分析到设计，以及驱动器到视觉系统。该书还对模糊逻辑控制进行了简要的介绍。关于控制的一章给出了足够的材料，从而使学习控制系统课程的学生可以更好地理解机器人的控制和设计。

本书特色
● 全面介绍了机器人运动学、动力学和重要的机器人子系统。
● 介绍了微处理器和机械电子机器人的应用，并用整章篇幅讨论了视觉系统的图像处理和图像分析。
● 包含了面向应用的设计项目、大量的示例及习题。
● 在第2章的末尾介绍了一个实际的设计项目，并在后续各章末尾均要求读者将所学知识运用于该设计实例，其用意在于使读者学完本书后，能设计出一个完整的机器人。

前言
本书是一本介绍机器人学的教材的第二版，它不仅包含第一版的全部内容和特点，而且增加了更多的例子和习题、更新的项目及更详实的内容。另外，还增加了关于自动控制和机器人控制的一些章节，以及可供下载的名为SimulationX的商用软件系统的信息。
几年前我的一个学生曾经说过:在每个产品的生命周期中，都会有选定设计者并将产品投入生产的时刻。冶没有哪本书是十全十美的，每本书都有它与众不同的地方。这本书也是这样，该书的意图是为工科的本科生或有实际经验的工程师提供必备的知识，以使他们能够熟悉机器人学，懂得机器人，并能设计机器人，以及能将机器人集成到一个具体的应用场合。基于此，本书包括了机器人学所有必要的基础知识、机器人部件和子系统及机器人应用等内容。
本书主要作为高年级本科生或研究生机器人学基础课程的教材，也可作为希望学习机器人的广大科技工作者的参考书。本书包含了相当多的机械学和运动学的内容，此外还包含微处理器的应用、控制系统、视觉系统、传感器及驱动器等方面的内容。因此，本书也是机械工程师、电子和控制工程师、计算机工程师和工程技术专家们理想的参考书籍。本书新的章节涉及一些控制理论，即使一些学生没有学过控制课程，也能够从本书学到足够的知识，从而懂得机器人的控制和设计。
本书共分10 章。第1章通过引言使读者了解学习本书内容需用到的背景知识。这些知识包括机器人的发展历史、构成、特征、语言及应用等。第2章讨论机器人的正向和逆向运动学，内容包括坐标的描述、变换、位姿分析及机器人运动学的D-H(Denavit Hartenberg)描述。第3章阐述了机器人及坐标的微分运动和速度分析。第4章包含机器人动力学和相关力的分析，用拉格朗日力学作为主要的分析和研究方法。第5章介绍了关节空间和直角坐标空间的路径和轨迹规划。第6章介绍了控制工程的基本知识，包含分析和设计工具，其中讨论了根轨迹，比例、微分和积分控制，以及机电系统的建模。第6章也包含了多端输入输出(MIMO)系统、数字系统及非线性系统。然而，学生要想实际地设计系统，还需要更多的知识和指导。在这个环节上，一章是不够的。由于没有单独的控制工程课程设置，所以这一章可以作为很好的入门课程。第7章涉及了驱动装置，包括液压装置、直流伺服电机、步进电机、气动装置和各种不同的新型驱动装置，本章也包括这些驱动装置的微处理控制器。尽管这本书不是主要针对机械电子学方面的书，但它介绍了很多关于机械电子学的内容。除了微处理器的设计，许多机械电子的应用都在这一章进行了介绍。第8章讨论了在机器人及机器人应用中使用的传感器。第9章覆盖了视觉系统的内容，包括许多在图像处理及分析中运用的技术。第10章讨论了模糊逻辑的基本原理和模糊逻辑在微处理器的控制及机器人学中的应用。虽然本章没有进行全面的分析，但有基本的介绍。可以相信，对机器人产生兴趣的学生或工程技术人员一定会继续他们的学习。附录A回顾了矩阵代数的和本书中用到的其他数学工具。附录B讨论图像采集。附录C讨论MATLAB 在控制工程中的应用。附录D介绍了可以用来建模和仿真机器人及其动力学的商用软件，学生版可以免费使用。涉及机器人仿真软件，相应的程序和相关辅导也是免费提供的。
本书大部分内容作为一门课程，在加州州立理工大学用10周时间学完，每周四个单元，其中三个单元每次授课1学时，另一单元为3学时的实验。一般可安排为一个学期的课程。
以下是一学期（四学期/年）的机器人学课程的安排，某些内容需进行相应的删除或简化：
● 基本内容介绍和复习：3学时
● 位置运动学：7学时
● 微分运动：4学时
● 机器人动力学和力控制：2学时
● 路径和轨迹规划：1学时
● 驱动装置：3学时
● 传感器：3学时
● 视觉系统：5学时
● 模糊逻辑：1学时
考试和复习：1学时
对于一个包含14周的学期，每周3学时，课程安排如下：
● 基本内容介绍和复习：3学时
● 位置运动学：7学时
● 微分运动：5学时
● 机器人动力学和力控制：5学时
● 路径和轨迹规划：3学时
● 机器人控制及模拟：5学时
● 驱动装置：5学时
● 传感器：2学时
● 视觉系统：5学时
● 模糊逻辑：1学时
考试和复习：1学时
本书的设计项目从第2章开始贯穿全书。从第2章开始，在各章末尾要求学生结合本章内容继续前面的设计，直到全书结束，一个完整的机器人就设计出来了。
在此我要感谢所有帮助过我的人。包括我的同事Bill Murray，Charles Birdsong，Lynne Slivovsky和John Ridgely，以及无数做过研究、开发和大量工作的个人，他们的工作让我更好地研究了这个课题。大量的学生、用户和不知名的评阅人所提出的许多意见对改进原稿起到了巨大的作用，这中间包括Thomas Cavicchi，Ed Foley，以及在加州州立理工大学进行课题设计和开发的学生，也包括一个机器人俱乐部。我还要感谢John Wiley ＆ Sons的编辑Mike McDonald，他在第二版的出版中起到了巨大的作用，Renata Marchione，Don Fowley，Linda Ratts和Yee Lyn Song 也在全过程中给予了巨大支持。还要感谢帮助这本书编辑出版的编辑和艺术家们。我还想感谢在Prentice Hall帮助我们出版的工作人员。最后，我想感谢我的家人Shoherh，Adam和Alan，很抱歉我把本应该和他们在一起的时光用在了整理本书资料的工作上。对于所有以上提到的人，我在此表示诚挚的感谢。
我希望你们都能喜欢这本书，更重要的是希望大家能学习本书，并通过学习而感受到从事机器人相关研究的乐趣。

Saeed B. Niku是位于美国圣路易斯奥比斯波的加州州立科技大学的机械工程教授，他自1983年起，教授了力学、机器人学和设计等课程。主要研究领域包括：机械学、机械设计、机器人等。他在机器人、视觉系统、产品和系统设计、工程教育及为残疾人的设计等方面出版了许多书籍和发表了许多论文。
Saeed B. Niku是位于美国圣路易斯奥比斯波的加州州立科技大学的机械工程教授，他自1983年起，教授了力学、机器人学和设计等课程。主要研究领域包括：机械学、机械设计、机器人等。他在机器人、视觉系统、产品和系统设计、工程教育及为残疾人的设计等方面出版了许多书籍和发表了许多论文。

第1章 基础知识
1.1 引言
1.2 什么是机器人
1.3 机器人的分类
1.4 什么是机器人学
1.5 机器人的发展历史
1.6 机器人的优缺点
1.7 机器人的组成部件
1.8 机器人的自由度
1.9 机器人关节
1.10 机器人的坐标
1.11 机器人的参考坐标系
1.12 机器人的编程模式
1.13 机器人的性能指标
1.14 机器人的工作空间
1.15 机器人语言
1.16 机器人的应用
1.17 其他机器人及其应用
1.18 机器人的社会问题
小结
参考文献
习题

第2章 机器人位置运动学
2.1 引言
2.2 机器人机构
2.3 符号规范
2.4 机器人运动学的矩阵表示
2.4.1 空间点的表示
2.4.2 空间向量的表示
2.4.3 坐标系在固定参考坐标系原点的表示
2.4.4 坐标系在固定参考坐标系中的表示
2.4.5 刚体的表示
2.5 齐次变换矩阵
2.6 变换的表示
2.6.1 纯平移变换的表示
2.6.2 绕轴纯旋转变换的表示
2.6.3 复合变换的表示
2.6.4 相对于旋转坐标系的变换
2.7 变换矩阵的逆
2.8 机器人的正逆运动学
2.9 位置的正逆运动学方程
2.9.1 直角(台架)坐标
2.9.2 圆柱坐标
2.9.3 球坐标
2.9.4 链式坐标
2.10 姿态的正逆运动学方程
2.10.1 滚动角、俯仰角和偏航角
2.10.2 欧拉角
2.10.3 链式关节
2.11 位姿的正逆运动学方程
2.12 机器人正运动学方程的D-H表示
2.13 机器人的逆运动学解
2.13.1 链式机器人臂的一般解
2.14 机器人的逆运动学编程
2.15 机器人的退化和灵巧特性
2.15.1 退化
2.15.2 灵巧
2.16 D-H表示法的基本问题
2.17 设计项目
2.17.1 3自由度机器人
2.17.2 3自由度移动机器人
小结
参考文献
习题

第3章 微分运动和速度
3.1 引言
3.2 微分关系
3.3 雅可比矩阵
3.4 微分运动与大范围运动
3.5 坐标系的微分运动与机器人的微分运动
3.6 坐标系微分运动
3.6.1 微分平移
3.6.2 绕参考轴的微分旋转
3.6.3 绕一般轴q的微分旋转
3.6.4 坐标系的微分变换
3.7 微分变化的解释
3.8 坐标系之间的微分变化
3.9 机器人及机器人手坐标系的微分运动
3.10 雅可比矩阵的计算
3.11 如何建立雅可比矩阵和微分算子之间的关联
3.12 雅可比矩阵求逆
3.13 设计项目
3.13.1 3自由度机器人
3.13.2 3自由度移动机器人
小结
参考文献
习题

第4章 动力学分析和力
4.1 引言
4.2 拉格朗日力学的简短回顾
4.3 有效转动惯量
4.4 多自由度机器人的动力学方程
4.4.1 动能
4.4.2 势能
4.4.3 拉格朗日函数
4.4.4 机器人运动方程
4.5 机器人的静力分析
4.6 坐标系间力和力矩的变换
4.7 设计项目
小结
参考文献
习题

第5章 轨迹规划
5.1 引言
5.2 路径与轨迹
5.3 关节空间描述与直角坐标空间描述
5.4 轨迹规划的基本原理
5.5 关节空间的轨迹规划
5.5.1 三次多项式轨迹规划
5.5.2 五次多项式轨迹规划
5.5.3 抛物线过渡的线性段
5.5.4 具有中间点及用抛物线过渡的线性段
5.5.5 高次多项式运动轨迹
5.5.6 其他轨迹
5.6 直角坐标空间的轨迹规划
5.7 连续轨迹记录
5.8 设计项目
小结
参考文献
习题

第6章 运动控制系统
6.1 引言
6.2 基本组成和术语
6.3 结构图
6.4 系统动力学
6.5 拉普拉斯变换
6.6 拉普拉斯反变换
6.6.1 F(s)的极点无重根时的部分分式展开
6.6.2 F(s)的极点含重根时的部分分式展开
6.6.3 F(s)的极点含共轭复根时的部分分式展开
6.7 传递函数
6.8 结构图代数
6.9 一阶传递函数的特性
6.10 二阶传递函数的特性
6.11 特征方程：零极点分布
6.12 稳态误差
6.13 根轨迹法
6.14 比例控制器
6.15 比例积分控制器
6.16 比例加微分控制器
6.17 比例积分微分（PID）控制器
6.18 超前和滞后补偿器
6.19 伯德图和频域分析
6.20 开环和闭环表示的应用对比
6.21 多输入多输出系统
6.22 状态空间控制方法
6.23 数字控制
6.24 非线性控制系统
6.25 机电系统动力学：机器人驱动和控制
6.26 设计项目
小结
参考文献
习题

第7章 驱动器和驱动系统
7.1 引言
7.2 驱动系统的特性
7.2.1 标称特性
7.2.2 刚度和柔性
7.2.3 使用减速齿轮
7.3 驱动系统的比较
7.4 液压驱动器
7.5 气动装置
7.6 电机
7.6.1 交流型和直流型电机的基本区别
7.6.2 直流电机
7.6.3 交流电机
7.6.4 无刷直流电机
7.6.5 直接驱动电机
7.6.6 伺服电机
7.6.7 步进电机
7.7 电机的微处理器控制
7.7.1 脉冲宽度调制
7.7.2 采用H桥的直流电机转向控制
7.8 磁致伸缩驱动器
7.9 形状记忆金属
7.10 电活性聚合物（EAP）
7.11 减速器
7.12 其他系统
7.13 设计项目
7.13.1 设计项目1
7.13.2 设计项目2
7.13.3 设计项目3
7.13.4 设计项目4
小结
参考文献
习题

第8章 传感器
8.1 引言
8.2 传感器特性
8.3 传感器的使用
8.4 位置传感器
8.4.1 电位器
8.4.2 编码器
8.4.3 线位移差动变压器
8.4.4 旋转变压器
8.4.5 传输时间测量（磁反射）型位移传感器
8.4.6 霍尔传感器
8.4.7 其他装置
8.5 速度传感器
8.5.1 编码器
8.5.2 测速计
8.5.3 位置信号微分
8.6 加速度传感器
8.7 力和压力传感器
8.7.1 压电晶体
8.7.2 力敏电阻
8.7.3 应变片
8.7.4 防静电泡沫
8.8 力矩传感器
8.9 微动开关
8.10 可见光和红外传感器
8.11 接触和触觉传感器
8.12 接近觉传感器
8.12.1 磁感应接近觉传感器
8.12.2 光学接近觉传感器
8.12.3 超声波接近觉传感器
8.12.4 感应式接近觉传感器
8.12.5 电容式接近觉传感器
8.12.6 涡流接近觉传感器
8.13 测距仪
8.13.1 超声波测距仪
8.13.2 光测距仪
8.13.3 全球定位系统（GPS）
8.14 嗅觉传感器
8.15 味觉传感器
8.16 视觉系统
8.17 语音识别装置
8.18 语音合成器
8.19 远程中心柔顺装置
8.20 设计项目
小结
参考文献

第9章 视觉系统图像处理和分析
9.1 引言
9.2 基本概念
9.2.1 图像处理与图像分析
9.2.2 二维和三维图像
9.2.3 图像的本质
9.2.4 图像的获取
9.2.5 数字图像
9.2.6 频域和空域
9.3 信号的傅里叶变换及频谱
9.4 图像的频谱：噪声和边缘
9.5 分辨率和量化
9.6 采样理论
9.7 图像处理技术
9.8 图像直方图
9.9 阈值处理
9.10 空域操作：卷积掩模
9.11 连通性
9.12 降噪
9.12.1 采用卷积掩模的邻域平均
9.12.2 图像平均
9.12.3 频域
9.12.4 中值滤波器
9.13 边缘检测
9.14 锐化图像
9.15 霍夫变换
9.16 分割
9.17 基于区域增长和区域分解的分割
9.18 二值形态操作
9.18.1 加厚操作
9.18.2 扩张操作
9.18.3 腐蚀操作
9.18.4 骨架化
9.18.5 放缩操作
9.18.6 缩放操作
9.18.7 填充操作
9.19 灰度形态操作
9.19.1 腐蚀操作
9.19.2 扩张操作
9.20 图像分析
9.21 基于特征的物体识别
9.21.1 用于物体辨识的基本特征
9.21.2 矩
9.21.3 模板匹配
9.21.4 离散傅里叶描述算子
9.21.5 计算机断层造影
9.22 视觉系统中的深度测量
9.22.1 场景分析与映射
9.22.2 距离检测和深度分析
9.22.3 立体成像
9.22.4 利用阴影和大小进行场景分析
9.23 特殊光照
9.24 图像数据压缩
9.24.1 帧内空域技术
9.24.2 帧间编码技术
9.24.3 压缩技术
9.25 彩色图像
9.26 启发式方法
9.27 视觉系统的应用
9.28 设计项目
小结
参考文献
习题

第10章 模糊逻辑控制
10.1 引言
10.2 模糊控制需要什么
10.3 清晰值与模糊值
10.4 模糊集合：隶属度与真值度
10.5 模糊化
10.6 模糊推理规则库
10.7 清晰化
10.7.1 重心法
10.7.2 Mamdani推理法
10.8 模糊逻辑控制器的仿真
10.9 模糊逻辑在机器人中的应用
10.10 设计项目
小结
参考文献
习题

附录A 矩阵代数和三角学复习
附录B 图像采集系统
附录C 采用MATLAB的根轨迹和伯德图
附录D 利用商用软件的机器人仿真