第一章绪论

本章主要针对机器人发展历史，机器人分类、机器人特点、机器人三大原则、机器人三大子系统和常见工业机器人结构进行初步阐述，让学生对工业机器人对工业机器人有一个初步的认知和了解。

●1.1机器人及其三原则

本节内容主要讲解了机器人的发展历程，介绍了机器人的历史起源，机器人在生活和科学中的广泛使用。阐述了科学界认可的机器人的三大特点，总结了三代机器人：示教再现、感觉和智能机器人的应用和特点。最后结合中国制造2025三步走计划点明机器人在中国制造中的重要地位。

●1.2工业机器人子系统及常见工业机器人结构

本节内容将机器人系统囊括为三大子系统：运动子系统、识别子系统和控制子系统，并进行了比较深入的介绍。另外，根据机器人臂部的运动形式，介绍了四种常用的机器人直角坐标型、圆柱坐标型（如SCARA）、球坐标型和关节型机器人及其应用场合，对于了解工业机器人有一定的指导作用。

第二章串联机器人

随着人类社会与科技的不断发展进步，机器人已经在各个领域得到了应用和发展，给人们的生活带来了极大的便利，同时机器人在很大程度上也是对一个国家的发展水平很好的体现。本章节主要介绍了串联机器人的构成以及其应用，以此来了解这一种类机器人在实际生产中的地位和作用。

●2.1定义组成与分类应用

本节以理论和实例分析，介绍了串联机器人的构成以及运动方式。串联机器人和机器人控制器、人机交互平台、PLC等结构构成机器人工作站来分别完成不同的任务。串联机器人可以适应各种恶劣环境代替人工，并呈现人机合作、人机协同、人机共融的发展趋势。

●2.2主要技术指标

本节着重介绍了串联机器人的几个主技术指标，包括关节的运动范围、工作空间、安装方式、腕部负载及手臂荷重、节拍时间、重复性和位姿准确度。根据实际需求不同，选型时也需要选择不同偏向机器人。

●2.3四大关键技术

如何提高串联机器人的可靠性、性价比是人们所关心的重大问题。本节主要从串联机器人的减速器、控制器、伺服系统和传感器4个关键技术介绍了各个部件的优缺点和选型方法，进而促进了串联机器人的可靠性以及性价比的提高。

第三章并联机器人

目前，工业机器人已成为现代化智能制造系统不可或缺的一种自动化设备，在工农业、医疗服务和飞机生产制造等诸多高端行业有及其光明的前景。本章主要介绍了并联机器人的定义及特点，并重点学习了5种常见并联机器人结构。与传统串联机器人相比较，并联机器人控制精度高，刚度大，在并联机床等领域应用较多。然而并联机器人的工作空间较小，使其在一些应用领域受到了限制。

●3.1并联机器人的定义及特点

并联机器人可以定义为一种以并联方式驱动的闭环机构。本节主要介绍并联机器人的定义以及特点，它可以看做多个串联机器人和一个动平台的协作运动。

●3.2常见并联机器人结构

并联型机器人有刚度大、承受重载能力强、结构稳定、精度高、低惯性、动力性能好这些特点。本节主要介绍Stewart、Delta、平面并联、球面并联、柔索牵引这5种并联机器人的特点和应用。

第四章执行系统和驱动系统

机器人由运动子系统，感知子系统和控制子系统组成，本章介绍运动子系统，具体包括执行系统和驱动系统，并对各系统的具体部件进行讲解介绍。

●4.1执行系统

本节介绍机器人执行系统的第一个部分——手部。根据手部的结构形式可以分为机械手爪和专用末端执行器，介绍机械手爪和专用末端执行器的工作原理及实际应用。并对手部其它分类方式进行介绍。 介绍执行系统腕部的定义，作用以及不同的分类方式，并对工业机器人腕部自由度进行介绍。 介绍执行系统手臂和机座，介绍工业机器人手臂的作用，特性要求，进一步介绍了手臂的基本运动形式以及应用实例。

●4.2驱动系统

本节介绍驱动系统驱动器的三种驱动方式，详细介绍三种驱动方式的原理并对其优缺点进行比较，最后介绍了驱动器选择的标准即各个驱动器应用的场景。 介绍驱动系统传动机构，并重点介绍其中的谐波传动机构，详细介绍了谐波传动机构的基本结构，工作原理以及谐波传动机构的传动特性。

第五章传感系统

智能机器人的种类繁多，主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种，其中，传感机器人是通过各种传感器或传感系统，向机器人提供感觉的装置，如视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等，犹如人的眼睛、耳朵、皮肤和鼻子一样。本章介绍机器人常用的各种传感器，并结合工业上实际应用进行进一步讲解。

●5.1传感系统概述

工业机器人应用传感器进行定位和控制，能够使机器人胜任复杂的工作。本节将介绍工业机器人传感器的分类，作用并介绍几款常用的工业机器人传感器。

●5.2内部传感器

机器人内传感器以自己的坐标确定其位置。内传感器一般安装在机器人机械手臂上而不是安装在周围环境中。本节介绍工业机器人必不可少的位置传感器和加速度传感器。重点介绍位置传感器的分类及其工作原理。

●5.3外部传感器

外部传感器通过感知周围环境将周围环境反馈给控制器，使工业机器人具有校正能力和对环境的适应能力。本节介绍几种最主要的外部传感器：视觉传感器，力觉传感器和触觉传感器。

●5.4传感器的应用实例

本节介绍了多传感器融合技术的定义和分类，并结合工业机器人的抓取、装配、自动化打磨设备以及快速分拣设备讲解传感器在其中的应用。

第六章位姿变换

本章介绍机器人的数学基础，包括空间任意点的位置和姿态的表示、坐标和齐次坐标变换，详细介绍了机器人连杆之间的DH参数的定义方法，并以平面三连杆机器人为例，建立了连杆坐标系。为后续求解机器人运动方程打下基础。

●6.1机器人结构

本节主要介绍机器人连杆和关节的运动形式，其中包含了五种关节：旋转关节、移动关节、球型关节、螺旋关节、圆柱关节。其次介绍运机器人动链的结构，最后介绍机器人自由度的公式计算，并以实例解释公式中每个参数的含义。

●6.2刚体位姿

本节内容主要介绍刚体的位置和姿态的表达形式——矩阵形式，以及具体地描述一个刚体的位姿是采用位置矢量和姿态矩阵，并且介绍姿态矩阵的重要性质：单位正交矩阵。

●6.3坐标变换

本节主要介绍不同坐标系之间的坐标变换的齐次变换表达，其中包括平移变换和旋转变换，并以机器人抓取物体为实例解释每种变换表达中数学运算问题。

●6.4DH参数

本节主要介绍了相邻连杆之间DH参数的定义方法，并详细解释了其中参数的含义，并以平面三连杆机械臂为例解释如何获取DH参数。其次介绍了连杆坐标系的建立方法。

第七章机器人运动学

机器人运动学从几何或机构的角度去描述和研究机器人的运动特性，而不考虑引起这些运动的力或力矩的作用。改变机器人各个关节角的大小，可使机器人末端连杆在工作空间中运动；反之，改变机器人末端连杆的位置和姿态的大小，机器人的各个关节也会发生相应的转动。因此如何描述和建立机器人在关节运动空间与笛卡尔操作空间的末端位置和姿态的映射关系，并利用速度雅可比进行机器人奇异性分析，就是本章的主要内容。

●7.1正运动学

本节内容主要讲解了机器人运动学方程以及运动学实例分析，包含了运动学方程的建立步骤，机器人正运动学和逆运动学的定义，并且以圆柱型机械臂（PRP）、球面型机械臂（RRP）、转动型机械臂（RRR）、PUMA560机器人为实例，讲解了正运动学方程的建立步骤以及建立过程。

●7.2逆运动学

本节内容根据已建立的运动学方程和实例，讲解逆运动学的求解特点与求解过程，包含了机器人逆运动学解的存在性、多解性以及求解方法，并且以圆柱型机械臂（PRP）、球面型机械臂（RRP）、PUMA560机器人为实例，分析逆运动学的求解方法及求解过程。

●7.3雅可比矩阵

雅可比矩阵，即速度雅可比，机器人关节空间的关节速度与末端笛卡尔空间速度之间的映射关系。本节内容主要讲解了机器人雅可比矩阵的定义及计算方法，并且以两自由度平面机械臂，三自由度平面机械臂为实例讲解了雅可比矩阵的具体求解过程。

●7.4奇异性

机器人的奇异位形，即奇异性，使雅可比矩阵出现不可逆的奇异关节位置。本节内容主要讲解了机器人奇异性的分类，以两自由度简单机械臂为实例，对其奇异位形进行分析。

第八章机器人静力学

本章通过许多存在于机器人内部连杆机构实例来研究当机器人在静止或缓慢运动时作用在机器人末端的力与力矩的问题，再建立机器人各个连杆的平衡方程，进行等效关节以及力雅克比的计算并且对力椭球进行了叙述，需要注意的在我们研究这些问题时是不需要考虑机器人运动时的速度以及加速度等动态物理量的。

●8.1力和力矩平衡

本节主要讨论如何在机器人稳态工作的情况下，通过对机器人的受力分析与平衡方程的描述和建立机器人末端与外界环境的作用力与各个关节驱动力之间的关系。

●8.2递推计算与等效关节力矩

第一节虽然推出了机器人各个连杆的平衡方程但是机器人各个连杆作用的力和力矩在不同坐标系中有不同参数，本节则依据已建立的连杆平衡方程通过递推计算得到极坐标系下的表达形式并进行了机器人等效关节力矩的计算。

●8.3力雅可比与力椭球

本节进行了力雅克比的推导计算，并且得出了力雅克比是速度雅克比的转置，叙述了对机器人的传递性能有很大参考价值的力椭球及力椭球越接近圆形传递性能越好。

第九章机器人动力学

机器人系统是一个非线性的复杂的动力学系统，在机器人动态实时控制系统中，必须分析其动力学特性。机器人动力学研究的是机器人的运动与产生这种运动的力和力矩之间的动态关系。

●9.1刚体动力学

通过建立机器人动力学方程来分析作用在各关节上的力或力矩与关节位移、速度及加速度之间的关系，并计算出机器人完成特定运动时各驱动器所需的驱动力或力矩。工业机器人的动力学分析是机器人控制器设计和动态仿真的基础。分析和建模主要依据已知的物理定律（如拉格朗日力学或牛顿力学等方法）求得。

●9.2Lagrange动力学方程

拉格朗日函数定义为系统的动能与势能之差，是系统能量对系统变量及时间的微分，随着系统复杂程度的增加，运动拉格朗日力学将变得相对简单。拉格朗日力学主要以下面两个基本方程为基础：一个针对直线运动，另一个针对旋转运动。本节主要使用第二类拉格朗日方程来推导机器人操作臂的动力学方程。

●9.3Newton-Euler动力学方程

Newton-Euler 动力学方程是根据中间连杆上的力、力矩平衡关系上推断出来的。它的解具有递归的形式，前向递归用于连杆的速度、加速度的传递，后向递归用于力的传递。

第十章机器人轨迹规划

本章在操作臂运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法，并探讨了轨迹上各个节点的插补方式。所谓轨迹，是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。首先对机器人的任务，运动路径和轨迹进行描述，轨迹规划器可使编程手续简化，只要求用户输入有关路径和轨迹的若干约束和简单描述，而复杂的细节问题则由规划器解决。

●10.1机器人轨迹规划基本概念

实现机器人的轨迹规划，首先我们需要了解机器人轨迹规划的基本概念。机器人轨迹：机器人在空间的位置和姿态信息，与时间无关。轨迹规划：先在给定轨迹上取若干个点，将其反解映射到关节空间，然后对关节空间的运动进行插值，从而实现作业空间的运动要求，分为关节空间规划与笛卡尔空间规划。

●10.2关节空间轨迹规划

关节空间的轨迹规划是以关节位置函数描述机器人轨迹，具有计算简单和无奇异性的特点。在关节空间进行轨迹规划时需要确定机器人在起始点和终止点的机器人手部位姿然后利用机器人逆运动学反解得到各个关节值，然后对求得的关节值在关节空间进行光滑拟合。

●10.3笛卡尔空间轨迹规划

笛卡尔空间机器人末端执行器的运动轨迹是对于机器人末端执行器的空间运动轨迹，可以用在运动轨迹上点的位置和姿态来描述。

●10.4轨迹插补方式与计算

对于轨迹上各个节点需要进行插补计算。插补方式分为点到点控制和连续轨迹控制，对于点到点控制通常没有路径约束，多以关节坐标运动表示，对于连续轨迹控制有路径约束，因此要对路径进行设计。

第十一章控制

本章从控制的方式，控制硬件和控制算法三个方面介绍机器人控制。控制方式可分为位置控制、力控制和顺应控制。分别介绍了三种控制方式的发展史和特点，提供了在不同的工作环境下选择合适控制方式的依据；控制硬件包含电机，编码器，伺服驱动器和运动控制卡，这里主要介绍了各器件的工作原理以及特点；最后简单介绍了线性控制和非线性控制的使用特点，并由闭环控制的原理介绍各种控制算法，并以单关节为实例，简述控制过程。

●11.1机器人控制方式分类

本节主要介绍了机器人控制方式的分类，分别为位置控制，力控制和顺应控制。介绍了各控制的概念，分析了各控制的操作方法和特点，为作业环境的控制方案选择提供依据。

●11.2控制系统架构与硬件

本节介绍了机器人控制系统的构件。介绍了步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机的工作原理、使用环境和各自特点，以及编码器和运动控制卡的作用和类别。

●11.3控制算法

本节介绍了机器人控制算法。首先简述了机器人闭环控制过程，其次从控制类别介绍了线性控制和非线性控制的特点及工作环境，最后从单关节模型出发，介绍了直流电机模型和单关节的机械模型，为多关节控制提供依据。

第十二章机器视觉

机器视觉系统就是利用机器代替人眼，使机器人具有像人一样的视觉功能，从而实现各种检测、判断、识别、测量等功能。它是计算科学的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。图像处理和模式识别等技术的快速发展，也大大推动了视觉的发展。

●12.1视觉概述

机器视觉是通过光学的装置，和非接触的传感器，自动接收和处理一个真实物体的图像。以获得所需信息，并用于控制机器人运动的装置。

●12.2视觉硬件

机器视觉硬件主要由光源、镜头、工业相机等构成。其中光源是影响机器视觉输入的重要因素，光源直接影响图像质量和效果；镜头的主要作用将目标聚焦在图像传感器的光敏面上，相当于人类的“晶状体”。相机的功能是将获取的光信号进行转换，然后传输至电脑。

●12.3视觉算法

介绍机器人视觉系统算法的体系结构和主要算法。其中图像预处理过程主要包括边缘检测、特征抽取和匹配、运动检测和估计等，视觉算法主要目的在于消除图像中的无关信息，提取有效信息。

第十三章机器人开发实例

目前机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。本章就以手机屏幕玻璃生产线为实例，以机器人完成手机屏幕的上下料任务为设计要求，来具体讲解机器人的整个设计过程。

●13.1机器人开发需求分析

本节主要对机器人的开发需求进行分析。首先分析机器人的动作序列，确定机器人的工作空间，然后对操作对象进行分析，考虑机械手的关节设置。最后基于以上分析，选择合适的机器人构型，确定机器人的主要参数。

●13.2机器人设计实例

根据上一节的需求分析，开展机器人的具体设计工作。对机器人进行关节与连杆参数的估算、关节负载的计算与电机选择，考虑机器人关节结构设计与电机减速的设置以及机器人手臂的选材和结构设计，完成机器人的设计任务。