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本书介绍机器人学的相关内容，将串联机器人技术、并联机器人技术和移动机器人技术有机集成，是一部系统和全面反映机器人技术的教材。本书共分11章，内容涉及机器人概况、机器人数学基础、机器人运动学分析、机器人速度及静力学分析、机器人动力学分析、机器人传感器及计算机视觉算法、机器人物体识别、机器人定位及地图构建、机器人路径规划与避障、机器人控制，以及机器人的驱动执行系统与编程等。

本书特别适合作为高年级本科生和研究生的机器人学学习教材，也适合从事机器人研究、开发和应用的科技人员学习参考。

本书配有电子课件，欢迎选用本书作为教材的老师登录www.cmpedu.com注册下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。

前言

第1章绪论1

1.1机器人学的起源与发展1

1.1.1机器人学的起源1

1.1.2机器人学的发展2

1.2机器人的分类3

1.2.1按机器人的连接方式分类3

1.2.2按机器人的移动性分类5

1.2.3按机器人的控制方式分类8

1.2.4按机器人的几何结构分类8

1.2.5按机器人的智能程度分类8

1.2.6按机器人的用途分类9

1.3机器人学综述9

1.3.1机器人运动学技术9

1.3.2机器人静力学与动力学技术11

1.3.3机器人感知与物体识别技术12

1.3.4机器人定位与地图构建12

1.3.5机器人的路径规划与避障技术12

1.3.6机器人控制技术12

1.3.7机器人驱动与编程技术12

习题13

第2章机器人数学基础14

2.1齐次坐标及位姿矩阵14

2.1.1齐次坐标14

2.1.2位姿矩阵16

2.2齐次变换19

2.2.1平移齐次变换19

2.2.2旋转齐次变换21

2.2.3复合变换及左、右乘规则25

习题26

第3章机器人运动学分析28

3.1机器人坐标系的建立28

3.1.1StandardDH坐标系28

3.1.2ModifiedDH坐标系31

3.2相邻两连杆坐标系的位姿关系33

3.2.1相邻两连杆坐标系的位姿表示33

3.2.2相邻两连杆坐标系的位姿确定33

3.3机器人正运动学34

3.3.1机器人运动方程34

3.3.2斯坦福机器人运动方程35

3.4机器人逆运动学37

3.4.1机器人逆运动学的解38

3.4.2斯坦福机器人逆运动学求解39

3.4.3机器人的逆运动学编程43

3.4.4机器人的退化44

3.4.5DH表示法的基本问题44

3.5驱动器空间、关节空间和笛

卡儿空间44

3.5.1智能移动小车关节空间与驱动器

空间之间的转换46

3.5.2并联机构（腰部关节）驱动器

空间与关节空间的转换49

习题53

第4章机器人速度及静力学分析55

4.1机器人微分运动55

4.1.1微分平移和微分旋转55

4.1.2微分运动的等价变换59

4.2机器人的雅可比矩阵61

4.2.1雅可比矩阵的定义61

4.2.2雅可比矩阵的求解方法63

4.2.3雅可比矩阵求解举例64

4.2.4雅可比矩阵的逆69

4.3机器人速度分析69

4.3.1机器人速度计算69

4.3.2机器人的奇异位形71

4.4机器人静力学分析72

4.4.1机器人杆件受力分析72

4.4.2机器人力雅可比矩阵72

4.4.3机器人静力计算74

习题75

第5章机器人动力学分析77

5.1牛顿欧拉方程77

5.2虚位移原理78

5.2.1虚位移78

5.2.2理想约束78

5.2.3虚位移原理的含义79

5.2.4广义坐标与广义力79

5.3动力学普遍方程和拉格朗日方程80

5.3.1动力学普遍方程80

5.3.2拉格朗日方程81

5.3.3拉格朗日方程的应用举例83

习题86

第6章机器人传感器及计算机

视觉算法87

6.1机器人传感器87

6.1.1机器人传感器的分类87

6.1.2传感器的特性指标89

6.1.3接近与距离觉传感器90

6.1.4视觉传感器97

6.1.5其他外部传感器102

6.1.6机器人内部传感器105

6.2图像处理算法108

6.2.1计算机视觉算法分类108

6.2.2图像预处理109

6.2.3匹配信号和图像113

6.2.4特征检测113

6.2.5区域处理114

6.3几何和语义计算机视觉方面118

6.3.1像素分类118

6.3.2计算立体视觉118

6.4双目视觉系统122

6.4.1摄像头的参数标定122

6.4.2双目立体视觉定位实例126

习题128

第7章机器人物体识别129

7.1物体识别概述129

7.1.1物体识别的理解129

7.1.2物体识别的发展历程130

7.2传统的物体识别130

7.2.1维奥拉琼斯检测器131

7.2.2方向梯度直方图检测器131

7.2.3形变目标识别132

7.3基于深度学习的目标检测算法132

7.3.1基于候选区域的深度学习目标

检测算法133

7.3.2基于回归方法的深度学习目标

检测算法138

7.4YOLO识别算法139

7.4.1滑动窗口与CNN139

7.4.2设计理念141

7.4.3网络设计142

7.4.4网络训练143

7.4.5网络预测145

7.5障碍物识别方法147

7.5.1障碍证据147

7.5.2障碍物识别系统的性能148

7.6实例149

7.6.1障碍物识别149

7.6.2树枝识别150

7.6.3目标识别152

习题153

第8章机器人定位及地图构建154

8.1地图表示与环境感知154

8.1.1地图表示方法154

8.1.2栅格地图的构建156

8.1.3线段特征地图的构建158

8.1.4拓扑地图的构建160

8.2自主定位162

8.2.1基于外部观测信息的定位163

8.2.2基于本体观测信息的定位164

8.2.3控制与观测相融合的自主定位169

8.3同时定位及地图构建(SLAM)182

8.3.1经典的SLAM框架183

8.3.2SLAM算法介绍183

8.3.3视觉SLAM189

8.3.4激光SLAM195

习题196

第9章机器人路径规划与避障197

9.1引言197

9.2路径规划与避障197

9.2.1路径规划198

9.2.2避障204

9.3机器人轨迹生成213

9.3.1路径和轨迹213

9.3.2轨迹规划213

9.3.3关节空间的轨迹规划214

9.3.4工作空间的轨迹规划217

习题221

第10章机器人控制222

10.1机器人的控制特点和控制技术222

10.1.1机器人的控制特点222

10.1.2机器人的控制技术224

10.2关节空间控制226

10.2.1机器人单关节建模226

10.2.2机器人线性控制228

10.2.3基于模型的关节系统

线性控制231

10.2.4基于模型的关节系统非线

性控制235

10.2.5非模型关节空间控制方法239

10.2.6关节空间控制系统240

10.3工作空间控制243

10.3.1与基于关节空间控制方法

的比较243

10.3.2笛卡儿空间的直接控制方法244

10.3.3笛卡儿空间的解

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前言

自世界上台工业机器人诞生至今已有60多年了，作为一门高度交叉的前沿学科，机器人技术引起了人们越来越多的关注和深入研究。目前，机器人技术发展迅速，已取得令人瞩目的成就。进入21世纪以来，机器人产业发展速度明显加快，年增长率达到30%左右。其中，亚洲机器人增长速度尤为突出，高达43%，机器人市场的前景被广泛看好，而我国则有望成为世界的机器人市场。近年来，世界主要机器人大国正争先恐后地发展智能机器人技术，这必将促进国际上机器人的研究与应用，推动机器人技术的进一步发展。

本书第1章简述机器人学的起源与发展，讨论机器人的分类，介绍机器人的建模与控制。第2章讨论机器人数学基础，包括空间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3章首先对机器人的位姿进行分析，然后通过举例来说明机器人的正向运动学及逆向运动学的求解方法，后分析了小车和并联机器人腰部动平台在关节空间和驱动器空间之间的转换等。第4章介绍与机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，并在此基础上进行机器人的静力学分析等。第5章着重分析机械手动力学方程的拉格朗日功能平衡法求解算法，然后总结出建立拉格朗日方程的步骤，后探讨机器人的动态特性和静态特性。第6章对机器人的传感器和计算机视觉算法进行介绍，首先介绍传感器的基本特性和几种重要的机器人传感器，然后讲解计算机视觉算法的相关知识，并详细介绍几种常见的计算机视觉算法。第7章介绍机器人的各种工程应用的物体识别算法。第8章对机器人的定位及地图构建进行介绍，并围绕定位和地图构建这两个主题进行展开。第9章讨论机器人路径规划与避障，通过机器人传感器、机器人地图构建技术、定位技术，论述机器人的认知。第10章分析机器人的控制特点和控制技术，讨论机器人关节空间控制、工作空间控制和力控制。第11章介绍机器人的驱动执行系统与编程。

本书特别适合作为本科生高年级和研究生教材。本书作为本科生低年级教材时，可以跳过一些内容偏难的章节；作为研究生教材时，教师可补充一些反映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、机器人开发和应用的科技人员学习参考。

本书由西北工业大学樊泽明、吴娟、余孝军、袁学兵和西安财经大学任静编著，具体分工为：樊泽明编写第1章和第6章，吴娟编写第2、4、5章，樊泽明和吴娟共同编写第3章，任静编写第7、8章，余孝军编写第9、11章，袁学兵编写第10章。本书由樊泽明全面负责整理和统稿。西北工业大学研究生万昊、康美琳、陈洋、杨佳伟、王兴铎、徐栋、张傲、王鹏博、卢蓓蓓、余霖靓等完成了大量的资料收集、整理、编写、算法实现、校正等工作。

本书在编写和出版过程中，得到众多领导、专家、教授、朋友和学生的热情鼓励与帮助。本书参考了许多机器人专著、教材及网络资源材料，在此对参考的专著、教材及网络资源作者致以衷心的感谢。

编者

书籍介绍

本书介绍机器人学的相关内容，将串联机器人技术、并联机器人技术和移动机器人技术有机集成，是一部系统和全面反映机器人技术的教材。本书共分11章，内容涉及机器人概况、机器人数学基础、机器人运动学分析、机器人速度及静力学分析、机器人动力学分析、机器人传感器及计算机视觉算法、机器人物体识别、机器人定位及地图构建、机器人路径规划与避障、机器人控制，以及机器人的驱动执行系统与编程等。 本书特别适合作为高年级本科生和研究生的机器人学学习教材，也适合从事机器人研究、开发和应用的科技人员学习参考。 本书配有电子课件，欢迎选用本书作为教材的老师登录wwwcmpeducom注册下载，或发邮件至jinacmp@163com索取。