　　《机器人控制技术》系统、深入地介绍了机器人控制的关键技术、方法以及实际应用。全书共8章，内容包括机器人的机械、机器人的硬件、机器人的电源系统、机器人的信息获取、机器视觉、机器人的底层控制、机器人的空间坐标变换、机器人运动学建模、动力学建模、机器人的路径规划以及机器人的操作系统ROS。本书内容新颖，注重理论与实际应用相结合，每个章节基本配有实例，力求使读者能较快地掌握与应用机器人的控制技术。本书可作为高等院校自动化、机械工程、机电一体化、系统工程、信息工程、计算机等相关专业本科生、研究生教材，也可以作为工程技术人员与科研工作者的参考书。

前言
第1章绪论
1.1机器人的定义及发展历史
1.1.1什么是机器人
1.1.2为什么要制造机器人
1.1.3机器人的发展历史
1.2机器人的结构与分类
1.2.1机器人的结构
1.2.2机器人的分类
1.3机器人控制的基本要求
1.3.1机器人控制的主要内容
1.3.2机器人控制的学习要求
习题
第2章机器人的本体
2.1机器人的机械
2.1.1上肢——臂部、腕部、手部
2.1.2下肢——移动机构
2.1.3躯干——机身
2.1.4关节——传动机构
2.2机器人的硬件
2.2.1处理控制系统
2.2.2驱动器系统
2.2.3传感器系统
2.3机器人的电源系统
2.3.1电池的种类
2.3.2直流稳压电源
2.3.3充电装置
2.4机器人机械制作实例
2.4.1智能小型足球机器人二轮机械结构制作实例
2.4.2智能小型足球机器人四轮全向移动机械设计实例
2.4.3智能中型足球机器人的机械设计实例
习题
第3章机器人的信息获取
3.1机器人的传感器
3.1.1常用传感器
3.1.2特殊传感器
3.1.3传感器应用实例
3.2机器人的信息处理
3.2.1常用的数字滤波方法
3.2.2小波变换在数字滤波中的应用
3.3机器视觉
3.3.1机器视觉的组成
3.3.2机器视觉的工作原理
3.3.3机器视觉应用实例
习题
第4章机器人的底层控制
4.1电动机的选择与惯量计算
4.1.1电动机选择
4.1.2步进电动机
4.1.3舵机与转向控制
4.1.4惯量计算实例
4.2典型驱动PWM
4.2.1典型驱动
4.2.2PWM驱动原理
4.2.3PWM驱动机器人实例
4.3运动控制与PID
4.3.1电动机正反转分析
4.3.2经典PID控制
4.4智能PID参数整定
4.5机器人底层控制设计实例
4.5.1智能小型足球机器人的底层控制设计实例
4.5.2智能中型足球机器人的底层控制设计实例
习题
第5章机器人的运动分析
5.1轮式机器人的空间描述和坐标变换
5.1.1位置方位表示与坐标系描述
5.1.2平移和旋转坐标系
5.1.3机器人运动模型
5.1.4齐次变换及运算
5.1.5机器人传感器的观测模型
5.2运动学建模
5.2.1机器人坐标系
5.2.2双轮差速移动机器人运动学建模实例
5.2.3全方位移动机器人运动学建模实例
5.3动力学建模
5.3.1双轮差速移动机器人动力学模型
5.3.2全方位移动机器人动力学模型
5.4舞动的机器臂——工业机器人
5.4.1刚体的描述
5.4.2坐标变换
5.5机器人运动学方程的建立
5.5.1连杆参数和连杆坐标系
5.5.2连杆变换
5.6六自由度机械臂运动分析实例
5.6.1机械臂运动方程的建立
5.6.2运动学逆解的求解方法
5.6.3运动学逆解的实验验证
习题
第6章机器人的路径规划
6.1机器人路径规划方法
6.1.1离线路径规划
6.1.2在线路径规划
6.2智能规划
6.2.1栅格建模法
6.2.2人工势场法
6.2.3遗传算法
6.2.4神经网络算法
6.3机器人路径规划改进与实例
6.3.1人工势场法的改进与实例
6.3.2遗传算法的改进
习题
第7章机器人的上层控制
7.1机器人操作系统概述
7.1.1ROS的基本介绍
7.1.2ROS系统架构
7.1.3ROS系统工具
7.1.4ROS的安装与回顾
7.2ROS的应用举例
7.2.1控制移动底座
7.2.2导航、路径规划和SLAM
7.2.3语音识别及语音合成
7.2.4机器人的视觉系统
习题
第8章发展与展望
8.1机器人的发展与展望
8.2机器人的应用举例与展望
8.2.1老牌制造业大国德国的“新兵”
8.2.2日本服务型机器人崭露头角
8.2.3在手术台上大显身手的英国“机器人医生”
8.2.4机器人的未来面向家庭
8.2.5机器人离我们还有多远
8.3机器人控制技术的发展
8.3.1机器人技术的发展
8.3.2机器人控制技术的发展与展望
8.4机器人的情感与伦理展望
习题
参考文献

前言/序言

　　2014年6月9日，习近平总书记在两院院士大会的报告中提到，“机器人是‘制造业皇冠顶端的明珠’，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志”。机器人时代的到来，将变革现有生产制造模式以及人类生活方式。美国麻省理工学院的埃里克·布莱恩约弗森教授称之为“第二次机器革命”：海量的智能机器和互联互通的智慧大脑结合在一起，将彻底颠覆之前的世界。　　工业和信息化部前副部长毛伟明表示，工业是立国之本，制造业是一个国家核心竞争力的重要标志，我国已经是制造业的第一大国，从2010年开始，我国制造业占全球的比重已经达到第一位。特别是近年来，我国工业机器人需求呈现井喷态势，据CRIA与IFR联合统计，2015年全球工业机器人销量为24.8万台，其中中国工业机器人市场销量继续增长，全年累计销售68459台，占全球工业机器人市场份额超过1/4，中国自2013年起连续三年成为全球最大的工业机器人消费市场。虽然我国已是机器人第一大市场，但自主品牌机器人远远不能满足国民经济各领域的需求。据统计，2015年国产工业机器人累计销售22257台，而且主要是中低端机器人，高端机器人还主要依赖进口，如何在装备领域和市场领域实现双赢，是下一步发展的重点。　　基于此，国内出现了机器人热，如每年举行的机器人高峰论坛、中国国际工业博览会（上海）、世界机器人大会（北京）等。全球也正进入到智能机器人的研究发展新时代，如德国工业4.0、中国制造2025等。本书正是迎合时代特点，抛砖引玉，为智能机器人控制的研究添砖加瓦。机器人控制是一门多学科交叉的科学，其领域涉及机械设计与制造、多传感器、运动控制、电力电子、图像采集、图像处理、图像识别、知识工程、专家系统、决策系统、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调、机器人学、机电一体化、无线通信、精密仪器、实时数字信号处理、自动控制和数据融合等。　　本书是作者在上海大学教学、科研过程中的成果总结，吸收并借鉴了国内外期刊论文的最新研究成果及相关书籍编著而成的，较为系统地叙述了机器人控制技术的相关理论与制作实例等。本书对机器人的机械、传感器、驱动与机器人的底层控制部分进行了分章节叙述，对机器人的坐标变换、运动分析、路径规划以及机器人的上层控制部分也进行了分章节叙述。　　本书从理论介绍到制作实例，体现了理论联系实际，也是本书的一大特色。尤其是本书增补了机器人的操作系统（ROS），使机器人控制技术的内容更加全面，争取给国内更多的大学生与机器人爱好者提供帮助。　　本书共8章。第1章阐述了机器人的产生以及机器人在国内外的发展、机器人的结构与分类、机器人控制的主要内容与基本要求等；第2章叙述了机器人的本体，包括机器人的机械、机器人的硬件和机器人的电源系统，并举例说明小型足球机器人与中型足球机器人的机械制作；第3章叙述了机器人的信息获取，介绍了机器人的常用传感器与特殊传感器，传感器的应用，机器人的信息处理方法，以及机器视觉的原理、工作与应用等；第4章综合介绍了机器人的底层控制，包括机器人中使用的电动机的选择与惯量计算、典型的PWM驱动原理与电路实现、运动控制与PID、PID参数的智能整定，并举例说明了小型足球机器人与中型足球机器人的底层控制；第5章对机器人的运动进行了分析，分别介绍了轮式移动机器人与工业机器人的空间坐标变换、机器人运动学建模和动力学建模，并以六自由度机械臂进行运动分析举例；第6章介绍了机器人的路径规划，包括离线路径规划、在线路径规划和智能规划（栅格建模法、人工势场法、遗传算法），并对人工势场法、遗传算法进行优化举例；第7章介绍了机器人的上层控制（用户层），即机器人的操作系统ROS，包括ROS的基本概念、系统架构、系统工具，以及ROS在移动底座、导航与路径规划、语音识别、机器视觉等方面的应用举例；第8章对机器人与机器人的控制技术的发展进行了展望。　　选用本书作为教材的学校，建议40学时作为理论教学，另外40学时作为实践或课程设计等。上海大学开设了“机器人控制技术”课程教学以及课程设计，总学时为80。　　本书由上海大学机电工程与自动化学院、上海大学大学生科技创新实验中心负责人、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会副主任陈万米高级工程师（上海大学特级技术总监）编写第1、8章，刘振参编第2章，杜映峰参编第3章，张志松参编第4章，范彬彬参编第5章，贺永祥参编第6章，汪洋参编第7章，全书由陈万米统稿。　　本书的编写工作和出版得到了上海大学、上海大学机电工程与自动化学院相关领导的大力支持。特别感谢上海大学费敏锐教授、王小静教授、徐昱琳副教授在本书成稿过程中给予的帮助。　　机器人控制技术内容十分广泛，涉及诸多学科领域。由于编者的水平所限、经验不足，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。
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