前言

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。