本書介紹機器人學的基本原理及其應用，全面反映國內外機器人學研究和應用的最新進展，是一部系統和全面的機器人學著作和教材。本書共12章，內容涉及機器人學的概況、數理基礎、運動學、動力學、位置和力控制、高級控制、傳感器、高層規劃、軌跡規劃、程序設計、應用和展望等內容。 該書對第二版進行了全面的修訂與補充，在保持第二版豐富內容和明顯特色的基礎上，特別更新了機器人研究發展狀況及機器人技術和市場信息，修改了機器人運動方程的表示（正向運動學）和機器人運動方程的求解（逆向運動學），增加了激光雷達和基于MATLAB的機器人學仿真等內容。 本書特別適合作為高年級本科生和研究生的機器人學教材，也適合從事機器人學研究、開發和應用的科技人員學習參考。
機器人成為人類社會的現實已經60多年了。作為一門高度交叉的前沿學科，機器人學已引起越來越多的具有不同背景人們的廣泛興趣，進行深入研究，并獲得快速發展，取得令人注目的成就。進入21世紀以來，工業機器人產業發展速度加快，年增長率達到30%左右。其中，亞洲工業機器人增長速度最為突出，高達43%，工業機器人市場前景看好。中國有望成為世界最大的機器人市場。近年來，世界主要機器人大國正在雄心勃勃和爭先恐后地發展智能機器人技術，這必將促進國際機器人研究與應用進入一個新的時期，推動機器人技術達到一個新的水平。
本書介紹機器人學的基本原理及其應用，是一部系統和全面的機器人學著作。全書共12章，涉及機器人學的概況、數理基礎、運動學、動力學、控制、規劃、編程、應用和展望等內容。第一章簡述機器人學的起源與發展，討論機器人學的定義，分析機器人的特點、結構與分類，探討機器人學的研究領域。第二章討論機器人學的數理基礎，包括空間質點的位置和姿態變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉變換等。第三章闡述機器人運動方程的表示與求解，即機器人正向運動學和逆向運動學問題，包括機械手運動姿態、方向角、運動位置和坐標的運動方程以及連桿變換短陣的表示，代數解法、幾何解法、歐拉變換、滾仰偏變換和球面變換等求解方法以及機器人微分運動及其雅可比矩陣等。第四章涉及機器人動力學方程、動態特性和靜態特性；著重分析機械手動力學方程的兩種求法，即拉格朗日功能平衡法和牛頓歐拉動態平衡法，然后總結出建立拉格朗日方程的步驟，并以二連桿和三連桿機械手為例推導出機械手動力學方程；最后探討機器人的動態特性和靜態特性。第五章研究機器人的位置和力控制，包括機器人的控制原則和控制方法、傳動系統結構、位置伺服控制、位置和力混合控制、柔順控制和分解運動控制等。第六章探討機器人的高級控制，涉及機器人的變結構控制、自適應控制和智能控制等。第七章介紹機器人傳感器的特點與分類、各種典型的機器人內傳感器和外傳感器的工作原理。第八章討論機器人高層規劃問題。在說明機器人規劃的作用和任務之后，從積木世界的機器人規劃入手，逐步深入開展對機器人規劃的討論，包括規則演繹法、邏輯演算和通用搜索法及基于專家系統的規劃等；在機器人路徑規劃方面，本章在闡明機器人路徑規劃的主要方法和發展趨勢之后，著重介紹了作者科研團隊的一些研究新成果，如基于近似Voronoi圖的機器人路徑規劃、基于模擬退火算法的機器人局部路徑規劃、基于免疫進化和示例學習的機器人路徑規劃和基于蟻群算法的機器人路徑規劃等。第九章討論機器人軌跡規劃問題，著重研究關節空間和笛卡兒空間中機器人運動的軌跡規劃和軌跡生成方法。第十章概括論述機器人的程序設計，研究對機器人編程的要求和分類、機器人語言系統的結構和基本功能、幾種重要的專用機器人語言和MATLAB機器人學仿真工具，以及機器人的離線編程等。第十一章探討機器人的應用問題，論述應用機器人必須考慮的因素和采用機器人的步驟，分析機器人的應用領域，涉及工業機器人、探索機器人、服務機器人和軍事機器人等。第十二章分析機器人學的現狀，展望機器人學的未來，包括國內外機器人技術和市場的最新發展狀態和預測、機器人技術的發展趨勢、各國雄心勃勃的機器人發展計劃和應用機器人引起的社會問題等，并提出克隆技術對智能機器人的挑戰問題。每章最后均附有習題，供教師選用和學生練習。書末附有參考文獻和英漢術語對照表，有助于學生深入研究和閱讀機器人學的英文文獻。
本書特別適合作為本科生教材。當作為本科生教材時，可以跳過一些偏難內容章節不用；當作為研究生教材時，教師可補充一些反映最新研究進展的學術論文和專題研究資料。本書也適合從事機器人學研究、開發和應用的科技人員學習參考。
本書第一版由蔡自興編著。第二版和第三版由蔡自興全面負責編寫、修訂和統稿；其中，鄒小兵、李枚毅、鄭敏捷、黃明登和趙慧等參加了第八章第五節的編寫。謝斌參加了第三版修訂大綱的討論，并修訂了第三章第一節和第二節及第十章第五節。江南大學李挺合作參加了第三版第三章第一節的修訂。程波、吳冰璐等參加部分插圖的繪制工作。
在本書編寫和出版過程中，得到眾多領導、專家、教授、朋友和學生的熱情鼓勵和幫助。宋健院士的代序和張啟先院士的序，一直是對本書作者和廣大讀者的極大支持和厚愛。許多機器人專家、高校師生和讀者一直關心本書的編著和使用，并提出一些十分中肯的建議。這些都是對作者的很大幫助，使我們深受鼓舞。在此特向有關領導、專家、合作者、師生和廣大讀者致以衷心的感謝。我還要特別感謝部分國內外機器人學專著、教材和有關論文的作者們。
本書是在《機器人學》第二版的基礎上經過全面修訂和補充而成。本次特別對第三章（機器人運動學）、第十章（機器人程序設計）和第十二章（機器人學展望）進行重點修訂，更新和統一了全書的符號表示，并對全書進行了全面勘誤，使本書質量獲得進一步提高。書中不足之處，希望得到各位專家和廣大讀者的批評指正。
第一章 緒論
1.1 機器人學的起源與發展
1.1.1 機器人學的起源
1.1.2 機器人學的發展
1.2 機器人的定義和特點
1.2.1 機器人的定義
1.2.2 機器人的主要特征
1.3 機器人的構成與分類
1.3.1 機器人系統的構成
1.3.2 機器人的自由度
1.3.3 機器人的分類
1.4 機器人學的研究領域
1.5 本書概要
1.6 本章小結
習題1
第二章 數學基礎
2.1 位姿和坐標系描述
2.2 平移和旋轉坐標系映射
2.3 平移和旋轉齊次坐標變換
2.4 物體的變換和變換方程
2.5 通用旋轉變換
2.6 本章小結
習題2
第三章 機器人運動學
3.1 機器人運動方程的表示
3.1.1 機械手運動姿態和方向角的表示
3.1.2 平移變換的不同坐標系表示
3.1.3 廣義連桿和廣義變換矩陣
3.1.4 建立連桿坐標系的步驟和舉例
3.2 機器人運動方程的求解
3.2.1 逆運動學求解的一般問題
3.2.2 逆運動學的代數解法與幾何解法
3.2.3 逆運動學的其他解法
3.3 機器人運動的分析與綜合舉例
3.3.1 機器人正向運動學舉例
3.3.2 機器人逆向運動學舉例
3.4 機器人的雅可比公式
3.4.1 機器人的微分運動
3.4.2 雅可比矩陣的定義與求解
3.4.3 機器人雅可比矩陣計算舉例
3.5 本章小結
習題3
第四章 機器人動力學
4.1 剛體的動力學方程
4.1.1 剛體的動能與位能
4.1.2 拉格朗日方程和牛頓歐拉方程
4.2 機械手動力學方程的計算與簡化
4.2.1 質點速度的計算
4.2.2 質點動能和位能的計算
4.2.3 機械手動力學方程的推導
4.2.4 機械手動力學方程的簡化
4.3 機械手動力學方程舉例
4.3.1 二連桿機械手動力學方程
4.3.2 三連桿機械手的速度和加速度方程
4.4 機器人的動態特性
4.4.1 動態特性概述
4.4.2 穩定性
4.4.3 空間分辨度
4.4.4 精度
4.4.5 重復性
4.5 機械手的靜態特性
4.5.1 靜力和靜力矩的表示
4.5.2 不同坐標系間靜力的變換
4.5.3 關節力矩的確定
4.5.4 負荷質量的確定
4.6 本章小結
習題4
第五章 機器人位置和力控制
5.1 機器人控制與傳動概述
5.1.1 機器人控制的分類、變量與層次
5.1.2 機器人傳動系統
5.2 機器人的位置控制
5.2.1 直流控制系統原理與數學模型
5.2.2 機器人位置控制的一般結構
5.2.3 單關節位置控制器的結構與模型
5.2.4 多關節位置控制器的耦合與補償
5.3 機器人的力和位置混合控制
5.3.1 柔順運動與柔順控制
5.3.2 主動阻力控制
5.3.3 力和位置混合控制方案和規律
5.3.4 柔順運動位移和力混合控制的計算
5.4 機器人的分解運動控制
5.4.1 分解運動控制原理
5.4.2 分解運動速度控制
5.4.3 分解運動加速度控制
5.4.4 分解運動力控制
5.5 本章小結
習題5
第六章 機器人高級控制
6.1 機器人的變結構控制
6.1.1 變結構控制的特點和原理
6.1.2 機器人的滑模變結構控制
6.1.3 機器人軌跡跟蹤滑模變結構控制
6.2 機器人的自適應控制
6.2.1 自適應控制器的狀態模型和結構
6.2.2 機器人模型參考自適應控制器
6.2.3 機器人自校正自適應控制器
6.2.4 機器人線性攝動自適應控制器
6.3 機器人的智能控制
6.3.1 智能控制與智能控制系統概述
6.3.2 主要智能控制系統簡介
6.3.3 機器人自適應模糊控制
6.3.4 多指靈巧手的神經控制
6.4 本章小結
習題6
第七章 機器人傳感器
7.1 機器人傳感器概述
7.1.1 機器人傳感器的特點與分類
7.1.2 應用傳感器時應考慮的問題
7.2 內傳感器
7.2.1 位移（位置）傳感器
7.2.2 速度和加速度傳感器
7.2.3 力覺傳感器
7.3 外傳感器
7.3.1 觸覺傳感器
7.3.2 應力傳感器
7.3.3 接近度傳感器
7.3.4 其他外傳感器
7.4 機器人視覺裝置
7.4.1 機器人眼
7.4.2 視頻信號數字變換器
7.4.3 固態視覺裝置
7.4.4 激光雷達
7.5 本章小結
習題7
第八章 機器人高層規劃
8.1 機器人規劃概述
8.1.1 規劃的作用與問題分解途徑
8.1.2 機器人規劃系統的任務與方法
8.2 積木世界的機器人規劃
8.2.1 積木世界的機器人問題
8.2.2 積木世界機器人規劃的求解
8.3 基于消解原理的機器人規劃系統
8.3.1 STRIPS系統的組成
8.3.2 STRIPS系統規劃過程
8.3.3 含有多重解答的規劃
8.4 基于專家系統的機器人規劃
8.4.1 規劃系統的結構和機理
8.4.2 ROPES機器人規劃系統
8.5 機器人路徑規劃
8.5.1 機器人路徑規劃的主要方法和發展趨勢
8.5.2 基于近似Voronoi圖的機器人路徑規劃
8.5.3 基于模擬退火算法的機器人局部路徑規劃
8.5.4 基于免疫進化和示例學習的機器人路徑規劃
8.5.5 基于蟻群算法的機器人路徑規劃
8.6 本章小結
習題8
第九章 機器人軌跡規劃
9.1 軌跡規劃應考慮的問題
9.2 關節軌跡的插值計算
9.3 笛卡兒路徑軌跡規劃
9.4 規劃軌跡的實時生成
9.5 本章小結
習題9
第十章 機器人程序設計
10.1 機器人編程要求與語言類型
10.1.1 對機器人編程的要求
10.1.2 機器人編程語言的類型
10.2 機器人語言系統結構和基本功能
10.2.1 機器人語言系統的結構
10.2.2 機器人編程語言的基本功能
10.3 常用的機器人編程語言
10.3.1 VAL語言
10.3.2 SIGLA語言
10.3.3 IML語言
10.3.4 AL語言
10.4 機器人的離線編程
10.4.1 機器人離線編程的特點和主要內容
10.4.2 機器人離線編程系統的結構
10.4.3 機器人離線編程仿真系統HOLPSS
10.5 基于MATLAB的機器人學仿真
10.6 本章小結
習題10
第十一章 機器人應用
11.1 應用工業機器人必須考慮的因素
11.1.1 機器人的任務估計
11.1.2 應用機器人三要素
11.1.3 使用機器人的經驗準則
11.1.4 采用機器人的步驟
11.2 機器人的應用領域
11.2.1 工業機器人
11.2.2 探索機器人
11.2.3 服務機器人
11.2.4 軍事機器人
11.3 工業機器人應用舉例
11.3.1 材料搬運機器人
11.3.2 焊接機器人
11.3.3 噴漆機器人
11.4 本章小結
習題11
第十二章 機器人學展望
12.1 機器人技術和市場的現狀及預測
12.2 機器人技術的發展趨勢
12.3 各國雄心勃勃的發展機器人計劃
12.4 應用機器人引起的社會問題
12.5 克隆技術對智能機器人的挑戰
12.6 本章小結
習題12
參考文獻
英漢對照術語表
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