本書系統介紹了機器人的基本組成和工作原理。全書共分10章。其中第1章介紹必要的基礎知識，如機器人的發展歷史、機器人的組成與特點、機器人語言及機器人應用等。第2章和第3章分析機器人的運動學。第4章分析機器人的動力學。第5章討論機器人在關節空間和直角坐標空間的路徑和軌跡規劃。第6章介紹機器人的運動控制。第7章介紹機器人的各種驅動裝置，如液壓和氣動裝置、直流伺服電機及步進電機等。第8章討論用于機器人的各種傳感器。第9章介紹機器人視覺系統。第10章介紹用于機器人的模糊控制方法。該書每章后面均給出設計項目，將理論與實際相結合，用以綜合運用本章的內容，同時每章后面還附有參考文獻和習題。
本書全面、簡明地介紹了機器人的力學和運動學，包括機器人運動學、微分運動、機器人動力學和軌跡規劃，還介紹了微處理器的應用、控制系統、視覺傳感器和驅動器，使得該書對機械工程師、電子和電氣工程師、計算機工程師及工程技術人員都很有用。同時，書中也為學生和機器人愛好者提供了許多設計項目的構想，內容從機器人的分析到設計，以及驅動器到視覺系統。該書還對模糊邏輯控制進行了簡要的介紹。關于控制的一章給出了足夠的材料，從而使學習控制系統課程的學生可以更好地理解機器人的控制和設計。
本書全面、簡明地介紹了機器人的力學和運動學，包括機器人運動學、微分運動、機器人動力學和軌跡規劃，還介紹了微處理器的應用、控制系統、視覺傳感器和驅動器，使得該書對機械工程師、電子和電氣工程師、計算機工程師及工程技術人員都很有用。同時，書中也為學生和機器人愛好者提供了許多設計項目的構想，內容從機器人的分析到設計，以及驅動器到視覺系統。該書還對模糊邏輯控制進行了簡要的介紹。關于控制的一章給出了足夠的材料，從而使學習控制系統課程的學生可以更好地理解機器人的控制和設計。
本書特色
● 全面介紹了機器人運動學、動力學和重要的機器人子系統。
● 介紹了微處理器和機械電子機器人的應用，并用整章篇幅討論了視覺系統的圖像處理和圖像分析。
● 包含了面向應用的設計項目、大量的示例及習題。
● 在第2章的末尾介紹了一個實際的設計項目，并在后續各章末尾均要求讀者將所學知識運用于該設計實例，其用意在于使讀者學完本書后，能設計出一個完整的機器人。
前言
本書是一本介紹機器人學的教材的第二版，它不僅包含第一版的全部內容和特點，而且增加了更多的例子和習題、更新的項目及更詳實的內容。另外，還增加了關于自動控制和機器人控制的一些章節，以及可供下載的名為SimulationX的商用軟件系統的信息。
幾年前我的一個學生曾經說過:在每個產品的生命周期中，都會有選定設計者并將產品投入生產的時刻。冶沒有哪本書是十全十美的，每本書都有它與眾不同的地方。這本書也是這樣，該書的意圖是為工科的本科生或有實際經驗的工程師提供必備的知識，以使他們能夠熟悉機器人學，懂得機器人，并能設計機器人，以及能將機器人集成到一個具體的應用場合。基于此，本書包括了機器人學所有必要的基礎知識、機器人部件和子系統及機器人應用等內容。
本書主要作為高年級本科生或研究生機器人學基礎課程的教材，也可作為希望學習機器人的廣大科技工作者的參考書。本書包含了相當多的機械學和運動學的內容，此外還包含微處理器的應用、控制系統、視覺系統、傳感器及驅動器等方面的內容。因此，本書也是機械工程師、電子和控制工程師、計算機工程師和工程技術專家們理想的參考書籍。本書新的章節涉及一些控制理論，即使一些學生沒有學過控制課程，也能夠從本書學到足夠的知識，從而懂得機器人的控制和設計。
本書共分10 章。第1章通過引言使讀者了解學習本書內容需用到的背景知識。這些知識包括機器人的發展歷史、構成、特征、語言及應用等。第2章討論機器人的正向和逆向運動學，內容包括坐標的描述、變換、位姿分析及機器人運動學的D-H(Denavit Hartenberg)描述。第3章闡述了機器人及坐標的微分運動和速度分析。第4章包含機器人動力學和相關力的分析，用拉格朗日力學作為主要的分析和研究方法。第5章介紹了關節空間和直角坐標空間的路徑和軌跡規劃。第6章介紹了控制工程的基本知識，包含分析和設計工具，其中討論了根軌跡，比例、微分和積分控制，以及機電系統的建模。第6章也包含了多端輸入輸出(MIMO)系統、數字系統及非線性系統。然而，學生要想實際地設計系統，還需要更多的知識和指導。在這個環節上，一章是不夠的。由于沒有單獨的控制工程課程設置，所以這一章可以作為很好的入門課程。第7章涉及了驅動裝置，包括液壓裝置、直流伺服電機、步進電機、氣動裝置和各種不同的新型驅動裝置，本章也包括這些驅動裝置的微處理控制器。盡管這本書不是主要針對機械電子學方面的書，但它介紹了很多關于機械電子學的內容。除了微處理器的設計，許多機械電子的應用都在這一章進行了介紹。第8章討論了在機器人及機器人應用中使用的傳感器。第9章覆蓋了視覺系統的內容，包括許多在圖像處理及分析中運用的技術。第10章討論了模糊邏輯的基本原理和模糊邏輯在微處理器的控制及機器人學中的應用。雖然本章沒有進行全面的分析，但有基本的介紹。可以相信，對機器人產生興趣的學生或工程技術人員一定會繼續他們的學習。附錄A回顧了矩陣代數的和本書中用到的其他數學工具。附錄B討論圖像采集。附錄C討論MATLAB 在控制工程中的應用。附錄D介紹了可以用來建模和仿真機器人及其動力學的商用軟件，學生版可以免費使用。涉及機器人仿真軟件，相應的程序和相關輔導也是免費提供的。
本書大部分內容作為一門課程，在加州州立理工大學用10周時間學完，每周四個單元，其中三個單元每次授課1學時，另一單元為3學時的實驗。一般可安排為一個學期的課程。
以下是一學期（四學期/年）的機器人學課程的安排，某些內容需進行相應的刪除或簡化：
● 基本內容介紹和復習：3學時
● 位置運動學：7學時
● 微分運動：4學時
● 機器人動力學和力控制：2學時
● 路徑和軌跡規劃：1學時
● 驅動裝置：3學時
● 傳感器：3學時
● 視覺系統：5學時
● 模糊邏輯：1學時
考試和復習：1學時
對于一個包含14周的學期，每周3學時，課程安排如下：
● 基本內容介紹和復習：3學時
● 位置運動學：7學時
● 微分運動：5學時
● 機器人動力學和力控制：5學時
● 路徑和軌跡規劃：3學時
● 機器人控制及模擬：5學時
● 驅動裝置：5學時
● 傳感器：2學時
● 視覺系統：5學時
● 模糊邏輯：1學時
考試和復習：1學時
本書的設計項目從第2章開始貫穿全書。從第2章開始，在各章末尾要求學生結合本章內容繼續前面的設計，直到全書結束，一個完整的機器人就設計出來了。
在此我要感謝所有幫助過我的人。包括我的同事Bill Murray，Charles Birdsong，Lynne Slivovsky和John Ridgely，以及無數做過研究、開發和大量工作的個人，他們的工作讓我更好地研究了這個課題。大量的學生、用戶和不知名的評閱人所提出的許多意見對改進原稿起到了巨大的作用，這中間包括Thomas Cavicchi，Ed Foley，以及在加州州立理工大學進行課題設計和開發的學生，也包括一個機器人俱樂部。我還要感謝John Wiley ＆ Sons的編輯Mike McDonald，他在第二版的出版中起到了巨大的作用，Renata Marchione，Don Fowley，Linda Ratts和Yee Lyn Song 也在全過程中給予了巨大支持。還要感謝幫助這本書編輯出版的編輯和藝術家們。我還想感謝在Prentice Hall幫助我們出版的工作人員。最后，我想感謝我的家人Shoherh，Adam和Alan，很抱歉我把本應該和他們在一起的時光用在了整理本書資料的工作上。對于所有以上提到的人，我在此表示誠摯的感謝。
我希望你們都能喜歡這本書，更重要的是希望大家能學習本書，并通過學習而感受到從事機器人相關研究的樂趣。
Saeed B. Niku是位于美國圣路易斯奧比斯波的加州州立科技大學的機械工程教授，他自1983年起，教授了力學、機器人學和設計等課程。主要研究領域包括：機械學、機械設計、機器人等。他在機器人、視覺系統、產品和系統設計、工程教育及為殘疾人的設計等方面出版了許多書籍和發表了許多論文。
Saeed B. Niku是位于美國圣路易斯奧比斯波的加州州立科技大學的機械工程教授，他自1983年起，教授了力學、機器人學和設計等課程。主要研究領域包括：機械學、機械設計、機器人等。他在機器人、視覺系統、產品和系統設計、工程教育及為殘疾人的設計等方面出版了許多書籍和發表了許多論文。
第1章 基礎知識
1.1 引言
1.2 什么是機器人
1.3 機器人的分類
1.4 什么是機器人學
1.5 機器人的發展歷史
1.6 機器人的優缺點
1.7 機器人的組成部件
1.8 機器人的自由度
1.9 機器人關節
1.10 機器人的坐標
1.11 機器人的參考坐標系
1.12 機器人的編程模式
1.13 機器人的性能指標
1.14 機器人的工作空間
1.15 機器人語言
1.16 機器人的應用
1.17 其他機器人及其應用
1.18 機器人的社會問題
小結
參考文獻
習題
第2章 機器人位置運動學
2.1 引言
2.2 機器人機構
2.3 符號規范
2.4 機器人運動學的矩陣表示
2.4.1 空間點的表示
2.4.2 空間向量的表示
2.4.3 坐標系在固定參考坐標系原點的表示
2.4.4 坐標系在固定參考坐標系中的表示
2.4.5 剛體的表示
2.5 齊次變換矩陣
2.6 變換的表示
2.6.1 純平移變換的表示
2.6.2 繞軸純旋轉變換的表示
2.6.3 復合變換的表示
2.6.4 相對于旋轉坐標系的變換
2.7 變換矩陣的逆
2.8 機器人的正逆運動學
2.9 位置的正逆運動學方程
2.9.1 直角(臺架)坐標
2.9.2 圓柱坐標
2.9.3 球坐標
2.9.4 鏈式坐標
2.10 姿態的正逆運動學方程
2.10.1 滾動角、俯仰角和偏航角
2.10.2 歐拉角
2.10.3 鏈式關節
2.11 位姿的正逆運動學方程
2.12 機器人正運動學方程的D-H表示
2.13 機器人的逆運動學解
2.13.1 鏈式機器人臂的一般解
2.14 機器人的逆運動學編程
2.15 機器人的退化和靈巧特性
2.15.1 退化
2.15.2 靈巧
2.16 D-H表示法的基本問題
2.17 設計項目
2.17.1 3自由度機器人
2.17.2 3自由度移動機器人
小結
參考文獻
習題
第3章 微分運動和速度
3.1 引言
3.2 微分關系
3.3 雅可比矩陣
3.4 微分運動與大范圍運動
3.5 坐標系的微分運動與機器人的微分運動
3.6 坐標系微分運動
3.6.1 微分平移
3.6.2 繞參考軸的微分旋轉
3.6.3 繞一般軸q的微分旋轉
3.6.4 坐標系的微分變換
3.7 微分變化的解釋
3.8 坐標系之間的微分變化
3.9 機器人及機器人手坐標系的微分運動
3.10 雅可比矩陣的計算
3.11 如何建立雅可比矩陣和微分算子之間的關聯
3.12 雅可比矩陣求逆
3.13 設計項目
3.13.1 3自由度機器人
3.13.2 3自由度移動機器人
小結
參考文獻
習題
第4章 動力學分析和力
4.1 引言
4.2 拉格朗日力學的簡短回顧
4.3 有效轉動慣量
4.4 多自由度機器人的動力學方程
4.4.1 動能
4.4.2 勢能
4.4.3 拉格朗日函數
4.4.4 機器人運動方程
4.5 機器人的靜力分析
4.6 坐標系間力和力矩的變換
4.7 設計項目
小結
參考文獻
習題
第5章 軌跡規劃
5.1 引言
5.2 路徑與軌跡
5.3 關節空間描述與直角坐標空間描述
5.4 軌跡規劃的基本原理
5.5 關節空間的軌跡規劃
5.5.1 三次多項式軌跡規劃
5.5.2 五次多項式軌跡規劃
5.5.3 拋物線過渡的線性段
5.5.4 具有中間點及用拋物線過渡的線性段
5.5.5 高次多項式運動軌跡
5.5.6 其他軌跡
5.6 直角坐標空間的軌跡規劃
5.7 連續軌跡記錄
5.8 設計項目
小結
參考文獻
習題
第6章 運動控制系統
6.1 引言
6.2 基本組成和術語
6.3 結構圖
6.4 系統動力學
6.5 拉普拉斯變換
6.6 拉普拉斯反變換
6.6.1 F(s)的極點無重根時的部分分式展開
6.6.2 F(s)的極點含重根時的部分分式展開
6.6.3 F(s)的極點含共軛復根時的部分分式展開
6.7 傳遞函數
6.8 結構圖代數
6.9 一階傳遞函數的特性
6.10 二階傳遞函數的特性
6.11 特征方程：零極點分布
6.12 穩態誤差
6.13 根軌跡法
6.14 比例控制器
6.15 比例積分控制器
6.16 比例加微分控制器
6.17 比例積分微分（PID）控制器
6.18 超前和滯后補償器
6.19 伯德圖和頻域分析
6.20 開環和閉環表示的應用對比
6.21 多輸入多輸出系統
6.22 狀態空間控制方法
6.23 數字控制
6.24 非線性控制系統
6.25 機電系統動力學：機器人驅動和控制
6.26 設計項目
小結
參考文獻
習題
第7章 驅動器和驅動系統
7.1 引言
7.2 驅動系統的特性
7.2.1 標稱特性
7.2.2 剛度和柔性
7.2.3 使用減速齒輪
7.3 驅動系統的比較
7.4 液壓驅動器
7.5 氣動裝置
7.6 電機
7.6.1 交流型和直流型電機的基本區別
7.6.2 直流電機
7.6.3 交流電機
7.6.4 無刷直流電機
7.6.5 直接驅動電機
7.6.6 伺服電機
7.6.7 步進電機
7.7 電機的微處理器控制
7.7.1 脈沖寬度調制
7.7.2 采用H橋的直流電機轉向控制
7.8 磁致伸縮驅動器
7.9 形狀記憶金屬
7.10 電活性聚合物（EAP）
7.11 減速器
7.12 其他系統
7.13 設計項目
7.13.1 設計項目1
7.13.2 設計項目2
7.13.3 設計項目3
7.13.4 設計項目4
小結
參考文獻
習題
第8章 傳感器
8.1 引言
8.2 傳感器特性
8.3 傳感器的使用
8.4 位置傳感器
8.4.1 電位器
8.4.2 編碼器
8.4.3 線位移差動變壓器
8.4.4 旋轉變壓器
8.4.5 傳輸時間測量（磁反射）型位移傳感器
8.4.6 霍爾傳感器
8.4.7 其他裝置
8.5 速度傳感器
8.5.1 編碼器
8.5.2 測速計
8.5.3 位置信號微分
8.6 加速度傳感器
8.7 力和壓力傳感器
8.7.1 壓電晶體
8.7.2 力敏電阻
8.7.3 應變片
8.7.4 防靜電泡沫
8.8 力矩傳感器
8.9 微動開關
8.10 可見光和紅外傳感器
8.11 接觸和觸覺傳感器
8.12 接近覺傳感器
8.12.1 磁感應接近覺傳感器
8.12.2 光學接近覺傳感器
8.12.3 超聲波接近覺傳感器
8.12.4 感應式接近覺傳感器
8.12.5 電容式接近覺傳感器
8.12.6 渦流接近覺傳感器
8.13 測距儀
8.13.1 超聲波測距儀
8.13.2 光測距儀
8.13.3 全球定位系統（GPS）
8.14 嗅覺傳感器
8.15 味覺傳感器
8.16 視覺系統
8.17 語音識別裝置
8.18 語音合成器
8.19 遠程中心柔順裝置
8.20 設計項目
小結
參考文獻
第9章 視覺系統圖像處理和分析
9.1 引言
9.2 基本概念
9.2.1 圖像處理與圖像分析
9.2.2 二維和三維圖像
9.2.3 圖像的本質
9.2.4 圖像的獲取
9.2.5 數字圖像
9.2.6 頻域和空域
9.3 信號的傅里葉變換及頻譜
9.4 圖像的頻譜：噪聲和邊緣
9.5 分辨率和量化
9.6 采樣理論
9.7 圖像處理技術
9.8 圖像直方圖
9.9 閾值處理
9.10 空域操作：卷積掩模
9.11 連通性
9.12 降噪
9.12.1 采用卷積掩模的鄰域平均
9.12.2 圖像平均
9.12.3 頻域
9.12.4 中值濾波器
9.13 邊緣檢測
9.14 銳化圖像
9.15 霍夫變換
9.16 分割
9.17 基于區域增長和區域分解的分割
9.18 二值形態操作
9.18.1 加厚操作
9.18.2 擴張操作
9.18.3 腐蝕操作
9.18.4 骨架化
9.18.5 放縮操作
9.18.6 縮放操作
9.18.7 填充操作
9.19 灰度形態操作
9.19.1 腐蝕操作
9.19.2 擴張操作
9.20 圖像分析
9.21 基于特征的物體識別
9.21.1 用于物體辨識的基本特征
9.21.2 矩
9.21.3 模板匹配
9.21.4 離散傅里葉描述算子
9.21.5 計算機斷層造影
9.22 視覺系統中的深度測量
9.22.1 場景分析與映射
9.22.2 距離檢測和深度分析
9.22.3 立體成像
9.22.4 利用陰影和大小進行場景分析
9.23 特殊光照
9.24 圖像數據壓縮
9.24.1 幀內空域技術
9.24.2 幀間編碼技術
9.24.3 壓縮技術
9.25 彩色圖像
9.26 啟發式方法
9.27 視覺系統的應用
9.28 設計項目
小結
參考文獻
習題
第10章 模糊邏輯控制
10.1 引言
10.2 模糊控制需要什么
10.3 清晰值與模糊值
10.4 模糊集合：隸屬度與真值度
10.5 模糊化
10.6 模糊推理規則庫
10.7 清晰化
10.7.1 重心法
10.7.2 Mamdani推理法
10.8 模糊邏輯控制器的仿真
10.9 模糊邏輯在機器人中的應用
10.10 設計項目
小結
參考文獻
習題
附錄A 矩陣代數和三角學復習
附錄B 圖像采集系統
附錄C 采用MATLAB的根軌跡和伯德圖
附錄D 利用商用軟件的機器人仿真
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