机器人学：建模、控制与视觉

本书荣获第四届湖北出版政府奖，基于作者多年研究与教学经验并借鉴国内外在机器人学方面的研究成果和教学经验编写而成，内容全面，结构清晰，讲解深入透彻，实用性较强。

为适应工业机器人、海陆空机器人和共融机器人快速发展的需要，突出机器人学的综合性、新颖性和前瞻性等特点，本书分建模、控制与视觉三个部分系统地阐述了机器人学的基础内容。
全书包含十七章。第1章为概述，介绍机器人的内涵、应用以及机器人学的研究方向。建模部分包括第2章至第7章，系统介绍机器人机构，刚体位姿描述和齐次变换，刚体速度和静力，操作臂运动学、雅可比矩阵和操作臂动力学。控制部分包括第8章至第13章，介绍轨迹生成、轨迹控制、力的控制、运动规划、协调控制和自适应控制。视觉部分包括第14章至第17章，介绍视觉图像处理、视觉运动控制、视觉导航、轮式移动机器人和运动规划。
本书可供从事机器人研究开发的科技工作者参考，也可作为研究型大学本科生和研究生的教学用书。

熊有伦（Xiong Youlun，Professor），华中科技大学教授、博士生导师，中国科学院院士，1939年4月出生，湖北枣阳人。1962年毕业于西安交通大学机械工程系，1966年西安交通大学机械制造自动化专业研究生学习毕业，1980年至1982年英国Sheffield大学控制工程系访问学者，1988年至1989年英国Salford大学航空与机械工程系客座教授，1995年荣膺中国科学院院士，2005年被评为“全国先进工作者”，2006年获何梁何利科技奖。 主持包括国家自然科学基金“九五”重大项目、重点项目、973课题等多项国*级重大课题，在数字制造、电子制造、机器人技术等研究领域取得突出成果，发表论文200余篇，出版专著5本，培养博士研究生40余名，获国家科技进步二等奖/三等奖、国家技术发明二等奖各1项，省部级一等奖5项。曾任机械制造系统工程国家重点实验室学术委员会主任，现任高性能复杂制造国家重点实验室、机器人学国家重点实验室学术委员会主任，中国科学-E辑、科学通报编委。

第1章概述（1）
1.1机器人的内涵（1）
1.2机器人的应用与发展（4）
1.3机器人学的研究展望（7）
1.4机器人学：建模、控制与视觉（11）
第2章机器人机构（14）
2.1运动副（14）
2.2串联机器人机构（15）
2.3并联机器人机构（20）
2.4机器人手爪（24）
2.5探测车悬架机构（27）
2.6多足步行机器人机构（29）
2.7RV减速器和谐波减速器（31）
习题（34）
第3章位姿描述和齐次变换（36）
3.1刚体位姿描述（36）
3.2齐次坐标和齐次变换（40）
3.3运动算子（43）
3.4变换矩阵的运算（44）
3.5RPY角与欧拉角（49）
3.6旋转变换通式（52）
3.7位姿的综合（57）
3.8计算的复杂性（59）
习题（60）
第4章刚体速度和静力（63）
4.1线矢量（63）
4.2微分转动与转动速度（66）
4.3微分运动与运动旋量（71）
4.4刚体变换的线矢量表示（78）
4.5螺旋运动（81）
4.6力旋量（85）
4.7线矢量、旋量与螺旋（88）
习题（90）
第5章操作臂运动学（93）
5.1连杆参数和连杆坐标系（93）
5.2连杆变换和运动学方程（97）
5.3PUMA560机器人运动学反解（102）
5.4指数积公式（107）
5.5运动学方程的自动生成（112）
5.6运动学反解的子问题（114）
5.7运动学的封闭解和解的存在性、唯一性（120）
5.8驱动空间、关节空间和操作空间（123）
习题（125）
第6章操作臂的雅可比矩阵（130）
6.1引例（130）
6.2速度雅可比矩阵（132）
6.3逆雅可比矩阵和奇异性（137）
6.4操作臂的灵巧性（140）
6.5力雅可比矩阵（143）
6.6冗余度机器人（148）
6.7刚度与柔度（152）
6.8误差标定与补偿（154）
习题（157）
第7章操作臂动力学（162）
7.1操作臂动力学概述（162）
7.2质点系与单刚体动力学（163）
7.3拉格朗日动力学（168）
7.4操作臂的拉格朗日方程（171）
7.5拉格朗日方程的其他形式（175）
7.6连杆运动的传递（178）
7.7牛顿欧拉递推动力学方程（182）
7.8基于指数积的牛顿欧拉方法（187）
7.9关节空间和操作空间动力学（189）
7.10动力学性能指标（191）
习题（194）
第8章轨迹生成（196）
8.1轨迹规划的一般性问题（196）
8.2关节轨迹的插值（198）
8.3笛卡儿空间轨迹规划方法（206）
8.4利用四元数进行直线轨迹规划（212）
8.5轨迹的实时生成（217）
习题（219）
第9章操作臂的轨迹控制（221）
9.1操作臂的单关节传递函数及PD控制（222）
9.2二阶线性系统控制器的分解（230）
9.3操作臂的单关节控制规律分解（235）
9.4操作臂的非线性控制（236）
9.5操作臂的多关节控制（238）
9.6基于直角坐标的控制（240）
9.7李雅普诺夫稳定性分析（242）
习题（245）
第10章操作臂的力控制（247）
10.1概述（247）
10.2力力矩传感器（248）
10.3约束运动与约束坐标系（250）
10.4力控制规律的分解（253）
10.5间接力控制（255）
10.6直接力控制（260）
习题（267）
第11章协调控制（268）
11.1概述（268）
11.2双臂协调运动的约束关系（268）
11.3双臂协调的关节力矩计算（273）
11.4多指手爪的运动分析（277）
11.5抓取的稳定性和可操作性（281）
11.6多指抓取规划和协调控制（283）
习题（288）
第12章视觉图像处理（290）
12.1图像传感器与视觉系统（290）
12.2图像几何变换与摄像机成像模型（295）
12.3空间滤波（298）
12.4频域滤波（303）
12.5图像分割（306）
12.6特征提取（309）
12.7图像匹配（312）
12.8图像拼接（316）
习题（319）
第13章视觉运动控制（321）
13.1视觉标定（321）
13.2立体视觉（325）
13.3视觉检测（331）
13.4视觉跟踪（336）
13.5视觉伺服控制（340）
习题（345）
第14章视觉导航定位（346）
14.1概述（346）
14.2视觉里程计（350）
14.3后端优化（357）
14.4回环检测（362）
14.5建图（365）
14.6激光雷达SLAM（369）
14.7多传感器融合（374）
14.8飞行机器人（377）
习题（381）
第15章汽车式移动机器人（382）
15.1简介（382）
15.2运动学建模（384）
15.3机动性（389）
15.4动力学建模（393）
15.5运动控制（395）
习题（399）
第16章运动规划（401）
16.1空间（401）
16.2广义维罗尼图法（405）
16.3单元分解法与全覆盖路径规划（407）
16.4基于采样的运动规划（410）
16.5人工势力场法（413）
习题（416）
附录A符号与术语（417）
附录B术语中英文对照（421）
参考文献（425）

本书自2018年出版以来，受到了各方人士的广泛关注。许多机器人学专家和主讲教师对本书提出了他们的宝贵意见和建议。特别应该感谢的是天津大学黄田教授、燕山大学赵铁石教授、上海交通大学熊振华教授、中国科技大学陈小平教授、北京航空航天大学于靖军教授、清华大学刘辛军教授、西安交通大学徐海波教授等，他们在百忙之中参加了2019年12月在华中科学大学召开的首届“机器人学教学研讨会”，基于多学科综合及应用实践方面的考虑，从教材定位、内容选取、编排系统性和规范性等角度出发，指出了书中的缺点和错误，提出了改进意见，并阐述了对机器人学发展的深刻见解。他们的远见卓识，使我们受益匪浅。
为进一步完善本书，我们组织了本书的修订工作。此次修订删去了上一版中第13章“自适应控制”和第17章“飞行机器人”，对第９章“操作臂的轨迹控制”、第11章“运动规划”和第16章“轮式移动机器人”进行了大幅修改，增加了对视觉导航定位的介绍，并对部分章节顺序进行了调整。具体分工如下：第1～7章由李文龙、陈文斌负责，第8～11章由赵欢、杨吉祥负责，第12～14章由杨华负责，第15～16章由李益群负责，参考文献及附录由李文龙负责。
此次修订得到了华中科技大学机械学院丁汉院长和王书亭副院长，以及“数字制造装备与技术”国家重点实验室的支持，在此深表感谢。在修订过程中，还得到了杨文玉教授和孙容磊教授的支持和帮助，谨致谢意。实际上书中的内容也反映了杨文玉教授和孙容磊教授多年的教学经验和研究成果。
机器人学科是不断发展的，限于作者的研究水平和教学经验，书中的错误和缺点仍不可避免，恳请任课老师和读者批评指正。