本书主要内容包括绪论、机器人仿真工具基础、机器人学的数学基础、机器人正向运动学分析、机器人逆向运动学分析、机器人速度分析、机器人静力学分析、机器人动力学分析、机器人轨迹规划、机器人控制、机器人力的控制、机器人先进控制、基于视觉的机器人控制、机器人高级应用、空间机器人。本书在机器人学理论的内容中，加入了先进的仿真内容，由浅入深，使读者从繁重的公式计算中脱离出来，便于读者学懂弄通；本书还给出了典型多自由度机器人的公式推导结果，如 SCARA 机器人、斯坦福机械手、PUMA560 、ABB 机器人等，便于读者在实际应用时参考；本书后半部分对机器人视觉、双臂机器人、人形机器人、机器人增材制造、空间机器人进行了分析和讲解，便于读者在相关前沿领域开发应用时参考。

王磊，西安交通大学高端制造装备协同创新中心副研究员。主要从事高端数控装备与增材制造等方面的研究工作。主持国家重大科技专项、国家重点研发计划、基础加强项目及省部级项目10余项，参与国家级科研项目8项、中国工程院战略咨询项目10项，其他省部级10余项；已发表学术论文30余篇，授权发明专利30余件，主编及参与8本著作、1本教材，主持及参与增材制造领域国家、行业标准5项；荣获2019年陕西省中青年科技创新领军人才称号。作为项目负责人，开发多机器人复合加工工艺及装备，探索开发了太空金属增材制造原理样机等。 刘海涛，西安工业大学讲师。毕业于西安交通大学，获得博士学位，西安交通大学/沈阳机床设计研究院博士后，主要从事机器人设计、控制、仿真等方面的研究，发表论文10余篇。

前言
第1章绪论1
1.1机器人与机器人学1
1.2机器人的分类2
1.3工业机器人的组成6
1.4机器人基本参数和性能指标10
1.5机器人的发展趋势12
1.6小结14
第2章机器人仿真工具基础15
2.1数学建模仿真工具基础15
2.1.1MATLAB软件介绍15
2.1.2Simulink仿真工具箱简介16
2.2多体系统建模仿真工具基础23
2.2.1ADAMS软件介绍23
2.2.2单连杆机器人建模仿真案例25
2.3二连杆机器人建模33
2.3.1问题描述33
2.3.2创建载荷34
2.3.3创建系统状态变量35
2.3.4创建输出/输入对象36
2.3.5创建转矩37
2.3.6导出控制对象37
2.4拟人臂机器人建模39
2.4.1问题描述39
2.4.2最终模型40
2.4.3创建系统状态变量和输入/输出
对象40
2.4.4导出控制对象40
2.5球坐标机器人（RRP）建模41
2.5.1问题描述41
2.5.2最终模型41
2.5.3创建系统状态变量和输入/输出
对象41
2.5.4创建关节驱动42
2.5.5导出控制对象43
2.6二连杆机器人刚柔耦合建模44
2.6.1问题描述44
2.6.2刚柔杆的替换方法44
第3章机器人学的数学基础45
3.1空间基本概念描述45
3.1.1点的空间描述45
3.1.2矢量的空间描述46
3.1.3刚体运动及刚体变换47
3.2刚体位姿的空间描述47
3.2.1刚体位置的空间描述47
3.2.2刚体姿态的空间描述——旋转
矩阵48
3.3齐次坐标变换——刚体运动变换
矩阵50
3.4刚体姿态的其他描述方法52
3.4.1RPY角52
3.4.2欧拉角54
3.4.3四元数57
3.5相对于参考系的坐标变换58
3.5.1相对于参考系的平移变换58
3.5.2相对于参考系的旋转变换59
3.5.3相对于参考系的复合变换61
3.6相对于本地坐标系的变换63
3.7旋转矩阵的指数坐标形式65
3.8刚体变换矩阵的指数坐标形式67
第4章机器人正向运动学分析71
4.1标准D-H法71
4.2修正的D-H法88
4.3机器人正向运动学的指数积公式96
第5章机器人逆向运动学分析108
5.1几何法108
5.2直接代数法110
5.3串联机器人逆向运动学通用解法115
第6章机器人速度分析134
6.1微分运动与雅可比矩阵134
6.2斜对称矩阵137
6.3角速度及角速度叠加原理141
6.4线速度叠加原理142
6.5完整雅可比矩阵计算143
6.6刚体的空间速度与物体速度148
6.7基于指数积公式的雅可比矩阵推导151
6.8雅可比矩阵的逆与奇异性157
6.9雅可比矩阵的伪逆159
6.10雅可比矩阵与灵巧度162
第7章机器人静力学分析165
7.1连杆的受力和平衡分析165
7.2力雅可比矩阵166
7.3二连杆机器人静力学建模171
7.3.1初始位姿调整171
7.3.2施加负载和转矩172
7.3.3仿真设置及结果173
第8章机器人动力学分析174
8.1拉格朗日法174
8.2单连杆机械人动力学分析177
8.3二连杆机器人动力学分析177
8.4单连杆机器人动力学仿真180
8.4.1问题描述181
8.4.2创建系统变量和输入对象181
8.4.3修正关节转矩变量表达式182
8.5基于递归牛顿-欧拉法的动力学
方程184
8.5.1刚体的线加速度和角加速度185
8.5.2惯性张量185
8.5.3速度和加速度的外推186
8.5.4关节力矩的内推187
8.5.5基于牛顿-欧拉法的二连杆机械
臂动力学仿真分析188
第9章机器人轨迹规划193
9.1轨迹规划基本原理193
9.2关节空间轨迹规划194
9.2.1三次多项式插值194
9.2.2五次多项式插值197
9.2.3带抛物线过渡线性插值200
9.3直角坐标空间轨迹规划203
9.4考虑姿态的直角坐标空间轨迹规划212
第10章机器人控制217
10.1关节独立PD控制217
10.2单连杆PD控制仿真218
10.3带重力补偿的单连杆PD控制219
10.4二连杆PD控制仿真221
10.5拟人臂机械手PD控制仿真222
10.6基于逆向动力学模型的控制224
10.6.1非线性模型的反馈线性化224
10.6.2模型线性化+闭环反馈控制225
10.7基于逆向动力学模型的机器人控制
仿真226
第11章机器人力的控制230
11.1机器人被动柔顺控制230
11.2机器人主动柔顺控制230
11.3机器人阻抗控制231
11.3.1机器人关节空间阻抗控制231
11.3.2机器人直角坐标空间阻抗
控制233
11.4机器人主动刚度控制234
11.5力位置混合控制235
11.6二连杆机器人关节空间阻抗控制
仿真236
11.7二连杆机器人直角坐标空间阻抗
控制仿真240
11.8二连杆机器人主动刚度控制仿真243
11.9二连杆机器人力位置混合控制
仿真244
第12章机器人先进控制248
12.1李雅普诺夫稳定性判据248
12.2机器人自适应控制250
12.2.1机器人名义模型建立250
12.2.2不确定部分的RBF神经网络
逼近251
12.2.3控制器设计与分析252
12.2.4二连杆机械臂RBF神经网络的
自适应控制仿真253
12.3机器人滑模变结构控制259
12.3.1机器人滑模控制的基本原理259
12.3.2基于名义模型的二连杆机器人
滑模控制率设计260
12.3.3二连杆机械臂滑模控制仿真261
第13章基于视觉的机器人控制266
13.1基于位置的视觉伺服267
13.2基于图像的视觉伺服271
第14章机器人高级应用278
14.1双臂协作机器人建模仿真278
14.1.1双臂协作机器人简介278
14.1.2双臂机器人仿真案例279
14.2人形机器人建模仿真281
14.2.1人形机器人简介281
14.2.2人形机器人仿真案例282
14.3机器人与增材制造技术284
14.3.1金属定向能量沉积285
14.3.2机器人非金属增材制造装备289
14.3.3增材制造助力机器人技术
创新291
第15章空间机器人294
15.1空间机器人概述294
15.1.1空间机器人定义294
15.1.2空间机器人的分类295
15.1.3空间机器人的工作环境295
15.2空间机械臂介绍296
15.2.1国际空间站的机械臂296
15.2.2中国空间站的机械臂298
15.2.3其他空间机器人301
15.3在轨制造机器人302
15.3.1在轨制造机器人优势303
15.3.2在轨制造机器人技术现状304
15.4空间机器人建模仿真案例309
15.5空间机器人技术展望312
参考文献313