本书定位为一本专业基础课教材，因此本书的编著遵循“以学生为中心”的指导思想，章节内容安排以循序渐进为原则，按照由易到难、由浅入深、由简至繁的形式展开，既便于教师授课，又利于学生自学。本书共八章，具体内容包括绪论、机器人系统分析与设计基础、机器人运动学、机器人动力学、机器人运动规划、机器人控制、机器人编程语言、典型机器人系统的设计与实现。为了加强课程的学习效果，本书在相关章节安排实例分析，期望通过实例引发读者的深入思考，并在各章的最后编入扩展阅读内容，便于读者开展探索式学习，达到启发思维的目的。为了更好地将理论和实践相结合，本书对各章知识点所涉及的算法和系统给出相关算法伪代码或系统仿真实例以进行验证，同时在章节末尾编有习题和编程内容，有利于学生巩固、提高自己的知识和技能。 本书可作为机器人工程专业的高年级本科生或研究生教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员的参考用书。

高等院校教师

党的二十大报告指出要建设现代化产业体系，推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。机器人作为新一代信息技术、人工智能、新材料等技术的应用载体，为推动制造业的高端化、智能化提供强有力的支撑。我国是目前最早在高等教育领域设立“机器人工程”专业的国家。据统计，自2015年第一个机器人工程专业由教育部批准建设至2025年，全国已有392所高校成功申报机器人工程本科专业（专业代码：080803T）。在本科阶段开设机器人工程专业，需要在“新工科”教学改革基本思想指导下，突出自身办学特色和实现优势学科交叉的同时，重新梳理传统“机器人学”课程与教材的理论教学内容和实践安排。
在设立机器人工程专业之前，“机器人学”课程实际已在大学广泛开设，但大多只是供本科高年级学生或研究生选修。这类课程采用的国内外教材一般为《机器人学》或《现代机器人学》等，教学内容涵盖机器人的机构、规划、控制，以及视觉与SLAM（Simultaneous Localization And Mapping，即时定位与制图）等，但涉及的运动学、动力学、运动规划和控制等内容基本上仅以工业机器人为例。这类教材作为非机器人工程专业的选修课程参考教材是毫无问题的，但判断一本书是否适合作为机器人工程专业必修的专业基础课教材使用，需要考虑以下四个方面的问题：
1）传统教材涵盖内容太多，需要将有些内容另外单独开设课程，如机器人的机构设计、视觉和SLAM等内容。
2）如果参考机械、控制和计算机等专业的课程设置，则可设置一门“机器人原理与技术”这样的专业必修课程，需要将机器人学相关的运动学、动力学、运动规划和控制等核心基础内容作为共性的基础模块，在专业基础课中进行重点讲授，且这些理论和方法不能只局限于串联机械臂这一类工业机器人形态上。
3）机器人学在近二十年得到了飞跃式的发展，需要将现代机器人学相关新理论、新方法进行有选择的融入。传统《机器人学》教材中一些知识点较为陈旧，需要进行修正和补充。例如，在传统机器人学中，机器人“位姿（Pose）”这一概念通常被描述为机器人的笛卡儿空间坐标加姿态角，如果在运动学、动力学、运动规划和控制等章节只讲位姿，不利于先进算法的引入。而现代机器人学在运动学、动力学、运动规划和控制等算法中，大量采用“位形（Configuration）”这一概念，采用位形进行描述，可以将运动学、动力学、运动规划等问题从六维（位置加姿态）扩展到更高的维数进行求解，相较于位姿更具有可扩展性。除此之外，一些传统教材中未涵盖的理论与方法也需要引入到专业基础课的教材中，如四元数、旋量、指数坐标、普吕克坐标、运动旋量和力旋量等概念，以及机器人系统的现代建模仿真方法、现代工业机器人的运动学通用标定方法和动力学参数标定方法、现代机器人集成设计与仿真平台软件中常用的基于空间向量表示法的动力学算法、独立关节建模及系统控制方法、机器人编程语言解析原理等，这些内容有必要根据需要融入专业基础课的教学内容中。
4）需要注重机器人工程专业的学科交叉，不同风格的学校可以根据机构、控制或计算机等学科交叉侧重，自行设计各章节的授课学时与内容讲授的深入程度，结合“新工科”的工程范式教育模式，在讲述清楚基础理论方法的同时，注重技术实现，并适当配套仿真及实物试验。
本书定位为一本专业基础课教材，不同于学术专著或论文，需要面向的读者对象是还未涉足本学科知识领域或对本学科理解尚浅的初学者。因此本书的编著遵循“以学生为中心”的指导思想，章节内容安排以循序渐进为原则，按照由易到难、由浅入深、由简至繁的形式展开，既便于教师授课，又利于学生自学。此外，为了加强课程的学习效果，本书在相关章节安排实例分析，期望通过实例引发读者的深入思考，并在每章的最后安排扩展阅读，便于读者开展探索式学习，达到启发思维的目的。
本书系统地介绍机器人基础理论及技术，共分为八章。
第1章为绪论，介绍机器人的历史、定义、分类及发展趋势。
第2章为机器人系统分析与设计基础，介绍机器人与人工智能的关系、机器人体系结构，让读者从人工智能顶层架构出发，掌握机器人系统设计的宏观指导思想，并根据体系结构的组成范式，对机器人系统的组成进行抽象分析；除了介绍机器人姿态的多种数学描述方法之外，还采用现代机器人学中位形的概念，统一描述机器人状态和环境；按照刚体的运动将机器人简化成由关节以及通过关节连接的刚体组成的刚体树机器人模型，介绍常用的机器人建模描述文件，并通过实例讲解机器人系统建模与仿真方法；最后介绍机器人系统设计过程中需要遵循的基本原则及主要步骤。
第3章为机器人运动学，介绍串联机械臂、并联机器人及移动机器人的运动学。正运动学算法介绍DH表示法、旋量法、四元数法和对偶四元数法四种具体的求解方法，逆运动学算法介绍满足Pieper准则的机器人封闭解法——解析法，以及解析法与几何向量法结合的混合解法，并引入机器人雅可比矩阵的三种求法，讲解多自由度机器人基于雅可比矩阵迭代的多种逆运动学数值解法；基于雅可比矩阵，介绍机器人速度与静力学的相关知识，讲解机器人奇异性及工作空间的分析方法。
第4章为机器人动力学，对引起机器人运动的力和力矩进行分析，研究机器人运动与作用于机器人本体的力和力矩之间的数学关系，详细介绍采用拉格朗日方程及牛顿欧拉方程建立机器人动力学模型的理论与方法。在逆动力学方法中，加入现代旋量理论中的运动旋量和力旋量的概念，介绍基于现代旋量理论的逆动力学方程推导过程；针对机器人正动力学，介绍Featherstone提出的关节体算法（ABA），并介绍利用逆动力学方程求解正动力学的方法，以及采用欧拉积分法与正动力学数值方程进行数值求解和机器人运动仿真的方法；最后以六轴机械臂为例，进行机器人正、逆动力学的计算及分析。
第5章为机器人运动规划，再次引入现代机器人学中的位形表达方法，除了介绍基于位形空间的连续轨迹规划方法外，还加入基于位形空间的离散化规划方法，包括多种组合规划方法、图搜索算法、基于采样的规划方法，以及常用的势场法、动态窗口法等局部规划方法；针对在离散化地图中采用组合规划方法或基于采样的规划方法进行运动规划时存在的运动不平滑问题，介绍运动轨迹平滑的方法；最后简要介绍全局规划与局部规划的关系。
第6章为机器人控制，在介绍机器人控制之前，首先介绍机器人运动学参数标定、坐标系标定和动力学参数辨识的基本方法；针对工业机器人，描述独立关节控制模型，并在独立关节控制模型基础上，设计点跟踪控制律及力矩控制器；在单关节控制的基础上，介绍多关节机器人控制系统基本原理，并基于约束坐标系，采用运动旋量和力旋量进行解耦控制，设计机器人力/位混合控制器；针对移动机器人，介绍移动机器人点镇定控制和轨迹跟踪控制的基本原理，并以两轮差速驱动移动机器人为例，讲解实现点镇定控制的基本原理，以全向移动机器人为例，讲解实现轨迹跟踪控制的基本原理；针对移动机器人的运动控制，介绍移动机器人里程计的基本估算方法。
第7章为机器人编程语言，介绍机器人语言的分类，以及机器人编程语言的基本要求，并以一个简单实例介绍机器人语言解析器的基本设计原理；最后以AUBO协作机器人为例，介绍机器人示教器编程与SDK编程基本方法。
第8章为典型机器人系统的设计与实现，将前面各章主要知识点与实际应用结合，介绍构建典型机器人系统的方法，并对三个典型机器人系统的实现进行介绍。
本书由闵华松和魏洪兴编著，具体分工为：第1～6章由闵华松撰写，第7章由闵华松和魏洪兴共同撰写，第8章由魏洪兴撰写。
本书的编写和出版得到了众多专家、学者的热情鼓励与帮助。本书的编写参考了大量机器人专著、教材以及期刊、会议论文，在此对相关作者表示衷心的感谢！本书的出版得到了武汉科技大学研究生教材专项基金资助，在此表示感谢。
由于编著者水平所限，加之机器人相关理论与技术发展日新月异，书中难免存在错漏，敬请读者批评指正。
编著者