内容简介
本书面向工科高年级本科生、研究生和研发人员，针对操作臂、腿足式机器人、轮式机器人，分12章全面讲述基于模型的机器人控制，包括现代机器人系统与控制问题、机构学基础、参数识别、位置/轨迹追踪控制、力控制、鲁棒控制与自适应控制、柔性臂控制、最优控制等单台机器人控制理论、方法与技术，以其为基础的多机器人协调、主从机器人控制理论与方法，以轮式机器人线性控制及非完整约束系统控制、载臂轮式机器人失稳恢复及稳定移动控制、双足稳定步行控制、腿足式机器人全域自稳定器收篇。
本书内容丰富、图文并茂、深入浅出，融入作者多年机器人控制的研究生教学经验与科研成果，多从被控对象实际出发阐述控制问题的思路和独到见解，思考题与习题可引领读者深度思考与应用。
目录
第1章绪论——机器人控制概论001
1.1机器人的概念及其分类001
1.1.1机器人的定义001
1.1.2机器人的分类002
1.1.3如何认识各类机器人的控制问题003
1.1.4对基于模型的机器人控制问题的总体认识006
1.2机器人控制方法007
1.2.1第1代～第2代——机器人的控制方法007
1.2.2第3代——智能机器人的控制方法008
1.3基于模型的机器人控制方法与本书内容安排008
1.3.1机器人学基础008
1.3.2机器人最基本的控制方法（运动学控制法和位置轨迹追踪控制法）009
1.3.3考虑不确定量的控制法（自适应控制和鲁棒控制）010
1.3.4力控制与力位混合控制法011
1.3.5机器人运动最优化与最优控制011
1.3.6柔性机器人操作臂建模与控制012
1.3.7多机器人的协调控制012
1.3.8主从机器人控制013
1.3.9移动/操作机器人控制013
1.4如何学好用好基于模型的机器人控制理论、方法与技术013
1.4.1打好工科先修课基础013
1.4.2客观看待作为被控对象的机器人并努力提高专业认知水平014
1.5关于“控制论”“控制理论”与“控制工程”017
1.5.1关于维纳的控制论及“控制”017
1.5.2控制理论与控制工程018
【思考题与习题】020
第2章被控对象——机器人系统的组成与控制问题021
2.1机器人系统总体构成021
2.1.1人类处理核废料的作业问题与机器人概念简介021
2.1.2机器人系统的一般组成024
2.1.3机器人系统一般组成的实例说明038
2.2工业机器人操作臂机械系统、机构与机械结构040
2.2.1工业机器人操作臂系统PUMA262/562040
2.2.2MOTOMAN K系列工业机器人操作臂044
2.3移动机器人系统、机构与机械结构050
2.3.1足式移动机器人系统及双足机器人机构与结构050
2.3.2四足机器人机构与机械结构052
2.3.3多移动方式的足式机器人系统、机构与机械结构056
2.3.4多移动方式仿猿双臂手机器人系统、机构与机械结构061
2.3.5轮式移动机器人的系统、机构与机械结构069
2.3.6小结071
2.4关于机器人控制的实际问题071
2.4.1机器人控制上的有界性与自身机构约束和奇异问题071
2.4.2机器人精度以及从控制上能否补偿机械精度不足的问题072
2.4.3关于机器人轨迹控制与力控制的实际问题073
2.4.4腿式、轮式移动机器人控制的实际问题074
2.5本章小结074
【思考题与习题】075
第3章机器人运动控制的机构学基础077
引言——为什么要研究机器人机构运动学与动力学077
3.1机器人机构与位置、姿态表示077
3.1.1何谓机器人机构以及机器人机构的分类077
3.1.2机器人的自由度与关节082
3.1.3从工业机器人操作臂的应用来谈机器人机构中的数学问题090
3.1.4何谓机器人运动学？092
3.1.5机器人操作臂的坐标系表示与常用的臂部机构构型094
3.1.6作为工业机器人操作臂构形比较基准的初始构形（机构的初始位姿）095
3.1.7安装在工业机器人操作臂末端机械接口处的末端操作器的姿态表示096
3.2坐标系与坐标变换098
3.2.1物体和坐标系098
3.2.2物体间相对运动坐标变换的解析几何分析与齐次坐标变换矩阵102
3.3机器人机构正运动学解法及其解的用途116
3.3.1机器人机构的坐标系建立116
3.3.2机器人机构的杆件及关节的D-H参数表示法117
3.3.3机器人机构的正运动学求解方法与示例119
3.3.4机器人机构的正运动学求解方法与解的用途122
3.4机器人机构的逆运动学求解方法123
3.4.1逆运动学问题的一般解法123
3.4.2逆运动学问题的解析几何解法124
3.5机器人机构的雅可比矩阵133
3.5.1微小位移与雅可比矩阵133
3.5.2水平面内运动的2-DOF机械臂的雅可比矩阵135
3.5.3通用的雅可比矩阵表示135
3.5.4力与关节力矩间的关系138
3.5.5力的坐标变换关系139
3.6机器人机构的动力学141
3.6.1机器人机构的运动学与动力学问题的数学描述141
3.6.2矢量分析与矩阵变换在刚体或质点系运动学中的应用142
3.6.3从矢量表示的拉格朗日方程到用矩阵表示的拉格朗日方程147
3.6.4牛顿-欧拉法多刚体系统运动方程151
3.7机器人机构的运动方程的一般形式及其应用156
3.7.1多刚体系统运动方程156
3.7.2多刚体机器人系统的运动方程的一般形式157
3.8腿足式步行机器人机构及其运动学158
3.8.1关于腿足式步行机器人机构与运动学问题158
3.8.2关于腿足式步行机器人基本步态160
3.8.3腿足式步行机器人机构的运动学及步行样本生成方法161
3.9轮式移动机器
前言/序言
时光荏苒，自1990年3月在北京王府井新华书店购得第一本机器人学入门的经典教科书，即由杨静宇等译、中国科学技术出版社1989年10月出版的《机器人学：控制·传感技术·视觉·智能》一书，先后开启了自己的机器人学习、研究、研究生教学之旅，至今已经33年有余。从1988年最初跟随导师王永洁教授攻读硕士学位，从事PUMA机器人设计智能CAD技术研究、机器人机构仿真软件研发，到1992年跟随著名机器人专家蔡鹤皋教授攻读博士学位，从事七自由度仿人手臂系统研制、轻型工业机器人设计与研发，一路边学习、边研究机器人，再经蔡先生推荐，1999年赴日本名古屋大学福田敏男教授研究室作博士后，从事类人及类人猿型机器人设计与研发，后归国回哈尔滨工业大学继续任教已是2001年。除了前述这本机器人学，所幸读了古田胜久的日文版《机械系统控制》、立命馆大学有本卓教授的日文版《机器人控制》、1997年日本计测自动控制学会的日文版《机器人控制实际》、由Chae HAn，Christopher GAtkesin，John MHollerbach等共著1988年MIT出版的英文版《基于模型的机器人操作臂的控制》等多本机器人控制方面的专业书籍，深感专家学者们深厚的控制理论、技术以及数学功底深厚和研究贡献之多之大。随着自己在机器人及其运动控制方面研究的被控对象愈加复杂化，深感被控对象的实际控制问题与控制理论的差异性，在一边研究机器人及其控制，一边思考如何去更多地帮助研究生们从被控对象实际问题的角度出发去学习、看待和理解控制理论、方法的过程中，逐渐产生了为研究生开设“机器人控制”课程的想法，并先后于2005年、2007年为哈尔滨工业大学机械工程学科研究生自编讲义，分别开设了非基于模型的“仿生机器人及其智能运动控制”和基于模型的“机器人控制的实际应用”，并不断结合自己的科研方向与研究成果更新内容。
研究生课程教学与指导研究生科研中，讲机器人控制理论，直接给出用矢量与矩阵表示的动力学方程，学生一时难以接受，才发现大学理论力学课程中标量方程直接上升到研究生阶段的矢量与矩阵表示的n维广义坐标、广义力的动力学方程，在教学上有“断层”，机器人控制相关教材与其他书籍中控制系统框图中控制器输出直接给被控对象，而功率放大器等伺服驱动与控制单元等技术性内容被“隐含”掉了，如果老师不交代，则学生即便学过伺服驱动与控制技术也不能立即领悟，机器人被控对象机械系统与力学的实际问题不去交代或交代不充分，则依然停留在控制系统原理框图上。机器人机构奇异到底意味着控制上将会出现什么样的问题？机器人力位混合控制中力控制与位置控制的辩证关系是什么？机器人参数识别实验设计应该怎样考虑实际问题？机器人力控制怎样做才有安全且尽可能宽的适用范围？力控制器的控制参数实际控制时怎样才能整定？怎样才能从物理上讲清楚机器人以及多机器人协调时的内力？PID控制律根本的数学依据是什么？反馈控制中传感器应用的细节问题、腿足式机器人力反射控制中力传感器的实际问题、机器人机械本体机构与机械结构设计时如何考虑控制问题而不是等到控制需要时再考虑？等等。这些问题并非都是需要研究才能搞清楚的，有些只是在教科书中没有去涉及。现有基于模型的机器人控制方面教材更多地从现代控制理论与方法的角度去讲控制器设计的理论与系统特性分析，而对于被控对象本身的实际问题讲解得不够或单纯以理论解释理论，最后，学生读者可能仍然不得要领。在机器人控制方面，首先从被控对象所属学科专业的角度去充分地认知和理解是必要且首要的，然后才是与现代控制理论、方法与技术的融合与融会贯通，才会有应有的学习与应用效果。再者，各类机器人控制理论、方法、技术在发展过程中代表性的知识点、历程也需要相应地加以适当的铺垫，比如，1971年，英国牛津大学研制的采用液压驱动的世界上第一台双足动步行机器人“Witt”的步行控制方法及控制系统结构，尽管当时的技术条件远远无法比拟现代，但可谓“先见之明”，即便在当今也仍然具有重要的指导意义。
鉴于以上种种研究教学与科研上的考虑，在本人2007年为哈尔滨工业大学硕士研究生、博士研究生开设并自编讲义授课至今的“机器人控制的实际应用”课程（2018年被评为哈尔滨工业大学研究生精品课程，2019年至现在更名为“机器人控制理论与实际应用”），以及2014年为哈工大继续教育学院开设并编著的“机器人创新设计——轮式移动机器人创新设计基础”课程讲义等教学和不断完善、增补新内容的基础上，同时融入本人在工业机器人操作臂、仿人手臂、多移动方式机器人、仿生仿人机器人、非连续介质间摆荡渡越移动机器人、攀爬桁架机器人研制与控制方面相关科研成果，逐渐写成了以机器人操作臂、轮式移动机器人、腿足式移动机器人为被控对象，以“移动”+“操作”为特征的现代机器人的控制理论、方法与技术一书。本书旨在促使学生读者从臂、腿、轮式以及载臂轮式、多移动方式等机器人作为被控对象的机械系统实际
