机器人建模与控制是机器人学的一个重要分支，已渗透到各类机器人的分析和设计中。本书着重介绍机器人建模与控制的基础知识，包括空间描述和变换、机器人运动学、机器人逆运动学、机器人微分运动学和静力学、机器人轨迹规划、机器人动力学、机器人运动控制和机器人力控制等内容。根据工科学生的学习特点，本书选材注意基础性和系统性，理论推导注意严谨性和直观性，内容表述注意由浅入深、由简到繁。每章都配有习题供学习时练习。 本书适合作为普通高校机器人工程、自动化、智能制造等专业的本科生和研究生教材，也可供科技工作者学习参考。

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第1章绪论1
1.1机器人学概述2
1.2机器人分类3
1.2.1按控制方法分类3
1.2.2按应用领域分类3
1.2.3按移动功能分类4
1.3机械臂系统与结构4
1.3.1机械臂系统4
1.3.2串联机械臂5
1.3.3常见机械臂几何结构5
1.4机器人建模与控制简述7
1.4.1基本概念7
1.4.2机械臂设计方法9
习题10
第2章空间描述和变换11
2.1坐标系与向量11
2.1.1笛卡儿直角坐标系11
2.1.2向量12
2.1.3三维向量的内积和外积13
2.2参考系中点和刚体的描述16
2.2.1点的位置描述16
2.2.2刚体的位置和姿态描述16
2.2.3齐次变换矩阵17
2.3两个坐标系的几何关系18
2.3.1两个坐标系的相对姿态18
2.3.2两个坐标系的相对位置19
2.3.3两个坐标系的相对位姿20
2.3.4同一个点在两个参考系中的描述21
2.3.5坐标系变换的链乘法则22
2.4姿态的欧拉角表示和固定角表示23
2.4.1基本旋转矩阵23
2.4.2姿态的欧拉角表示25
2.4.3姿态的固定角表示29
2.4.4欧拉角表示和固定角表示的一个缺点32
2.5姿态的等效轴角表示和坐标系的旋转、平移变换35
2.5.1姿态的等效轴角表示35
2.5.2旋转矩阵与坐标系旋转39
2.5.3齐次变换矩阵与坐标系的旋转、平移40
2.6姿态的单位四元数表示44
2.6.1四元数44
2.6.2单位四元数表示45
2.6.3单位四元数乘法与坐标系旋转48
2.6.4欧拉参数52
习题54
第3章机器人运动学56
3.1串联机构中的运动学参量56
3.1.1串联机构的组成56
3.1.2连杆长度与连杆转角57
3.1.3连杆偏距与关节角58
3.1.4首末关节的运动学参量59
3.2建立坐标系的非标准D-H（Denavit-Hartenberg）方法59
3.2.1运动学参量表59
3.2.2连杆联体坐标系的配置61
3.3机器人正运动学64
3.3.1相邻连杆联体坐标系的变换64
3.3.2正运动学问题及其求解65
3.3.3PUMA560机器人的运动学方程67
3.3.4笛卡儿空间和关节空间71
习题71
第4章机器人逆运动学74
4.1逆运动学问题74
4.2逆运动学的可解性75
4.2.1工作空间和解的存在性75
4.2.2逆运动学的多解可能性76
4.2.3逆运动学的封闭解和数值解77
4.3代数解法和几何解法77
4.3.1代数解法77
4.3.2几何解法79
4.3.3通过化简为多项式的代数解法80
4.4三轴相交的PIEPER解法81
4.5机器人逆运动学实例83
习题87
第5章机器人微分运动学和静力学89
5.1时变位姿的符号表示90
5.1.1线速度向量90
5.1.2角速度向量91
5.2刚体的线速度与角速度91
5.2.1刚体纯平移时的线速度变化92
5.2.2刚体一般运动时的线速度变化92
5.2.3运动坐标系之间的角速度向量关系94
5.3机器人连杆间的速度传递95
5.3.1转动型关节的速度传递96
5.3.2平动型关节的速度传递97
5.3.3连杆速度计算的向外迭代法97
5.4雅可比矩阵99
5.4.1雅可比矩阵的定义99
5.4.2几何雅可比矩阵100
5.4.3雅可比矩阵的向量积构造法101
5.4.4参考坐标系变换下的雅可比矩阵102
5.5逆微分运动学及奇异性103
5.5.1逆微分运动103
5.5.2奇异性105
5.5.3可操作度107
5.6分析雅可比矩阵109
5.6.1分析雅可比矩阵的定义109
5.6.2刚体角速度与欧拉角速率的关系109
5.6.3分析雅可比矩阵与几何雅可比矩阵的关系110
5.6.4逆运动学数值解111
5.7机器人的静力112
5.7.1力偶与力系平衡112
5.7.2机器人连杆间的静力传递113
5.7.3力域中的雅可比115
习题116
第6章机器人轨迹规划118
6.1路径与轨迹118
6.2关节空间轨迹规划119
6.2.1三次多项式119
6.2.2五次多项式120
6.2.3考虑关节中间点的三次多项式轨迹121
6.2.4带抛物线过渡的直线段123
6.2.5考虑关节中间点的带抛物线过渡的直线段124
6.3笛卡儿空间轨迹规划127
6.3.1笛卡儿直线运动127
6.3.2姿态的四元数插值128
习题130
第7章机器人动力学131
7.1速度和加速度的传递131
7.1.1线速度和角速度的传递131
7.1.2线加速度的传递132
7.1.3角加速度的传递132
7.2刚体的惯性张量与欧拉方程132
7.3牛顿-欧拉迭代动力学方程136
7.3.1向外迭代：速度和加速度的计算137
7.3.2向内迭代：力和力矩的计算139
7.4机器人动力学方程的拉格朗日方法146
7.4.1动能的计算146
7.4.2势能的计算147
7.4.3（完整的）拉格朗日动力学方程147
7.4.4动力学方程的性质151
习题153
第8章机器人运动控制154
8.1独立关节控制155
8.1.1电机及电机驱动器155
8.1.2减速器及关节模型156
8.1.3旋转编码器及关节传递函数模型157
8.1.4考虑阶跃输入的PD控制器设计158
8.1.5考虑阶跃输入的PID控制器设计160
8.1.6考虑二阶可导输入的PID控制器设计162
8.2计算转矩前馈控制163
8.3集中控制167
8.3.1电机电流反馈167
8.3.2集中控制的被控对象模型169
8.3.3重力补偿PD控制170
8.3.4逆动力学控制171
8.3.5鲁棒控制172
8.3.6自适应控制175
习题178
第9章机器人力控制180
9.1力位混合控制181
9.1.1坐标系和约束181
9.1.2力位混合控制器设计184
9.2阻抗控制185
9.2.1阻抗控制策略185
9.2.2阻抗控制器186
9.2.3机器人阻抗控制188
9.3关节力/力矩控制191
9.3.1电流环控制192
9.3.2应变片式力矩传感器192
9.3.3串联弹性驱动器192
习题193
附录195
附录A欧拉角和固定角的旋转矩阵公式195
附录B李亚普诺夫函数法197
参考文献199