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本书面向机器人工程专业教学需求，结合电机拖动及自动控制相关内容，介绍机器人运动学和动力学控制的基础知识，主要包括绪论、机器人运动学及动力学模型、机器人关节传动系统、机器人关节驱动与控制、机器人轨迹规划与控制、机器人非线性动力学控制、机器人力控制及力位柔顺控制等内容，旨在使学生掌握机器人控制系统的基本原理和相关知识，形成并建立对机器人这一类特殊控制对象的系统性概念，为深入学习机器人高级智能控制奠定必要的理论基础。本书既可作为高等院校机器人工程专业及其他相关交叉专业本科生的教材，也可供研究生及工程技术人员参考。

第0章  绪论	1
0.1  机器人的概念及其发展历程	1
0.2  机器人的组成与结构	4
0.3  机器人与传统机械的关系	5
0.4  机器人的感知、驱动与控制	7
0.5  人、机器人与环境	8
第1章  机器人运动学及动力学模型	10
1.1  机器人位姿求解	10
1.2  机器人速度分析	13
1.3  机器人静力分析	18
1.4  转动惯量及惯性张量	20
1.5  机器人动力学建模方法	23
1.6  机械臂动力学模型	27
1.7  两连杆平面机械臂的动力学建模	32
1.8  带平行四边形机构的机械臂	36
思考题与习题	42
第2章  机器人关节传动系统	45
2.1  机器人关节传动系统的组成与结构	46
2.2  关节传动参数计算	48
2.3  负载	50
2.4  运动精度	53
2.5  机器人驱动电机	56
2.6  机器人关节传感器	69
2.7  机器人关节控制系统	73
2.8  电机传动系统的效率	74
2.9  多电机共轴驱动系统	75
2.10  并联机构机器人	76
思考题与习题	78
第3章  机器人关节驱动与控制	80
3.1  闭环反馈控制	80
3.2  一阶系统	83
3.3  二阶系统	85
3.4  典型希望特性系统	88
3.5  PID控制方法	90
3.6  直流电机驱动系统的伺服控制	95
3.7  机器人单关节轨迹控制	102
3.8  前馈控制	103
3.9  考虑关节柔性的控制	104
思考题与习题	108
第4章  机器人轨迹规划与控制	109
4.1  机械臂关节空间与笛卡儿空间的运动变换	110
4.2  机械臂通过系列路径点的运动	112
4.3  机械臂笛卡儿空间轨迹规划	117
4.4  机器人示教及离线编程	124
4.5  数控机床轨迹插补控制	127
4.6  机器人控制系统设计	130
4.7  基于单关节伺服的机器人轨迹控制	134
4.8  多电机共轴驱动系统的控制	137
4.9  视觉伺服	141
思考题与习题	146
第5章  机器人非线性动力学控制	147
5.1  质量-弹簧-阻尼系统的模型	147
5.2  电机系统的动力学模型	148
5.3  刚度模型	149
5.4  双质量模型	151
5.5  基于状态空间的控制模型	152
5.6  李雅普诺夫稳定性	158
5.7  质量-弹簧-阻尼系统的PD控制	161
5.8  基于控制律分解的控制方法	163
5.9  跟踪系统的PD控制方法	164
5.10  干扰的抑制作用	165
5.11  非线性系统的PD控制方法	167
5.12  基于控制律分解的机器人PD控制	169
5.13  反馈线性化及逆动力学控制	172
5.14  自适应控制	174
5.15  鲁棒控制	178
思考题与习题	180
第6章  机器人力控制及力位柔顺控制	181
6.1  质量-弹簧-阻尼系统的力控制	181
6.2  自然约束与人工约束	184
6.3  机器人力位混合控制	187
6.4  柔性环境模型	189
6.5  柔性环境中的力控制	192
6.6  柔性环境中的力位混合控制	195
6.7  机器人阻抗/导纳控制	202
6.8  实际机器人的力位柔顺控制问题	206
6.9  机器学习方法与机器人动力学控制	208
思考题与习题	210

工业机器人自20世纪80年代在工业领域成功应用以来，一直迅猛发展，正以“机器人+”的形态延伸到工业、农业、医疗、建筑等多个领域，发挥着越来越重要的作用。我国工业机器人市场已连续多年位居世界第一。与此同时，机器人技术的进步及其应用领域的扩大也促进了机器人学科专业教育的快速发展。
机器人应用领域的快速发展，对机器人学科专业建设和相关人才提出了迫切的需求。我国自2015年开始设立机器人工程本科专业，截至2022年，我国已有323所高校开设了机器人工程专业。
机器人学科是一门多学科交叉、特点十分突出的新工科学科，在知识体系、专业内涵、课程设置及教材建设等方面面临着诸多挑战。首先，在我国实施机器人工程专业教育之前，学生对机器人学科知识的学习一般在研究生阶段进行，相关的参考书也主要适用于研究生阶段的教学，不适用于本科生阶段的教学。其次，多学科交叉的特点为机器人学科的知识点和知识体系的梳理也带来较大的困难，学生在理解上存在较多的难点。最后，机器人作为一种多自由度的运动系统有别于其他传统机械设备，相比于传统设备的直角坐标控制，机器人的位姿形态更为复杂，运动学和动力学的耦合也更为明显。因此，本书针对上述背景和需求，面向机器人工程专业培养计划需求，围绕动力学控制问题进行提炼归纳，从关节伺服到机械臂整机控制进行全面梳理，建立统一的知识点架构及知识点关联体系，为机器人专业基础课程的教学提供参考。
本书包括绪论、机器人运动学及动力学模型、机器人关节传动系统、机器人关节驱动与控制、机器人轨迹规划与控制、机器人非线性动力学控制、以及机器人力控制及力位柔顺控制等内容，涵盖了从关节到机械臂整机系统，从关节伺服到机械臂位姿轨迹控制，以及机械臂力位柔顺控制的基本内容。在简要介绍机器人运动学、动力学模型的基础上，本书细化了对关节电机控制系统的论述，并将机器人关节和整机相结合，阐述机器人的位姿轨迹控制及力位柔顺控制的相关理论和方法。
本书内容已在东北大学机器人工程专业多个年级的教学实践中使用。东北大学自2016级本科生开始设立机器人工程专业，在培养计划中将机器人学基础的相关内容分为两个部分，以“机器人基础原理”和“机器人动力学控制”两门课程分别讲授。“机器人基础原理”在大二下学期开设，主要讲授运动学、动力学建模部分；“机器人动力学控制”在大三上学期开设。通过2016级～2020级五年的教学实践，验证了本书内容及知识点体系在机器人工程专业本科阶段的合理性。
教师使用本书时可根据具体授课目标及授课要求选取其中的部分章节进行讲授。本课程的先修内容为机器人运动学和动力学建模部分。教学时也可将本课程放在大三下学期或者大四开设。读者在学习本书前应预先学习机器人坐标变换及运动学和动力学建模的相关知识。本书既可用于机器人工程专业本科教学，也可供其他相关交叉专业的高年级本科生使用，同时可供研究生及机器人工程技术人员参考。
本书得以出版感谢电子工业出版社及刘瑀老师的信任和大力支持。同时，在书稿撰写过程中本人参考了多部国内外相关文献，在此一并向各位作者表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在差错及不当之处，在此欢迎同仁批评指正。

房立金      
于东北大学

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