人工智能、机器人、智能制造、创新设计等名词已经成为人们日常生活中的热门话题，有关机器人的各种各样的社会交流活动也引起了人们对机器人的兴趣，尤其是激起了学生们了解和学习机器人的热情。随着机器人技术的快速发展，有关机器人的教科书也层出不穷。然而，机器人学是机械、电子、计算机等多学科融合的产物，仅通过一两本教科书的学习就完全掌握机器人技术还是具有很大挑战性的。同时，人们也注意到，平时所观看的眼花缭乱的机器人表演，并不能代替我们系统地学习和掌握机器人理论及技术。
为什么大多数人觉得与机器人相关的理论及技术难以掌握？从体系上而言，机器人学并不像其他学科那么完善，这可能是难学的原因之一； 另一原因更可能是学习或教学模式与这门课程不相称，如没有实际的机器人操作实验室或方便的实验用品，学习训练用的相应软件也不完整，从而导致学习的成本和时间代价被无形抬高，最终得出的结论是机器人课程难学。近年来，机器人技术在各个行业的成功应用大大推动了机器人理论及技术的发展，尤其是在高等教育和职业培训方面，更是呈现了如雨后春笋般的发展。人们对机器人学的兴趣也越来越浓厚，尤其是儿童和家长们也情不自禁地加入到学习机器人的行列中，这种情况自然导致相关的机器人教育理论与装备快速发展。
大量实践表明，实际的操作和训练对学习机器人学具有极大的帮助。学生可以通过边学习理论知识，边进行实验及操作，达到事半功倍的学习效果。本书尝试结合配套的桌面机器人实验器材，把机器人理论学习与实验过程密切联系起来，从而使机器人的学习成为既有理论又有实践的互动过程。学生可以在充分的实验操作基础上，快速理解和逐步掌握有关机器人的理论及技术。
本书主要讨论机械臂的结构及其控制，包括空间变换、机械臂运动学、静力学、动力学、运动控制和路径规划等。为了提高学习效率和激发学生的学习兴趣，本书将机械臂基本原理与技术的学习过程建立在桌面机械臂实体与虚拟软件一对一的基础上。例如，机械臂运动学的实验可以在虚拟环境中实现，也可以借助实体机械臂完成真实的操作。本书及配套的机器人实物和实验内容，力图应用简明扼要、深入浅出的图文和实验教具来阐述有关机器人的知识，使学生的学习效率大大提高。
本书内容划分为8章，每一章都配有练习题，供机器人学课程检验所学内容。另外，每一章节后面都配有相关实验课的内容介绍，这些实验都可以在虚拟实验室中实现，并以6轴桌面机械臂实体为主要实验设备让学生可以进行实际的操作和编程训练，具体的实验内容可以在相关网站下载，并且大部分的实验内容是互动和实时更新的。通过理论学习与具体实验相结合，帮助学生深入理解所学的书本知识，并将其应用到实际问题中。有条件的学校还可以结合工业级机器人实验系统进行更深入的操作和训练。
本书的主要内容如下：
第1章概述，主要介绍了机械臂的基本原理、零部件及其结构，并说明了机器人基础理论准备和学习方法。
第2章空间变换，主要介绍了刚体的位姿分析和坐标变换，并在此基础上系统地讨论了几种其他的坐标变换表示方法。这些内容是机器人学的基础数学知识，需要牢固掌握。
第3章运动学，详细描述了机器人系统各关节的坐标系建立和连杆的DH参数，并系统地推导了典型机械臂的正逆运动学模型。这些内容是机器人学的重点内容，也是后续学习必须掌握的基础内容。
第4章静力学，采用牛顿欧拉迭代原理介绍了机械臂各个关节的静力学计算，并推导了典型机械臂的静力学模型，还讨论了雅可比矩阵在静力学中的应用。
第5章动力学，主要介绍了欧拉拉格朗日方程和牛顿欧拉迭代算法，并分别应用这两种方法推导机械臂各个关节的动力学计算和动力学模型。
第6章讨论机械臂运动控制，应用古典控制理论实现对机械臂单关节和多关节的空间运动控制，并介绍了基于状态空间的控制和机器人系统的稳定性。
第7章分析运动轨迹规划，从关节空间和笛卡儿空间两个角度进行机器人的轨迹规划，根据期望点序列完成多项式的计算，实现机械臂的空间操作、示教操作等。
第8章详细讲解了如何将机器人学中的运动学等相关理论应用于一台小型桌面机械臂，并控制桌面机械臂实现点位控制及轨迹控制； 同时还讲解了桌面机械臂的运动控制系统原理，以解决桌面机械臂运动的准确性和平稳性问题。
本书由贾瑞清教授、卢继霞副教授、马飞博士、周东旭硕士、谢明佐硕士、刘晓萍硕士等合作研究与编写。其中，第1、3、4章由贾瑞清编写； 第2、5章由马飞和贾瑞清合作编写； 第6章由卢继霞和贾瑞清合作编写； 第7章由刘晓萍编写； 第8章由周东旭编写。本书配套的实验项目及实验程序由谢明佐和刘晓萍合作设计与编写。
作者衷心感谢所有对本书的准备提供帮助的人。感谢刘欢硕士、宣鹏程硕士、王乾博士、张钧嘉硕士、董会硕士、高鹏硕士、郭晶硕士在本书编写过程中提供的实验和测试技术支持； 感谢贾敏博士协助制作本书的插图和对本书的技术策划； 特别感谢美国TGL总裁王磊先生对本书写作过程中提供的全方位支持。
编著者
2020年5月 于北京
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