第1版前言

机器人是跨学科领域

机器人与执行复杂工作的智能机器相关联，能够有针对性地执行类似于人类的复杂任务。对机器人可能实现功能的期待使该技术充满了吸引力，因此，机器人也成为社会和文化领域研究的对象。除了有关基因工程的讨论之外，还可以将机器人技术作为参考点，讨论当前和未来技术发展的可能性和危险。在更接地气的技术科学中，机器人是应用控制、调节、传感器技术、人工智能等方法的热门测试对象。

本书着重于工业机器人技术，它在机器人应用领域具有很大的经济重要性，并且是新兴应用的源头，如医疗技术和服务领域。即使是工业机器人系统本身也是一种技术产品，只能通过许多专业学科之间的跨学科合作来创造。它涉及力学、机械工程、电气工程、驱动技术、信息处理和计算机科学、数学、控制工程、传感器技术、专家系统和人工智能，但并不能一概而论。还应该考虑在工业环境中使用时的情况，一个工业机器人只是复杂生产环境的一个子系统，因此必须与其他工业机器人和自动化设备一起工作，并与控制系统进行通信。基于这个原因，机器人技术还受生产计划、人体工程学和业务管理方面的影响。最后，但并非最不重要的一点是，工业机器人作为自动化技术中引人注目的合理化工具，并与社会兼容的技术形成相关，对它的讨论仍在进行中。

本书的重点和读者对象

任何想要熟悉机器人技术的人都面临着一个非常广泛和跨学科的领域。在工业机器人技术中，使用了来自技术学科的多功能、高性能组件用于开发廉价、高度灵活的机器——机器人。因此，本书的重点是运动学、动力学和控制方法，这些方法可以在组件基础上开发并有效地使用功能控制。这种机电一体化方法侧重于位置描述、运动控制、编程、动力学描述和运动控制等。了解运动描述和编程也是熟悉机器人技术特殊子领域的先决条件，如传感器技术、图像处理、高级编程方法、协作机器人、防撞、人工智能和自主行为。

本书面向广泛的读者群，对于将机器人技术作为其主要研究的一部分大学和技术学院的学生，本书提供了工业机器人运动描述、编程和控制方面的基础内容。

对于越来越多使用工业机器人的工程师来说，本书介绍了运动描述的基本知识，以便对工业机器人或其他多轴设备进行适当的编程，从而有效地使用它们。随着控制硬件性能随成本的降低而提高，在研究实验室之外开发、测试和使用控制算法成为可能。对于在实践中处理这些任务的工程师，本书为建模和控制设计提供了有效的入门知识和启发。

经验表明，当工程专业的学生运用机器人技术或作为工程师在实践中转向开环和闭环控制的新方法时，开环和闭环控制的数学方法形成了很大的门槛。因此，本书通过简单的、面向应用的示例逐步介绍了开环和闭环控制绝对必要的数学知识，以便数学方法从一开始就与应用直接相关。与其他教科书相比，本书首先介绍了单关节和双关节机器人的控制和调节方法，然后又介绍了商用工业机器人的控制和调节方法。书中提供的大部分习题都可以用MATLAB解决。通过菜单控制的简单编程语言，可以在 RoCSy中指定徕斯RV6工业机器人的运动，并使用整体模型在三维空间中将它们可视化。RoCSy中还包含使用传统和高级控制方法时控制行为的仿真和图形表示。

本书的内容

第1章概述了机器人技术的一些基本领域。本书后续的内容可分为两部分：第一部分（第2~5章）涉及运动学描述和编程；第二部分（第6章和第7章）涉及动力学和控制。

在第2章中，介绍了向量和矩阵的基础知识后，从简单的应用实例中引出使用旋转矩阵、齐次矩阵（框架）和德纳维特-哈滕贝格约定描述工业机器人的位置。同时，通过新的、详细的表达可以使德纳维特-哈滕贝格约定对于工业机器人的应用入门简单化。在机器人技术中很重要的关节坐标和笛卡儿坐标之间的转换在第3章中讨论，并以双关节机器人和关节臂机器人RV6为例进行了说明。第4章详细解释了运动和插补的基本类型，第5章涉及机器人编程，用于适当指定这些运动顺序。读者可以使用RoCSy的简单离线编程语言进行练习和可视化。

本书第6章介绍了工程师用作描述机器人动力学容易和有效的牛顿-欧拉方法。牛顿-欧拉方法并不像通常那样用作应用算法，它以一种易于理解的方式推导出来，供没有经过良好力学培训的工程师使用。第7章描述了带有驱动相关伺服电子设备和变速器的电驱动系统，以获得合适的控制模型，最终与机器人手臂动力学相结合，形成向量微分方程。第7章为传统的级联控制，它没有明确包括控制设计中轴的位置和运动的相互影响。该章介绍了单关节控制的优点和局限性。一个强大的控制系统在控制驱动器时必须考虑关节的连接。自适应联合控制的原理是改善控制特性的第一种可能性。处理基于模型的控制，包括直接在控制算法中的动态非线性模型，从而有助于解耦。在控制方法中，有各种各样的方法可以处理，以实现简单、明确的方案。本书介绍了基于模型的控制，它与实践中常见的级联结构一起工作，解释了模糊技术和神经网络的过程和基本结构，并概述了在机器人控制中的一些应用，对力控制的结构进行了概述。

附录包含一些矩阵的定义和计算规则，以及有关使用仿真软件RoCSy和其他MATLAB程序进行路径计算和仿真的信息。需要学生版或完整版的MATLAB 5。MATLAB 6中的可执行程序可以向作者索取。

使用本书的要求和可能性

要理解前5章，只需要少量的三角学、几何学、分析、微积分等数学知识。如有必要，将逐步介绍使用向量和矩阵的操作，或者可以在附录中简要找到。只是想熟悉运动和编程说明的读者不必阅读第6章和第7章的内容。第3章中的运动学转换原理足以满足开发机器人编程运动命令所需的背景知识。

第6章介绍了作为多体系统的工业机器人手臂的运动学和动力学，其中驱动系统包含在数学模型中。在此描述的基础上，第7章讨论了各种控制方法。要学习这两章，读者应该具备大学工程课程中所教授的运动学、动力学以及控制工程的基本知识。

致谢

本书形成于对书中所述主题的深入关注和严格审查。从这个意义上说，来自工业机器人专业的同事和学生为本书的创作做出了贡献。所以我特别感谢Dipl.-Ing.Gunter Trautmann先生，Jens Meyer先生及帮助开发RoCSy仿真环境的学生和毕业生。我要感谢我的同事Friedrich Münter教授仔细地审查了书稿的部分内容，也非常感谢Hanser Verlag出版社Erika Hotho女士。达姆施塔特应用技术大学管理层和有关部门对进行机器人技术领域的教学和项目的要求是完成本书的前提。我还要感谢EASY-ROBTM公司的Stefan Anton先生授权和帮助将其可视化软件集成到RoCSy开发环境中。徕斯机器人有限公司（Reis Robotics GmbH）、库卡机器人有限公司（KUKA Roboter GmbH）、平田机器人技术有限公司 （Hirata Robotics GmbH）、博世公司（Bosch GmbH）和IMT彼得·纳格勒有限公司（Peter Nagler GmbH）都热心地向我提供了自己的图片资料，对此表示衷心感谢！我的家人对我额外工作的理解，为本书的成功出版做出了重大贡献。

沃尔夫冈·韦伯

2002年3月于达姆施塔特

第5版前言

第5版以为学生和从业人员提供一个便于使用且易于理解的著作为目标，涵盖控制和调节的基础领域和特殊领域。

本版的特别之处是Heiko Koch博士成为合著者。除了各种更新和补充外，他还对基于图像的控制进行了介绍，该控制在实践中的应用越来越广泛。

在第2章加入了滚动角-俯仰角-偏航角。在第3章增加了SCARA 机器人逆变换的不同方法。在第4章增加了五次样条（五阶样条）。在第5章用RAPID语言进行工业机器人编程。在第6章增加了递归牛顿-欧拉方法中德纳维特-哈滕贝格参数与运动学信息的关系。在第7章增加了基于图像的控制部分。本书的网站不断更新。

我们要感谢所有为我们提供新图像材料的公司和机构，感谢指出错误并为新版本提出建设性建议的学生和专家同事。最后我们还要感谢Carl Hanser Verlag出版社的Julia Stepp女士在准备第5版出版时给予的愉快和积极的合作。

沃尔夫冈·韦伯，海科·科赫

2021年10月于达姆施塔特