本书以车臂一体机器人为例介绍智能机器人系统控制技术，内容包括机器人概述、机器人结构设计、机器人运动学、机器人动力学、机器人轨迹规划、机器人控制、机器人控制决策硬件系统、机器人软件系统、机器人低层传感器系统、机器人高层传感器系统以及多机器人系统。本书提供机器人开发实例配套的相关资源及电子教案，读者可在华信教育资源网（https://www.hxedu.com.cn）下载。本书可作为高等院校机器人、自动控制、计算机、机械工程和电气工程等专业机器人控制课程的教材，也可供机器人控制工程技术人员参考。

第1章 机器人概述\t1
1.1 机器人的历史及发展\t1
1.2 常见的机器人类型\t3
1.2.1 按应用领域分类\t3
1.2.2 按运动形式分类\t6
1.3 智能机器人相关技术\t8
1.3.1 机器人结构\t8
1.3.2 机器人运动学\t8
1.3.3 机器人动力学\t8
1.3.4 机器人轨迹规划\t9
1.3.5 机器人控制\t9
1.3.6 机器人硬件系统\t9
1.3.7 机器人软件系统\t10
1.3.8 机器人智能传感器系统\t10
1.4 习题\t10
第2章 机器人结构设计\t11
2.1 机器人结构\t11
2.1.1 机身框架\t11
2.1.2 机器人关节\t14
2.1.3 机器人连杆\t16
2.1.4 减速器及传动系统\t17
2.1.5 驱动系统及执行器\t18
2.2 机器人结构类型\t20
2.2.1 机械臂类型\t20
2.2.2 移动机器人类型\t22
2.3 机器人结构设计案例\t24
2.3.1 三轮全向机器人设计\t25
2.3.2 三自由度机械臂设计\t27
2.4 习题\t28

第3章 机器人运动学\t29
3.1 机器人运动学概述\t29
3.1.1 机器人运动学内容\t29
3.1.2 机器人运动学概念\t30
3.2 轮式车体机器人运动学模型\t32
3.2.1 轮式车体机器人运动学模型设计步骤\t32
3.2.2 三轮全向车体机器人运动学案例\t32
3.3 机械臂运动学模型\t35
3.3.1 正运动学\t35
3.3.2 逆运动学\t37
3.3.3 雅可比矩阵\t39
3.3.4 三自由度机械臂运动学案例\t40
3.3.5 三自由度机械臂雅可比矩阵应用案例\t43
3.4 习题\t46
第4章 机器人动力学\t47
4.1 机器人动力学概述\t47
4.1.1 机器人动力学研究内容\t47
4.1.2 机器人动力学研究意义\t48
4.2 机器人动力学模型\t50
4.2.1 牛顿-欧拉模型\t50
4.2.2 拉格朗日模型\t51
4.2.3 基于关节空间的机器人动力学模型\t52
4.3 轮式车体机器人动力学模型\t54
4.4 机械臂动力学模型\t55
4.5 习题\t57
第5章 机器人轨迹规划\t58
5.1 机器人轨迹规划概述\t58
5.2 关节空间规划和笛卡儿空间规划\t59
5.2.1 关节空间规划\t59
5.2.2 笛卡儿空间规划\t62
5.3 机器人轨迹规划插值方法\t64
5.3.1 线性插值\t64
5.3.2 多项式插值\t64
5.3.3 B样条曲线插值\t68
5.3.4 3-5-3多项式插值\t70
5.4 轮式车体机器人轨迹规划\t71

5.5 三自由度机械臂轨迹规划\t73
5.6 习题\t74
第6章 机器人控制\t75
6.1 机器人控制概述\t75
6.2 反馈与闭环控制\t76
6.2.1 开环控制\t77
6.2.2 闭环控制\t77
6.3 被控对象模型\t77
6.3.1 传递函数模型\t78
6.3.2 状态空间模型\t80
6.4 机器人控制方法\t81
6.4.1 PID控制\t82
6.4.2 模型预测控制\t83
6.5 基于李雅普诺夫定理的控制器稳定性分析\t87
6.5.1 李雅普诺夫定理\t87
6.5.2 李雅普诺夫稳定性分析流程\t87
6.5.3 李雅普诺夫机器人控制器设计\t88
6.5.4 李雅普诺夫定理在机器人系统中的应用\t90
6.6 机器人控制算法设计实例\t90
6.6.1 三轮全向机器人小车控制算法设计案例\t90
6.6.2 三自由度机械臂控制算法设计案例\t92
6.7 习题\t94
第7章 机器人控制决策硬件系统\t95
7.1 机器人控制决策硬件系统概述\t95
7.2 智能机器人硬件整体架构\t95
7.3 智能机器人硬件系统案例\t96
7.3.1 车体嵌入式微控制器系统\t97
7.3.2 机械臂嵌入式微控制器板\t97
7.3.3 嵌入式微处理器决策处理平台\t98
7.4 习题\t98
第8章 机器人软件系统\t99
8.1 机器人软件系统概述\t99
8.2 ROS\t99
8.2.1 ROS的特点\t100
8.2.2 ROS的版本\t101
8.2.3 ROS 2 DDS通信\t103
8.3 ROS软件框架\t104
8.3.1 ROS 2文件系统\t104
8.3.2 ROS 2计算图\t107
8.4 ROS 2的通信机制\t109
8.4.1 发布-订阅模型\t109
8.4.2 服务通信模型\t111
8.4.3 动作通信模型\t113
8.5 ROS 2中的常用组件\t116
8.5.1 launch文件\t116
8.5.2 TF工具\t119
8.5.3 RViz可视化工具\t121
8.5.4 RQt工具箱\t123
8.5.5 rosbag数据记录与回放\t124
8.5.6 Gazebo\t126
8.5.7 Nav2\t128
8.5.8 MoveIt 2\t129
8.5.9 行为树\t130
8.6 micro-ROS\t131
8.6.1 micro-ROS架构\t131
8.6.2 micro-ROS主要组件\t132
8.6.3 micro-ROS机器人开发实例\t134
8.7 习题\t136
第9章 机器人低层传感器系统\t137
9.1 机器人低层传感器系统概述\t137
9.2 姿态传感器\t137
9.2.1 姿态传感器数据处理\t138
9.2.2 多传感器融合\t139
9.3 超声波传感器\t143
9.3.1 超声波测距电路设计\t144
9.3.2 超声波测距数据处理\t145
9.3.3 多超声波传感器测距\t145
9.4 红外传感器\t146
9.4.1 传统的红外障碍物检测模块\t146
9.4.2 高级的红外测距模块\t147
9.5 碰撞传感器及电池电压测量传感器\t148
9.5.1 碰撞传感器\t148
9.5.2 电池电压测量传感器\t148
9.6 ROS 2传感器数据处理\t149
9.7 习题\t151
第10章 机器人高层传感器系统\t152
10.1 机器人高层传感器系统概述\t152
10.2 激光传感器\t152
10.2.1 激光传感器原理\t153
10.2.2 激光传感器种类\t155
10.2.3 激光传感器匹配定位方法\t159
10.2.4 机器人结合激光应用\t163
10.3 视觉传感器\t172
10.3.1 视觉传感器概述\t172
10.3.2 视觉传感器图像处理\t173
10.3.3 视觉定位\t176
10.3.4 ROS 2视觉导航案例\t187
10.4 习题\t188
第11章 多机器人系统\t189
11.1 多机器人系统概述\t189
11.2 车臂多机器人案例\t189
11.2.1 车体和机械臂基于视觉的位置标定\t190
11.2.2 车体和机械臂综合决策案例\t191
11.3 习题\t193
参考文献\t194