本书面向工科高年级本科生、研究生和研发人员，针对操作臂、腿足式机器人、轮式机器人，分12章全面讲述基于模型的机器人控制，包括现代机器人系统与控制问题、机构学基础、参数识别、位置/轨迹追踪控制、力控制、鲁棒控制与自适应控制、柔性臂控制、最优控制等单台机器人控制理论、方法与技术，以其为基础的多机器人协调、主从机器人控制理论与方法，以轮式机器人线性控制及非完整约束系统控制、载臂轮式机器人失稳恢复及稳定移动控制、双足稳定步行控制、腿足式机器人全域自稳定器收篇。
本书内容丰富、图文并茂、深入浅出，融入作者多年机器人控制的研究生教学经验与科研成果，多从被控对象实际出发阐述控制问题的思路和独到见解，思考题与习题可引领读者深度思考与应用。
第1章绪论——机器人控制概论001
1.1机器人的概念及其分类001
1.1.1机器人的定义001
1.1.2机器人的分类002
1.1.3如何认识各类机器人的控制问题003
1.1.4对基于模型的机器人控制问题的总体认识006
1.2机器人控制方法007
1.2.1第1代～第2代——机器人的控制方法007
1.2.2第3代——智能机器人的控制方法008
1.3基于模型的机器人控制方法与本书内容安排008
1.3.1机器人学基础008
1.3.2机器人最基本的控制方法（运动学控制法和位置轨迹追踪控制法）009
1.3.3考虑不确定量的控制法（自适应控制和鲁棒控制）010
1.3.4力控制与力位混合控制法011
1.3.5机器人运动最优化与最优控制011
1.3.6柔性机器人操作臂建模与控制012
1.3.7多机器人的协调控制012
1.3.8主从机器人控制013
1.3.9移动/操作机器人控制013
1.4如何学好用好基于模型的机器人控制理论、方法与技术013
1.4.1打好工科先修课基础013
1.4.2客观看待作为被控对象的机器人并努力提高专业认知水平014
1.5关于“控制论”“控制理论”与“控制工程”017
1.5.1关于维纳的控制论及“控制”017
1.5.2控制理论与控制工程018
【思考题与习题】020
第2章被控对象——机器人系统的组成与控制问题021
2.1机器人系统总体构成021
2.1.1人类处理核废料的作业问题与机器人概念简介021
2.1.2机器人系统的一般组成024
2.1.3机器人系统一般组成的实例说明038
2.2工业机器人操作臂机械系统、机构与机械结构040
2.2.1工业机器人操作臂系统PUMA262/562040
2.2.2MOTOMAN K系列工业机器人操作臂044
2.3移动机器人系统、机构与机械结构050
2.3.1足式移动机器人系统及双足机器人机构与结构050
2.3.2四足机器人机构与机械结构052
2.3.3多移动方式的足式机器人系统、机构与机械结构056
2.3.4多移动方式仿猿双臂手机器人系统、机构与机械结构061
2.3.5轮式移动机器人的系统、机构与机械结构069
2.3.6小结071
2.4关于机器人控制的实际问题071
2.4.1机器人控制上的有界性与自身机构约束和奇异问题071
2.4.2机器人精度以及从控制上能否补偿机械精度不足的问题072
2.4.3关于机器人轨迹控制与力控制的实际问题073
2.4.4腿式、轮式移动机器人控制的实际问题074
2.5本章小结074
【思考题与习题】075
第3章机器人运动控制的机构学基础077
引言——为什么要研究机器人机构运动学与动力学077
3.1机器人机构与位置、姿态表示077
3.1.1何谓机器人机构以及机器人机构的分类077
3.1.2机器人的自由度与关节082
3.1.3从工业机器人操作臂的应用来谈机器人机构中的数学问题090
3.1.4何谓机器人运动学？092
3.1.5机器人操作臂的坐标系表示与常用的臂部机构构型094
3.1.6作为工业机器人操作臂构形比较基准的初始构形（机构的初始位姿）095
3.1.7安装在工业机器人操作臂末端机械接口处的末端操作器的姿态表示096
3.2坐标系与坐标变换098
3.2.1物体和坐标系098
3.2.2物体间相对运动坐标变换的解析几何分析与齐次坐标变换矩阵102
3.3机器人机构正运动学解法及其解的用途116
3.3.1机器人机构的坐标系建立116
3.3.2机器人机构的杆件及关节的D-H参数表示法117
3.3.3机器人机构的正运动学求解方法与示例119
3.3.4机器人机构的正运动学求解方法与解的用途122
3.4机器人机构的逆运动学求解方法123
3.4.1逆运动学问题的一般解法123
3.4.2逆运动学问题的解析几何解法124
3.5机器人机构的雅可比矩阵133
3.5.1微小位移与雅可比矩阵133
3.5.2水平面内运动的2-DOF机械臂的雅可比矩阵135
3.5.3通用的雅可比矩阵表示135
3.5.4力与关节力矩间的关系138
3.5.5力的坐标变换关系139
3.6机器人机构的动力学141
3.6.1机器人机构的运动学与动力学问题的数学描述141
3.6.2矢量分析与矩阵变换在刚体或质点系运动学中的应用142
3.6.3从矢量表示的拉格朗日方程到用矩阵表示的拉格朗日方程147
3.6.4牛顿-欧拉法多刚体系统运动方程151
3.7机器人机构的运动方程的一般形式及其应用156
3.7.1多刚体系统运动方程156
3.7.2多刚体机器人系统的运动方程的一般形式157
3.8腿足式步行机器人机构及其运动学158
3.8.1关于腿足式步行机器人机构与运动学问题158
3.8.2关于腿足式步行机器人基本步态160
3.8.3腿足式步行机器人机构的运动学及步行样本生成方法161
3.9轮式移动机器人机构及其运动学与力学166
3.9.1轮式移动机器人概述166
3.9.2转向操纵型车轮的转向操纵原理166
3.9.3独立驱动型车轮的转向操纵原理169
3.9.4带有转向操纵机构的移动机器人小车转向角、转弯半径及曲率169
3.9.5带有独立转向型车轮的移动机器人小车转向角、转弯半径及曲率170
3.9.6轮式移动机器人走行所需的驱动力171
3.9.7考虑含有回转部分惯性矩的驱动力情况172
3.10本章小结173
【思考题与习题】173
第4章机器人参数识别176
4.1为什么要进行机器人参数识别？176
4.2机器人运动方程与物理参数177
4.3机器人运动的限幅随机驱动与参数识别的基本思想178
4.3.1机器人运动的限幅随机驱动178
4.3.2机器人参数识别的基本思想和原理179
4.4机器人运动方程与基底参数的选择180
4.4.1机器人运动方程与参数180
4.4.2基底参数的定义及其选择182
4.5参数识别的原理和算法182
4.5.1逐次识别法182
4.5.2同时识别法185
4.5.3逐次识别法与同时识别法的优缺点讨论186
4.6参数识别实验前需考虑的实际问题186
4.7双足机器人参数识别与实验187
4.7.1基于足底力和关节位置/速度数据的机器人参数识别187
4.7.2参数识别的通用模型与求解算法187
4.7.3双足机器人的参数识别问题建模188
4.7.4双足机器人的参数识别实验与结果分析190
4.8本章小结192
【思考题与习题】193
第5章机器人位置/轨迹追踪控制194
5.1机器人机构学与位置/轨迹追踪控制的总论194
5.1.1机器人运动学与动力学之间的关系194
5.1.2机器人位置/轨迹追踪控制的总论195
5.2机器人位置/轨迹追踪控制的基本概念与分类197
5.2.1机器人位置/轨迹追踪控制的一些基本概念197
5.2.2以焊接机器人操作臂为例对实际的位置/轨迹追踪控制中的轨迹进行说明198
5.2.3机器人位置/轨迹追踪控制方法的分类199
5.3机器人位置/轨迹追踪控制的PID控制200
5.3.1PID控制的数学与力学基本原理200
5.3.2机器人位置轨迹追踪控制的PID控制器202
5.3.3机器人位置轨迹追踪控制的PD控制系统与控制技术202
5.4动态控制204
5.4.1何谓机器人的动态控制204
5.4.2机器人的前馈动态控制204
5.5前馈+PD反馈的动态控制206
5.5.1何谓机器人的前馈+PD反馈的动态控制？206
5.5.2前馈+PD反馈的动态控制器及其控制系统构成206
5.6计算力矩控制法206
5.6.1何谓机器人动态控制的计算力矩控制法？206
5.6.2计算力矩控制法的控制器及其控制系统构成207
5.7加速度分解控制法208
5.7.1为什么需要加速度分解控制？208
5.7.2何谓机器人动态控制的加速度分解控制法208
5.7.3加速度分解控制法的控制器及其控制系统构成209
5.7.4机器人作业空间内有位姿轨迹外部测量系统的加速度分解控制系统209
5.8本章小结211
【思考题与习题】212
第6章机器人力控制213
6.1机器人作业的分类与力控制基本概念213
6.2用于机器人力控制的力传感器及其应用215
6.2.1六维力与六维力传感器215
6.2.2JR3六维力/力矩传感器系统及其在力控制系统的应用216
6.2.3六维力/力矩传感器测得的力/力矩数据的转换和力学原理217
6.2.4关于机器人受到来自于环境作用的外力的处理方法与力反馈方式220
6.3机器人操作臂与作业环境的数学和力学建模221
6.3.1平面内机器人与作业环境或作业对象物的建模221
6.3.2n自由度机器人与作业环境或作业对象物的通用模型221
6.3.3关于机器人与环境力学模型的使用222
6.4基于位置控制的力控制系统223
6.4.1基于位置控制的力控制的概念和力控制方法的分类223
6.4.2刚度控制（stiffness control）的力控制系统224
6.4.3阻尼控制（damping control）的力控制系统226
6.4.4阻抗控制（impedance control）的力控制系统228
6.4.5假想柔顺控制（compliance control）的力控制系统229
6.4.6基于位置控制的力控制小结及自然思考229
6.5基于力矩控制的力控制系统230
6.5.1基于力矩控制的力控制系统的概念及分类230
6.5.2无动力学补偿的直角坐标系内基于JT和PD控制的力控制系统及稳定性分析231
6.5.3无动力学补偿的混合控制方法与力控制系统232
6.5.4有动力学补偿的力控制方法233
6.5.5有动力学补偿的动态混合力控制方法234
6.6基于位置控制的力控制与基于力矩控制的力控制系统和方法的比较234
6.7本章小结234
【思考题与习题】235
第7章机器人模型参数不确定下的动态控制——鲁棒控制和自适应控制236
7.1机器人模型的不确定性与动态控制问题236
7.1.1机器人模型及模型参数的不确定性236
7.1.2机器人动态控制问题238
7.1.3何谓机器人的鲁棒控制239
7.1.4何谓机器人的自适应控制240
7.2机器人动力学特征及动力学方程的不确定量240
7.2.1动力学特征240
7.2.2机器人模型存在的不确定量表示241
7.3基于逆动力学的基本控制方式和不确定性的影响241
7.3.1基于逆动力学的基本控制方式——公称控制241
7.3.2基于逆动力学的公称控制的增益矩阵Kp、Kv及闭环系统的稳定响应242
7.3.3不确定量对闭环系统稳定性影响的分析243
7.4基于李雅普诺夫方法的鲁棒控制243
7.5基于被动特性的鲁棒控制244
7.5.1基于被动特性的鲁棒控制的基本控制方式——公称控制244
7.5.2基于被动特性的鲁棒控制——基本控制方式下的不确定性影响246
7.5.3采用李雅普诺夫方法的鲁棒控制——基于被动特性的鲁棒控制及其改进版247
7.6机器人的自适应控制248
7.6.1自适应控制及其控制系统类型248
7.6.2机器人操作臂系统线性化的自适应控制应用问题249
7.6.3考虑机器人操作臂构造的自适应控制系统构成249
7.6.4自适应控制方法中的机器人操作臂系统的模型化问题250
7.6.5机器人系统模型化、基底参数和自适应控制控制律（控制算法）251
7.7本章小结254
【思考题与习题】254
第8章机器人最优控制与最短时间控制256
8.1最优控制的基本概念和形式化256
8.1.1变分法的基本问题、概念及其发展256
8.1.2最优控制的基本概念257
8.1.3定常系统与非定常系统的最优控制问题及问题的转换258
8.2变分法在最优控制问题的应用259
8.2.1乘子向量λ（t）、哈密尔顿（Hamilton）函数H（x， u，λ）与欧拉（Euler）方程组259
8.2.2变分法用于最优控制问题时边界条件的规范化形式260
8.3最优控制中自由端点问题的最大值原理262
8.3.1自由端点问题的提法262
8.3.2最大值原理262
8.4最优控制中tf可动时的自由端点问题的最大值原理262
8.5最优控制中终端状态带有约束的最大值原理263
8.6机器人最优控制及其最优控制输入求解问题的最优化表达264
8.6.1机器人最优控制的实际问题264
8.6.2机器人最优控制输入求解问题的最优化表达264
8.7机器人最优控制问题的最优控制输入求解方法266
8.7.1求解机器人最优控制输入问题的梯度法266
8.7.2梯度法求解机器人最优控制输入的数值解法算法与流程267
8.8机器人最短时间控制268
8.8.1机器人最短时间控制的形式化268
8.8.22-DOF平面机器人最短时间控制的实验及结果270
8.9本章小结275
【思考题与习题】275
第9章机器人柔性臂的建模与控制277
9.1柔性臂建模基础277
9.1.1从刚性的工业机器人操作臂到机器人柔性臂277
9.1.2机器人柔性臂的类型及基本原理278
9.1.3刚性关节-弹性杆件串联机器人柔性臂的坐标系与坐标变换279
9.1.4刚性关节-弹性杆件串联机器人柔性臂的正运动学方程280
9.2柔性臂动力学建模及其运动方程式282
9.2.1机器人柔性臂动力学建模的拉格朗日法282
9.2.21杆机器人柔性臂的动力学建模285
9.3机器人柔性臂的控制理论与方法289
9.3.1状态方程式和输出方程式289
9.3.2机器人柔性臂的鲁棒稳定控制291
9.4机器人柔性臂控制仿真结果293
9.4.1机器人柔性臂模型及物理参数293
9.4.2机器人柔性臂控制仿真结果与分析293
9.5本章小结295
【思考题与习题】295
第10章机器人协调控制296
10.1引言——单台机器人与多机器人协调问题296
10.1.1如何看待多机器人协调问题？296
10.1.2关于多机器人协调控制的根本问题297
10.2多机器人操作的作业对象物的运动和内力298
10.2.1作业对象物的运动与坐标系定义298
10.2.2被操作的作业对象物所受的“内力”301
10.3多机器人操作作业对象物的协调控制问题与方法302
10.3.1引言——多机器人操作臂操作物体需要考虑的问题302
10.3.2物体的运动与内力的控制303
10.3.3关于负载的分配问题304
10.4基于阻抗控制的协调控制305
10.4.1引言305
10.4.2操持单个物体的柔顺控制问题与虚拟阻抗305
10.4.3操持单个物体的各机器人操作臂的阻抗控制306
10.4.4两台机器人操作臂协调进行装配作业的阻抗控制307
10.5本章小结310
【思考题与习题】311
第11章主从机器人系统的主从控制312
11.1引言——主从机器人概念与发展概况312
11.1.1何谓主从机器人系统和主从机器人操作臂系统312
11.1.2主从机器人发展概况313
11.1.3关于本章的特别说明314
11.2基本的双向控制315
11.2.1基本的双向控制系统的结构315
11.2.21-自由度系统的模型化315
11.2.3对称型双向主从控制317
11.2.4力反射型双向主从控制318
11.2.5力归还型双向主从控制318
11.2.6双向控制系统的统一表示319
11.3主从机器人操作臂系统控制的稳定性320
11.4以系统稳定为目标的主从控制320
11.4.1并联（并行）型控制法（parallel control method）主从控制320
11.4.2基于假想（虚拟）内部模型的主从控制321
11.4.3主从操作的动态控制323
11.4.4主从操作的阻抗控制323
11.5主从机器人异构的主从控制324
11.5.1主从机器人系统操作存在的问题与主从异构的概念324
11.5.2在公共坐标系内进行的主从双向控制325
11.5.3在臂坐标系内进行的双向控制326
11.6本章小结326
【思考题与习题】327
第12章移动机器人控制的基础理论、方法与技术328
12.1移动机器人控制概论328
12.1.1移动和移动方式及移动机器人分类328
12.1.2移动机器人技术发展概论328
12.1.3移动机器人控制的理论与实际问题335
12.2轮式移动机器人轨迹追踪控制336
12.2.1由与位移成比例的操纵机构操纵的直线移动轨迹控制336
12.2.2由与位移、速度成比例的操纵方法操纵的直线行走337
12.2.3独立二轮驱动型移动机器人的直线行走控制339
12.2.4轮式移动机器人直线行走控制方法的总结339
12.2.5轮式移动机器人轨迹追踪控制与电机电流控制340
12.3轮式机器人非完整约束系统与非线性控制342
12.3.1非线性控制与可积性342
12.3.2什么是非完整约束和非完整约束系统344
12.3.3非完整约束控制和欠驱动机械系统控制345
12.3.4非完整约束控制系统和欠驱动机械的几何模型347
12.3.5速度约束为非完整约束的车辆模型349
12.4轮式移动机器人的欠驱动控制与奇异点问题356
12.4.1引言356
12.4.2车辆控制和奇异点问题356
12.4.3车辆的轨迹追踪问题359
12.4.4车辆的目标轨迹追踪控制361
12.5轮式移动机器人的移动稳定性与稳定移动控制361
12.5.1轮式移动机器人的移动稳定性问题361
12.5.2双摆杆可变摆长倒立摆小车模型的动力学运动行为特性分析364
12.5.3载臂轮式移动机器人基于倒立摆小车模型的失稳恢复与稳定移动控制374
12.6腿足式步行移动机器人的稳定步行控制与全域自稳定器391
12.6.1关于腿足式步行移动机器人的稳定步行控制理论与方法概论391
12.6.2腿足式步行机器人用传感器原理与使用393
12.6.3ZMP概念及基于ZMP的稳定步行控制原理与技术404
12.6.4本田技研P2、P3型以及ASIMO等全自立仿人机器人的步行控制原理与技术407
12.6.5基于强化学习和并联机构训练平台的腿足式机器人全域自稳定器获得方法与实验411
12.6.6本节小结428
12.7本章小结428
【思考题与习题】428
附录430
参考文献441
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