本书以经典串、并、混联机器人为主要对象，以“设计”为主线，沿袭传统机构学研究的三个主题——结构学、运动学、动力学，展开相关“型”“性”“度”分析及设计方面的系统讨论。 全书共14章。第1章为绪论。第2章介绍与本书内容密切相关的数学知识，包括回顾线性代数的主要知识点，以及阐述线几何与旋量理论基础等新内容，为后续各章提供数学基础。第3章介绍位形空间与刚体运动，为后续各章提供物理基础。第4章介绍常用机器人机构，为后续各章提供研究对象。第5、6章主要讲述机器人机构的自由度与运动模式分析以及构型综合，属于机器人结构学的研究范畴。第7～10章的内容属于机器人运动学的研究范畴。第7章是机器人运动学基础，主要介绍常用串、并联机器人位移的正、反解求解方法。第8、9章分别从速度雅可比和运动/力交互特性两个角度对机器人的运动性能进行评价。第10章简单介绍了一些有关机器人运动学尺度综合及优化设计的内容。第11、12章分别简单介绍了机器人静力学（含静刚度）和动力学的基础知识。第13章主要涉及柔性机器人机构学的基本内容，是对刚体机器人机构学研究内容的补充。第14章给出了两个综合设计实例，反映对前述理论方法的应用。 本书可作为机器人相关专业的本科高年级学生及研究生的教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员的参考用书。

前言
符号表
第１章　绪论…………………………………… １
１-１　机器人的起源与发展 …………………… １
１-２　机器人机构学的诞生 …………………… ３
１-３　机器人机构学的主要研究内容 ………… ５
１-４　章节安排与内容导读 …………………… ６
习题……………………………………………… ８
第２章　数学基础 …………………………… ９
２-１　坐标系与三维向量的运算 ……………… ９
２-１-１　坐标系与点的坐标表示 …………… ９
２-１-２　三维向量及其运算………………… １０
２-２　矩阵与线性空间………………………… １２
２-２-１　矩阵及其运算……………………… １２
２-２-２　线性空间与线性变换……………… １４
２-２-３　雅可比的概念……………………… １４
２-３　线几何…………………………………… １５
２-３-１　欧几里得几何、射影几何与齐次坐标………１５
２-３-２　线矢量……………………………… １６
２-３-３　格拉斯曼线几何…………………… １８
２-４　旋量与旋量系…………………………… １９
２-４-１　旋量、线矢量与偶量……………… １９
２-４-２　旋量的基本运算…………………… ２０
２-４-３　旋量系……………………………… ２１
　扩展阅读文献 ………………………………… ２３
　习题 …………………………………………… ２４
第３章　位形空间与刚体运动 …………… ２５
３-１　位形空间………………………………… ２５
３-２　刚体位姿的描述………………………… ２８
３-３　刚体运动与刚体变换…………………… ３２
３-３-１　坐标 （系）映射…………………… ３２
３-３-２　典型的刚体运动与刚体变换……… ３６
３-３-３　复合变换…………………………… ４２
３-３-４　自由矢量的变换…………………… ４５
３-４　刚体姿态的其他描述方法……………… ４６
３-４１　欧拉角 （Ｅｕｌｅｒａｎｇｌｅ） ……………４６
３-４-２　ＲＰＹ角 …………………………… ５０
３-４-３　等效轴角 ………………………… ５２
３-４-４　单位四元数………………………… ５６
３-４-５　不同姿态描述之间的对比及映射关系总结………６０
３-５　运动旋量与刚体运动…………………… ６１
３-５-１　基于等效轴角表示的齐次变换推导…………………… ６１
３-５-２　螺旋运动与螺旋变换……………… ６６
３-６　刚体速度………………………………… ７０
３-６-１　线速度、角速度的描述及物理意义……………………… ７０
３-６-２　刚体速度的描述与速度旋量……… ７２
３-７　力旋量…………………………………… ７５
３-７-１　力旋量的定义……………………… ７５
３-７-２　约束力旋量………………………… ７７
３-８　本章小结………………………………… ７９
　扩展阅读文献 ………………………………… ８０
　习题 …………………………………………… ８０
第４章　常用机器人机构 ………………… ８４
４-１　机器人机构的基本组成………………… ８４
４-１-１　机构的基本组成元素：构件与运动副……… ８４
４-１-２　运动链、机构与机器人…………… ８７
４-１-３　机器人机构的表示………………… ８８
　４２　机器人机构的分类……………………… ９０
　４３　串联机器人机构………………………… ９１
　　４３１　手臂机构…………………………… ９２
　　４３２　手腕机构…………………………… ９４
　　４３３　机器人手爪………………………… ９７
　４４　并／混联机器人机构 …………………… ９９
　４５　移动机器人机构 ……………………… １０４
Ⅵ　机器人机构学
　　４５１　轮式移动机器人机构 …………… １０５
　　４５２　足式移动机器人机构 …………… １０７
　４６　驱动、传动机构 ……………………… １１０
　　４６１　常用的驱动器 …………………… １１０
　　４６２　传动机构与机器人用减速器 …… １１１
　４７　与机器人机构相关的性能描述 ……… １１４
　４８　本章小结 ……………………………… １１７
　扩展阅读文献………………………………… １１７
　习题…………………………………………… １１８
第５章　自由度与运动模式分析 ……… １２３
　５１　与自由度相关的基本概念 …………… １２３
　５２　自由度计算公式 ……………………… １２６
　５３　自由度与过约束分析 ………………… １３０
　　５３１　旋量理论的线图描述方法 ……… １３０
　　５３２　自由度与约束分析 ……………… １３６
　５４　机器人的运动模式 …………………… １４４
　　５４１　机器人位形空间的位移流形
描述 ……………………………… １４４
　　５４２　运动模式分析 …………………… １４７
　　５４３　输入选取与多运动模式机构 …… １５４
　５５　奇异位形 ……………………………… １５６
　５６　本章小结 ……………………………… １５８
　扩展阅读文献………………………………… １５９
　习题…………………………………………… １５９
第６章　构型综合 ………………………… １６５
　６１　构型综合方法概述 …………………… １６５
　　６１１　枚举法 …………………………… １６５
　　６１２　演化法 …………………………… １６６
　　６１３　组合法 …………………………… １７１
　　６１４　运动综合法 ……………………… １７２
　　６１５　约束综合法 ……………………… １７２
　　６１６　其他方法 ………………………… １７３
　６２　基于图谱法的构型综合 ……………… １７５
　　６２１　总体思路和一般步骤 …………… １７５
　　６２２　构型综合实例 …………………… １８０
　６３　基于旋量理论的约束综合法 ………… １８７
　　６３１　一般步骤 ………………………… １８７
　　６３２　构型综合举例 …………………… １８８
　６４　本章小结 ……………………………… １９５
　扩展阅读文献………………………………… １９６
　习题…………………………………………… １９６
第７章　机器人运动学基础……………… １９８
　７１　运动学分析的主要任务及意义 ……… １９８
　７２　位移分析的基本原理与方法 ………… １９９
　　７２１　基本原理：闭环方程 …………… １９９
　　７２２　基本方法：解析法与数值法 …… ２０１
　７３　ＤＨ参数法与串联机器人的正运动
学求解 ………………………………… ２０３
　　７３１　ＤＨ参数法的由来 ……………… ２０３
　　７３２　前置坐标系下的 ＤＨ参数法 …… ２０４
　　７３３　前置坐标系下的 ＤＨ矩阵 ……… ２０７
　　７３４　基于改进ＤＨ参数法的串联机
器人位移分析 …………………… ２０９
　　７３５　标准ＤＨ参数法与串联机器人
的正向运动学求解 ……………… ２１２
　７４　串联机器人的位移反解 ……………… ２１７
　７５　串联机器人位移求解的指数积公式 … ２２３
　　７５１　位移正解的指数积公式 ………… ２２３
　　７５２　位移反解的指数积公式 ………… ２２９
　７６　串联机器人的工作空间 ……………… ２３５
　７７　并联机器人的位移分析 ……………… ２３６
　　７７１　求解方法概述 …………………… ２３６
　　７７２　典型实例分析 …………………… ２３７
　７８　本章小结 ……………………………… ２５０
　扩展阅读文献………………………………… ２５１
　习题…………………………………………… ２５２
第８章　基于速度雅可比的性能评价 … ２５６
　８１　速度雅可比的定义 …………………… ２５６
　８２　串联机器人速度雅可比的计算方法 … ２５８
　　８２１　微分变换法 ……………………… ２５８
　　８２２　基于 ＰｏＥ公式的求解方法 ……… ２６１
　　８２３　螺旋运动方程法 ………………… ２６５
　　８２４　参考坐标系的选择 ……………… ２６６
　８３　并联机器人速度雅可比的计算
方法 …………………………………… ２６７
　　８３１　位移方程直接求导法 …………… ２６７
　　８３２　旋量法 …………………………… ２６８
　８４　基于速度雅可比的机器人奇异性
分析 …………………………………… ２７０
　　８４１　串联机器人的奇异性分析 ……… ２７０
目　　录Ⅶ　
　　８４２　并联机器人的奇异性分析 ……… ２７３
　８５　基于速度雅可比的机器人灵巧度
分析 …………………………………… ２７６
　　８５１　条件数 …………………………… ２７６
　　８５２　可操作度与可操作度椭球 ……… ２７７
　８６　本章小结 ……………………………… ２７９
　扩展阅读文献………………………………… ２７９
　习题…………………………………………… ２８０
第９章　基于运动／力交互特性的性能
评价………………………………… ２８３
　９１　运动／力传递特性……………………… ２８３
　　９１１　传递与约束力旋量的计算 ……… ２８４
　　９１２　输入与输出运动旋量的计算 …… ２８６
　　９１３　运动与力的传递关系 …………… ２８９
　　９１４　运动与力旋量空间 ……………… ２９０
　９２　运动／力传递和约束性能评价指标…… ２９３
　　９２１　运动／力传递性能评价指标……… ２９３
　　９２２　运动／力约束性能评价指标……… ３００
　　９２３　综合分析实例 …………………… ３０４
　９３　基于运动／力传递性能的机构奇异性
分析 …………………………………… ３０８
　　９３１　奇异机理及分类 ………………… ３０８
　　９３２　基于运动／力传递性能的奇异性
分析 ……………………………… ３０８
　９４　本章小结 ……………………………… ３１４
　扩展阅读文献………………………………… ３１５
　习题…………………………………………… ３１５
第１０章　运动学优化设计 ……………… ３１７
　１０１　两种常用的运动学优化设计方法…… ３１７
　　１０１１　基于目标函数的运动学优化设
计方法 …………………………… ３１７
　　１０１２　基于性能图谱的运动学优化设
计方法 …………………………… ３２０
　１０２　机器人机构的尺度综合……………… ３２４
　　１０２１　设计指标 ………………………… ３２４
　　１０２２　一般流程 ………………………… ３２６
　　１０２３　设计实例 ………………………… ３２７
　１０３　本章小结……………………………… ３３２
　扩展阅读文献………………………………… ３３３
　习题…………………………………………… ３３３
第１１章　机器人静力学与静刚度
分析 ……………………………… ３３５
　１１１　机器人静力学与静刚度分析的主要
任务与意义…………………………… ３３５
　１１２　静力平衡方程………………………… ３３６
　１１３　静力雅可比矩阵……………………… ３４１
　　１１３１　静力雅可比矩阵的定义 ………… ３４１
　　１１３２　力椭球 …………………………… ３４３
　　１１３３　静力雅可比与速度雅可比之间
的对偶性 ………………………… ３４５
　１１４　柔度与变形…………………………… ３４６
　　１１４１　刚度与柔度 ……………………… ３４６
　　１１４２　基于旋量理论的空间柔度矩阵
建模 ……………………………… ３４７
　　１１４３　柔度矩阵的坐标变换 …………… ３４８
　１１５　刚性机器人的静刚度分析…………… ３５０
　　１１５１　串联机器人的静刚度映射 ……… ３５０
　　１１５２　并联机器人的静刚度映射 ……… ３５１
　　１１５３　柔度矩阵与力椭球 ……………… ３５２
　１１６　柔性机器人的静刚度分析…………… ３５３
　１１７　本章小结……………………………… ３５７
　扩展阅读文献………………………………… ３５７
　习题…………………………………………… ３５８
第１２章　机器人动力学基础 …………… ３６１
　１２１　研究机器人动力学的目的与意义…… ３６１
　１２２　刚体的惯性…………………………… ３６１
　１２３　基于拉格朗日方程的机器人动力学
建模…………………………………… ３６６
　　１２３１　一般质点系的拉格朗日
方程 ……………………………… ３６６
　　１２３２　串联机器人的拉格朗日方程 …… ３６７
　　１２３３　基于ＰｏＥ公式的机器人动力
学方程 …………………………… ３７５
　１２４　基于牛顿欧拉方程的动力学建模 … ３８０
　　１２４１　一般刚体的牛顿欧拉方程 …… ３８０
　　１２４２　前置坐标系下串联机器人的牛
顿欧拉方程 …………………… ３８２
　　１２４３　后置坐标系下串联机器人的牛
顿欧拉方程 …………………… ３９１
　１２５　本章小结……………………………… ３９４
Ⅷ　机器人机构学
　扩展阅读文献………………………………… ３９５
　习题…………………………………………… ３９５
第１３章　柔性机器人机构学基础 ……… ３９７
　１３１　柔性机器人机构及其应用…………… ３９７
　　１３１１　用于精密工程领域的柔性工
作台 ……………………………… ３９８
　　１３１２　柔性仿生机器人 ………………… ３９９
　１３２　自由度分析…………………………… ４０３
　　１３２１　柔度向自由度的等效映射 ……… ４０３
　　１３２２　基于特征柔度矩阵的自由度
分析 ……………………………… ４０５
　　１３２３　基于图谱法的自由度分析 ……… ４０８
　１３３　图谱化构型综合……………………… ４１１
　１３４　运动学分析…………………………… ４１９
　　１３４１　基本柔性单元的伪刚体模型 …… ４１９
　　１３４２　基于伪刚体模型法的柔性机器人机构
运动学分析 ……………………… ４２２
　１３５　动力学分析…………………………… ４２７
　　１３５１　常用动力学建模方法概述 ……… ４２８
　　１３５２　基于集中参数法的动力学
建模 ……………………………… ４２９
　　１３５３　多轴精密柔性机器人机构的动力
学建模 …………………………… ４３３
　１３６　连续体机器人运动学………………… ４３５
　　１３６１　概述 ……………………………… ４３５
　　１３６２　运动学正解 ……………………… ４３７
　　１３６３　运动学反解 ……………………… ４４４
　　１３６４　算例验证 ………………………… ４４９
　　１３６５　工作空间 ………………………… ４５２
　１３７　本章小结……………………………… ４５４
　扩展阅读文献………………………………… ４５４
　习题…………………………………………… ４５５
第１４章　综合设计实例 ………………… ４５８
　１４１　一般设计流程………………………… ４５８
　１４２　实例一：可实现ＳＣＡＲＡ运动的并联
机器人设计…………………………… ４６０
　　１４２１　应用背景 ………………………… ４６０
　　１４２２　构型设计 ………………………… ４６０
　　１４２３　位移反解 ………………………… ４６３
　　１４２４　性能评价 ………………………… ４６５
　　１４２５　基于性能图谱的尺度综合 ……… ４６７
　　１４２６　样机开发与性能测试 …………… ４６９
　１４３　实例二：大行程ＸＹ柔性纳米定位
平台的设计…………………………… ４６９
　　１４３１　应用背景及性能指标 …………… ４６９
　　１４３２　构型设计 ………………………… ４７０
　　１４３３　参数设计 ………………………… ４７４
　　１４３４　样机设计 ………………………… ４８５
　１４４　本章小结……………………………… ４８７
　扩展阅读文献………………………………… ４８７
　习题…………………………………………… ４８８
参考文献 ……………………………………… ４９０