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| 內容簡介： |
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机器人技术基础实验是高等学校机器人工程专业本科生必修的一门重要的专业基础实践课程。本书是根据高等学校机器人工程专业本科生机器人技术基础课程大纲规定的实验项目，结合工业机器人教学设备和现行机器人技术理论教材编写而成的。本书分为两部分：基础篇（实验1～实验10）和进阶篇（实验11～实验20）。基础篇介绍机器人技术的基础知识，主要包括机器人系统认知、机器人空间位姿描述、建立连杆坐标系及D-H参数、机器人正运动学、机器人逆运动学、机器人关节空间规划、机器人笛卡儿空间规划、机器人雅可比矩阵、机器人动力学、机器人动力学参数辨识。进阶篇介绍机器人技术的进阶内容，主要包括机器人PID控制、机器人动力学前馈控制、机器人的拖动示教、基于末端力矩传感器的拖动示教、基于末端力矩传感器的导纳控制、基于末端力矩传感器的力位混合控制、机器人离线编程、机器人视觉、机器人相机标定及坐标系统、机器人视觉引导抓取。本书附录主要包括Simulink常用模块介绍、仿真机器人配置说明、真机输入输出模块说明、通过MATLAB进行真机操作的步骤、实验须知和安全标志。本书配有源代码、实验报告模板等资源，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）下载。本书可作为高等学校机器人工程专业的实验教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。
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| 關於作者： |
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王帅，女，工程师。2017.4-至今任东北大学机器人科学与工程学院实验老师，有多年机器人实验教学经验，曾任东北大学信息学院实验老师。
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| 目錄：
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目 录
基 础 篇
实验1 机器人系统认知 3
1.1 实验原理 3
1.2 实验内容 12
1.3 注意事项 13
实验2 机器人空间位姿描述 14
2.1 实验原理 14
2.2 仿真实验内容 21
2.3 真机实验内容 24
2.4 注意事项 25
实验3 建立连杆坐标系及D-H参数 26
3.1 实验原理 26
3.2 仿真实验内容 29
3.3 思考题 31
3.4 注意事项 31
实验4 机器人正运动学 32
4.1 实验原理 32
4.2 仿真实验内容 33
4.3 真机实验内容 37
4.4 注意事项 39
实验5 机器人逆运动学 40
5.1 实验原理 40
5.2 仿真实验内容 44
5.3 真机实验内容 45
5.4 注意事项 47
实验6 机器人关节空间规划 48
6.1 实验原理 48
6.2 仿真实验内容 51
6.3 真机实验内容 53
6.4 注意事项 55
实验7 机器人笛卡儿空间规划 56
7.1 实验原理 56
7.2 仿真实验内容 59
7.3 真机实验内容 61
7.4 注意事项 62
实验8 机器人雅可比矩阵 63
8.1 实验原理 63
8.2 仿真实验内容 66
8.3 真机实验内容 68
8.4 注意事项 70
实验9 机器人动力学 71
9.1 实验原理 71
9.2 仿真实验内容 74
9.3 真机实验内容 77
9.4 注意事项 78
实验10 机器人动力学参数辨识 79
10.1 实验原理 79
10.2 仿真实验内容 83
10.3 真机实验内容 84
10.4 注意事项 86
进 阶 篇
实验11 机器人PID控制 90
11.1 实验原理 90
11.2 仿真实验内容 95
11.3 真机实验内容 98
11.4 注意事项 100
实验12 机器人动力学前馈控制 101
12.1 实验原理 101
12.2 仿真实验内容 103
12.3 真机实验内容 106
12.4 注意事项 108
实验13 机器人的拖动示教 109
13.1 实验原理 109
13.2 仿真实验内容 111
13.3 真机实验内容 112
13.4 注意事项 114
实验14 基于末端力矩传感器的拖动示教 115
14.1 实验原理 115
14.2 仿真实验内容 116
14.3 真机实验内容 119
14.4 注意事项 121
实验15 基于末端力矩传感器的导纳控制 122
15.1 实验原理 122
15.2 仿真实验内容 124
15.3 真机实验内容 126
15.4 注意事项 128
实验16 基于末端力矩传感器的力位混合控制 129
16.1 实验原理 129
16.2 仿真实验内容 133
16.3 真机实验内容 134
16.4 注意事项 136
实验17 机器人离线编程 137
17.1 实验原理 137
17.2 实验内容 139
17.3 注意事项 143
实验18 机器人视觉 144
18.1 实验原理 144
18.2 实验内容 149
实验19 机器人相机标定及坐标系统 151
19.1 实验原理 151
19.2 实验内容 154
19.3 编程作业 159
实验20 机器人视觉引导抓取 160
20.1 课程设计 160
20.2 系统调试的过程 161
20.3 代码实现 161
附录A Simulink常用模块介绍 165
附录B 仿真机器人配置说明 174
附录C 真机输入输出模块说明 176
附录D 通过MATLAB进行真机操作的步骤 178
附录E 实验须知 181
附录F 安全标志 182
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| 內容試閱：
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前言
机器人被誉为制造业皇冠顶端的明珠，是衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志，已成为全球新一轮科技和产业革命的重要切入点，将影响全球制造业格局。我国机器人产业发展势头迅猛，产业规模与市场空间不断扩大。与此同时，我国机器人应用人才缺口巨大。在复旦共识天大行动北京指南等新工科背景下，国内相关高校主动布局机器人工程和智能制造等专业的学科建设和人才培养。
由于机器人技术具有较强的实践性和专业性，因此，实践是巩固和加深对机器人技术理论认知的有效途径，对培养适应产业发展需要的高素质工程技术人才具有重要意义。但目前本科机器人工程专业的培养体系急需完善，相应的实验教学模式亟待探索和研究。东北大学机器人科学与工程学院秉承做中学和知行合一的教育理念，非常重视智能机器人控制的实践教学和实验平台的建设，联合沈阳自动化研究所研发了虚实结合的机器人实验教学平台，并配套编写了本书。
本书的主要特点如下。
（1）虚实结合，知行合一。通过对本书的学习，学生不仅可以把机器人技术理论中冗繁的公式转化为代码，在真实的机器人实验平台中进行实验，而且可以在虚拟的Simulink环境中，利用Simscape Multibody进行3D机械系统的物理仿真，利用3D动画可视化系统动态观察实验结果。这样的实验方式能够激发学生的兴趣，培养学生理论联系实际的能力，为在新工科背景下提高机器人工程人才质量奠定基础。
（2）采用Simulink模块化的编程方式，编写的程序具有很强的移植性。本书引导学生在解决一个复杂系统问题时，自顶向下逐层把系统组件划分成若干模块，每个模块实现一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，实现要求的整个机器人系统的功能。
（3）本书中的实验大部分按照实验原理、实验内容、注意事项的结构进行编写，每个实验均提供配套源代码和实验报告模板。课上老师讲解实验原理和实验内容，并提供仿真实验和真机实验两个Simulink模板。仿真实验要求学生将理论算法转化为MATLAB程序，真机实验以小组为单位，将仿真实验的程序移植到真机上，对比验证实验结果。实验报告中包含实验原理、实验内容等信息，突出实验过程的实现和实验结果的分析，学生可直接在电子版实验报告的预留位置上填写相关内容。
（4）遵循阶梯式的创新人才培养模式。本书中的实验类型包括基础验证型实验、设计型实验、综合型实验和课程设计，使学生多方位、分阶段提高实验技能水平。由于机器人教学设备的价格普遍较高且占地面积大，学校购买的实验设备套数较少，因此引入PBL（Project-Based Learning）教学模式，让学生以小组合作的形式进行学习。小组成员通过讨论来分析问题、解决问题，在这个过程中，学生的团队合作意识和沟通能力会得到提升。通过PBL教学模式的引入，在实验内容的驱动下，学生会针对问题进行合理分工，这种模式不仅可以调动学生的积极性，还能提高学生的自主学习能力。
本书依赖的实物实验平台包括机器人本体、机器人控制器、电动夹爪、六维力传感器、示教器、Kinect相机和PC。该实物实验平台具有以下特点。
（1）开发环境友好。学生可基于MATLABSimulink开发机器人控制系统模型，极大降低了机器人控制系统设计的学习难度；平台提供了不同层次的API接口模块，支持根据实验需求替换相关模块，以快速进行相关功能的算法验证。
（2）支持多样化的调试手段。支持控制器模型参数的在线修改、控制变量的在线监控、控制变量数据的实时存储及数据导出等调试手段。
（3）支持算法的离线仿真。支持在不启动机器人的情况下进行算法的离线仿真验证；支持仿真机器人显示，保证控制效果可观察，确保实验系统与实验人员安全。
本书由长期从事实验教学工作且具有丰富实验教学经验的机器人教学团队和沈阳自动化研究所的工程师共同编写而成，由王帅、张华良、韩冰担任主编，特别感谢吴成东教授对本书提出的建议和给予的大力支持。
由于编者水平有限，书中难免存在错误之处，敬请读者批评指正。
编 者
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