本书是为职业教育工业机器人/智能机器人、人工智能、智能制造等相关专业“工业机器人/
智能机器人”相关课程设计编写，是具有丰富应用与实践特色的教材。
针对职业院校学生的发展需求，本书较为系统、全面地介绍了工业机器人、智能机器人的相关概念、理论与应用知识，内容包括机器人概述、工业机器人、协作机器人、服务机器人、特种机器人、智能机器人、智能飞行器、运动学构形与参数、机器人体系结构、传感器与驱动系统、机器人控制技术、机器人视觉系统、机器人编程系统、机器人安全与法律等，希望帮助学生扎实地打好智能机器人的知识基础。教师可依照学习进度与需求，做适当选择。
本书适合职业院校相关专业学生学习，也适合对人工智能、智能机器人、智能制造相关领域感兴趣的读者阅读参考。

机器人学所追求的是偏重于综合性的工程学科。也许正是这个原因，这个领域才使许多人为之着迷。机器人学研究怎样综合运用机械装置、传感器、驱动器和计算机来实现人类某些方面的功能。显然，它必然需要运用各种“传统”领域的研究思想。在较高的层次上，人们把机器人学划分为四个主要领域：机械操作、移动、机器视觉和人工智能。
智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉等。除具有感受器外，它还有效应器作为作用于周围环境的手段，类似于人类的筋肉，可通过自整步电动机使机器人的手、脚、触角等动起来。由此可
知，智能机器人至少要具备三个要素：感觉要素、反应要素和思考要素。
甚至，智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识”中单独形成一种使它得以“生存”的外界环境。机器人能分析出现的情况，调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分和环境迅速变化的条件下完成这些动作。
本书针对职业教育工业机器人/智能机器人、人工智能、智能制造等相关专业学生的发展需求，较为系统、全面地介绍了机器人概述、工业机器人、协作机器人、服务机器人、特种机器人、智能机器人、智能飞行器、运动学构形与参数、机器人体系结构、传感器与驱动系统、机器人控制技术、机器人视觉系统、机器人编程系统、机器人安全与法律等，共14课，每课都提供了作业和研究性（小组）学习活
动。本书最后给出了各课作业的参考答案。
每课在编写时做了以下安排：
（1）精选的导读案例，以深入浅出的方式，引发学生自主学习的兴趣；
（2）解释基本原理，让读者切实理解和掌握机器人相关知识与应用；
（3）浅显易懂的案例，注重培养扎实的基本理论知识，重视培养学习方法；
（4）思维与实践并进，为学生提供自我评量的作业，让学生自我建构机器人的基本观念与技术；
（5）研究性学习，依托互联网环境完成精心设计的研究性小组活动或课程实践
活动，以带来真切的实践体验。
■ 课程进度安排
本课程的教学进度设计见《课程教学进度表》（见下表），供教师授课和学生学习参考。
课程教学进度表
（20？?—20？?学年第??学期）
课程号：????课程名称：  智能机器人  学分：   2.5   周学时：   3  
总学时：   48   ? （其中理论学时：   34    课外实践学时：   14   ）
主讲教师：?????????
序号 校历
周次 章节（或实训、习题课等）
名称与内容 学时 教学方法 课后作业布置
1 1 课程引言
第1课?机器人概述 3 导读案例
课文 作  业
研究性学习
（课程实践）
2 2 第1课?机器人概述 2+1  
3 3 第2课?工业机器人 2+1  
4 4 第3课?协作机器人 2+1  
5 5 第4课?服务机器人 2+1  
6 6 第5课?特种机器人 2+1  
7 7 第6课?智能机器人 2+1  
8 8 第7课?智能飞行器 2+1  
9 9 第8课?运动学构形与参数 2+1  
10 10 第9课?机器人体系结构 2+1  
11 11 第10课?传感器与驱动系统 2+1  
12 12 第11课?机器人控制技术 2+1  
13 13 第12课?机器人视觉系统 2+1  
14 14 第13课?机器人编程系统 3  
15 15 第13课?机器人编程系统 2+1  
16 16 第14课?机器人安全与法律 2+1  作  业
课程学习与实训总结
填表人（签字）：     日期：
系（教研室）主任（签字）：   日期：
■ 建议测评手段
本课程的教学评测可以从以下几个方面入手：
（1）每课课前的【导读案例】（14项）；
（2）结合每课的课后作业（四选一标准选择题，14组）；
（3）结合每课的课后【研究性学习】（13项）；
（4）【课程学习与实训总结】（大作业，第14课）；
（5）平时学习考勤记录；
（6）任课教师认为必要的其他考核方法。
最后，综合上述得分折算为本课程百分制成绩。
本书特色鲜明、易读易学，适合职业院校相关专业学生学习，也适合对人工智能、智能机器人、智能制造相关领域感兴趣的读者阅读参考。
本书由周斌斌、周苏任主编，王赟、刘婷任副主编，编写过程中得到嘉兴技师学院、温州商学院、嘉兴市木星机器人科技有限公司、广州慧谷动力科技有限公司、江苏汇博机器人技术股份有限公司、天津汇博智联机器人技术有限公司、嘉兴市莱沃机器人科技有限公司、杭州第一技师学院、浙江纺织服装职业技术学院、广州市工贸技师学院、浙江科博达工业有限公司、杭州汇萃智能科技有限公司等多所院校、企业师生的支持，林志灿、郭铠能、倪晨玮、沈金强、胡勇杰、麦家明、原瑞彬、周盼盼、吴炘翌、何木、崔海、章安福、杨晓斐、黄绒、浦建峰、黄进等参与了本书的部分编写工作，在此一并表示感谢！
本书配套授课电子课件，需要的教师可登录http://www.tdpress.com/51eds/免费注册，审核通过后下载。
由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。欢迎教师联系交流，E-mail：zhousu@qq.com；QQ：81505050。

        周苏
2021年10月于嘉兴南湖

目录
第1课机器人概述1
1.1Robot名字的由来4
1.2机器人的发展4
1.2.1古代机器人5
1.2.2机器马车5
1.2.3人形机器人和达·芬奇
骑士6
1.2.4飞行机器人和音乐机器人6
1.2.5棋类机器人和早期的
语言实验7
1.2.6写字机器人8
1.2.7图灵测试9
1.3机器人概述9
1.3.1机器人的定义9
1.3.2机器人三原则10
1.3.3机器人的分类11
1.4现代机器人11
1.4.1机器人的手12
1.4.2机器人的眼睛13
1.4.3机器识别物体14
第2课工业机器人17
2.1工业机器人历史22
2.1.1工业机器人的诞生22
2.1.2工业创新和太空机器人23
2.1.3家庭机器人和旅居者
火星车24
2.1.4射波刀和爱宝机器狗25
2.1.5今天的机器人25
2.2国产机器人发展26
2.3工业机器人应用27
2.3.1工业机器人组成28
2.3.2工业机器人类型29
2.3.3工业机器人发展趋势29
第3课协作机器人33
3.1人与机器的协作35
3.1.1智能制造不同于自动化36
3.1.2人机协作：工艺技术37
3.1.3人类和机器协同工作38
3.1.4人机合作的四种方式39
3.1.5人机协作群体智能40
3.2协作机器人的定义40
3.3协作机器人与工业机器人41
3.4协作机器人安全设计43
3.5协同式专家系统44
3.6计算机集成制造系统45
3.6.1CIMS体系结构46
3.6.2CIMS技术构成46
3.6.3CIMS发展趋势47
第4课服务机器人52
4.1服务机器人简介55
4.1.1服务机器人发展历程56
4.1.2服务机器人的定义56
4.1.3清洗机器人57
4.1.4机器人“演奏家”57
4.1.5手术机器人57
4.1.6医用服务机器人58
4.2工业机器人与服务机器人的
区别60
4.3建立服务机器人全球标准60
4.3.1服务型机器人前景广阔61
4.3.2日本推动建立全球标准61
4.42021服务机器人62
第5课特种机器人68
5.1特种机器人简介71
5.2机器人的可移动性72
5.3典型特种机器人73
5.3.1管道检测机器人73
5.3.2水下机器人74
5.3.3农林机器人74
5.3.4消防机器人75
5.3.5仿生机器人76
5.3.6军用机器人77
5.3.7空间机器人78
5.4四足仿生机器人79
5.4.1概念和优势79
5.4.2核心技术80
5.52021仿生机器人81
第6课智能机器人86
6.1智能机器人简介92
6.1.1十大标志性机器人92
6.1.2机器人的智能定义92
6.1.3智能机器人三要素92
6.1.4智能机器人的不同形式93
6.2按智能对机器人分类94
6.2.1工业机器人与人工智能94
6.2.2初级智能94
6.2.3高级智能95
6.3智能机器人关键技术95
6.3.1多传感器信息融合95
6.3.2导航与定位96
6.3.3路径规划97
6.3.4机器人视觉97
6.3.5智能控制98
6.3.6人机接口技术98
6.4智能机器人的发展99
6.4.1人的意识与机器人模拟99
6.4.2使机器人更聪明100
第7课智能飞行器103
7.1无人驾驶飞行器106
7.1.1百年前先驱探索106
7.1.2战场上初露锋芒108
7.1.3新科技助力指令控制108
7.1.4现代战争中代替侦察兵109
7.1.5民用无人机迅猛发展109
7.2无人机的种类111
7.2.1测绘与航拍无人机111
7.2.2通信中继无人机111
7.2.3长时留空与预警无人机112
7.2.4智能军用无人机112
7.3无人机的构造113
7.4无人机的工作原理115
7.4.1垂直运动115
7.4.2俯仰与滚转运动116
7.4.3偏航运动116
7.4.4前后运动116
7.5无人机的关键技术116
第8课运动学构形与参数120
8.1机器人和机械臂的区别126
8.2机器人常用坐标系127
8.2.1关节坐标系127
8.2.2直角坐标系127
8.2.3世界坐标系和工具
？？？ 坐标系127
8.2.4用户坐标系128
8.3运动学基础128
8.3.1逆运动学129
8.3.2动力学129
8.3.3线性控制129
8.4常用运动学构形130
8.4.1笛卡儿机械臂130
8.4.2关节型机械臂131
8.4.3SCARA机械臂131
8.4.4球面坐标型机械臂132
8.4.5圆柱面坐标型机械臂132
8.5机器人的主要技术参数133
8.6机器人常用材料134
第9课机器人体系结构137
9.1机器人主要结构141
9.1.1本体部分141
9.1.2驱动装置142
9.1.3直线传动机构143
9.1.4旋转传动机构143
9.1.5传感系统144
9.1.6位置检测144
9.1.7力检测144
9.2机器人交互系统145
9.3串联机器人145
9.3.1串联机器人的开环机构146
9.3.2PUMA机器人146
9.3.3SCARA机器人147
9.3.4斯坦福机器人147
9.3.5平行连杆机器人148
9.4并联机器人148
9.4.1多轴机器人149
9.4.2坐标机器人149
9.4.3多自由度并联机器人150
9.5串联和并联机器人的区别151
第10课传感器与驱动系统156
10.1机器人工作原理160
10.2机器人感知系统160
10.2.1机器人感觉分类161
10.2.2传感器综述162
10.2.3位置（位移）传感器163
10.2.4速度和加速度传感器163
10.2.5视觉与接近觉传感器163
10.2.6力/力矩传感器164
10.2.7碰撞传感器165
10.2.8声觉传感器165
10.2.9听觉传感器165
10.2.10触觉与滑觉传感器165
10.2.11其他传感器166
10.3多传感器信息融合166
10.4机器人驱动系统167
10.4.1液压驱动系统167
10.4.2气动驱动系统167
10.4.3电动驱动系统168
10.4.4驱动系统选用原则169
第11课机器人控制技术173
11.1机器人控制系统175
11.1.1控制器176
11.1.2位置控制176
11.1.3轨迹规划177
11.1.4机器人示教原理178
11.1.5硬件配置及结构示意179
11.2智能控制技术179
11.3人机接口技术180
11.4机器人通信技术181
11.4.1普通I/O181
11.4.2现场总线181
11.4.3网络182
11.5机器人电源技术182
第12课机器人视觉系统186
12.1机器人的视觉189
12.1.1智能机器人的“眼”189
12.1.2AI视觉让机器人
 “睁开眼”190
12.1.3了解机器视觉系统190
12.2机器视觉系统构成191
12.2.1视觉系统的硬件设计191
12.2.2视觉系统的工作原理192
12.2.3视觉系统的软件设计193
12.3机器视觉应用领域193
12.3.1触摸屏193
12.3.2平板显示器193
12.3.3激光加工193
12.3.4太阳能板制造194
12.3.5半导体生产194
12.3.6机器人与工厂自动化195
12.3.7智慧物流195
12.3.8OCR196
12.4三维成像技术196
12.4.1三维成像方法196
12.4.2三维引导系统框架198
12.4.3性能比较199
12.5机器人视觉系统设计199
第13课机器人编程系统204
13.1可编程机器人三个
发展水平209
13.1.1示教级编程210
13.1.2动作级编程210
13.1.3任务级编程211
13.2机器人编程必要条件211
13.2.1世界模型211
13.2.2运动描述212
13.2.3操作流程213
13.2.4编程环境213
13.2.5传感器融合213
13.3机器人编程特殊问题214
13.3.1外部环境与内部世界
模型214
13.3.2程序前后相关性214
13.3.3错误恢复215
13.4典型机器人编程语言216
13.4.1C / C++语言216
13.4.2Python216
13.4.3Java216
13.4.4MATLAB216
13.5离线编程系统要点217
13.5.1离线系统概述217
13.5.2用户接口218
13.5.3三维模型219
13.5.4运动仿真219
13.5.5路径规划仿真220
13.5.6动力学仿真220
13.5.7多过程仿真220
13.5.8传感器仿真220
13.5.9翻译成目标语言220
13.5.10工作站标定221
13.6离线编程的自动任务221
13.6.1机器人自动布局221
13.6.2避障与路径优化222
13.6.3协同运动自动规划222
第14课机器人安全与法律225
14.1与机器人相关的安全230
14.1.1机器人安全性能230
14.1.2机器人行业安全规范230
14.1.3系统性安全守则231
14.2机器人的伦理基础232
14.2.1科技伦理是理性的产物232
14.2.2科技伦理的预见性
和探索性233
14.2.3人工智能伦理的发展233
14.3人工智能面临的法律问题235
14.3.1人格权保护235
14.3.2数据财产保护236
14.3.3侵权责任认定236
14.3.4机器人法律主体地位236
14.4机器人的发展方向237
作业参考答案244
参考文献246

周斌斌，目前任职于嘉兴技师学院，主要从事智能制造相关专业教育教学工作，曾获得浙江省“百千万”高技能领军人才的优秀技能人才、嘉兴市优秀工匠、嘉兴市优秀科技工作者等荣誉称号。近五年，参与企业技改项目4项，本人或辅导学生参加技能大赛获奖10余项，撰写专业论文及课题20余篇；开发教材8本；申报专利20余项，已获批并取证9项。,周苏，1982年华东水利学院计算机应用专业本科毕业，1986年由水电部研究所调入杭州大学计算机系任教，1991年破格晋升副教授，1999年调入浙江大学城市学院计算机系任教，2005年晋升教授。在杭州大学、浙江大学、浙江大学城市学院、浙江工业大学之江学院、温州大学城市学院、嘉兴学院南湖学院、温州职业技术学院等多所院校专/兼职任教，教学经验丰富。 长期从事计算机等专业教学工作，担任计算机基础、计算机导论、软件工程、软件测试技术、软件体系结构、电子商务概论、移动商务、多媒体技术、项目管理、管理信息系统、应用统计学、C语言程序设计、面向对象程序设计、网络传播技术、网络生态学、人机交互技术、艺术设计概论、艺术欣赏概论、计算机平面设计、信息管理与信息系统概论、信息资源管理、办公软件高级应用、IT应用文写作等课程的教学，对计算机学科教学以及应用型院校教学有深刻理解。

本书适合职业院校相关专业学生学习，也适合对人工智能、智能机器人、智能制造相关领域感兴趣的读者阅读参考。