本書是作者結合多年的教學和科研實踐經驗，本著教改創(chuàng)新的精神，參考國內外機器人與數字孿生技術的相關書籍編寫而成的。
編寫本書的主要思路是：理論與實際相結合，完整論述機器人系統(tǒng)的基礎理論，在Matlab 和Adams 軟件平臺下展示各類典型應用實例的實現(xiàn)方法；將機器人技術與數字孿生技術緊密結合，演示孿生系統(tǒng)的開發(fā)方法和實施案例。全書共分9 章，包括：緒論、機器人機構、機器人運動學、機器人動力學、機器人系統(tǒng)的傳感與控制、數字孿生系統(tǒng)架構及引擎、人機共融的數字孿生系統(tǒng)、數字孿生系統(tǒng)的故障診斷和數字孿生系統(tǒng)的生命周期管理。各章內容循序漸進，涵蓋了機器人的經典理論及其應用和新興數字孿生技術，具有一定的學科交叉特色。
本書可作為普通高校機器人工程、自動化、智能制造工程、機械工程等專業(yè)本科生的教材（學時為32~64 學時），也可作為研究生的教材和工程技術人員的參考用書。
本書遵循教指委相關指導文件和高等院校學生學習規(guī)律編寫而成。踐行四新理念，融入思政元素，注重理論與實踐相結合。
前言
科技是國家強盛之根，創(chuàng)新是民族進步之魂，科技創(chuàng)新鑄就國之重器�！吨袊圃�2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領，在該綱領倡導的大力發(fā)展先進制造業(yè)堅持把人才作為建設制造強國的根本基本方針指引下，工業(yè)機器人、特種機器人、CNC機床等一大批智能裝備的創(chuàng)新研發(fā)成為國家戰(zhàn)略優(yōu)先發(fā)展的重點領域，而制造業(yè)數字化、網絡化和智能化是創(chuàng)新驅動的重中之重。數字孿生技術作為實現(xiàn)制造業(yè)數字化、網絡化和智能化的核心技術之一，因融合了裝備物理實體、數字CAD模型、傳感與交互技術、計算機軟件開發(fā)、自動控制技術、虛擬現(xiàn)實等一系列學科前沿交叉創(chuàng)新技術，將在新工科人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用。
機器人學歷經數十年的扎實發(fā)展和深刻積淀，已將多個學科的專業(yè)知識融合得更加緊密，特別是近年來人工智能技術的蓬勃發(fā)展，更加推動了機器人學在新學科領域的知識延展和技術的縱深發(fā)展，機器人學在科學研究和人才培養(yǎng)方面均表現(xiàn)出強大的生命力。工業(yè)4.0和工業(yè)5.0等新工業(yè)體系戰(zhàn)略的相繼提出，更是將人、機器人、數字孿生等生產要素高度統(tǒng)一，智能制造將以全新的面貌完成一場工業(yè)界的革命。面向高等院校新工科人才培養(yǎng)的基本任務，本書將機器人和數字孿生技術有機融合，基礎理論內容深入淺出且通俗易懂，注重圖文并茂且語言文字精練嚴謹，應用案例結合工程實際且完整翔實。本書作為教材，適用于機器人工程、自動化、智能制造工程、機械工程等各高等院校相關專業(yè)的教學工作。
作者在機器人技術領域已從事教學和科研工作十余年，主持和承擔六項國家級及省部級自然科學基金項目，且在國家留學基金委資助下，作為公派訪問學者受邀至德國頂尖高校卡爾斯魯厄理工學院(KIT)，在工業(yè)4.0國家實驗室開展數字孿生領域的學術交流與合作。作者依托自身多年的教學和科研成果編著本書，以期幫助讀者更加系統(tǒng)完整地理解和掌握機器人智能裝備及數字化的知識體系。
徐升、陳宇、杜品品、范小宇、張萌、黃海沂、王宇、侯浩宇、甘格娜等博士生和碩士生共同承擔了本書的資料歸納、仿真計算、文稿校對等任務，付出了大量的時間和精力，對他們的辛苦工作表示由衷感謝。
因作者水平有限，疏漏在所難免，懇請廣大讀者指正。
作者2022年12月于北京郵電大學
目錄
前言
第1章緒論
1.1關于機器人學
1.1.1機器人的起源
1.1.2機器人學的發(fā)展
1.1.3機器人的定義
1.2典型機器人
1.2.1操作型機器人
1.2.2移動機器人
1.3數字孿生系統(tǒng)
1.3.1數字孿生的發(fā)展歷程
1.3.2數字孿生的定義
1.4數字孿生關鍵技術
1.5本書主要內容
習題
參考文獻
第2章機器人機構
2.1運動副
2.2串聯(lián)機器人機構
2.2.1手臂機構
2.2.2手腕機構
2.2.3末端執(zhí)行器
2.3并聯(lián)機器人機構
2.4移動機器人機構
2.4.1輪式行走機構
2.4.2多足步行機構
2.5機器人的自由度
2.5.1按自由度分類的機器人
2.5.2自由度計算
2.6驅動器、傳動機構與減速器
2.6.1驅動器
2.6.2傳動機構
2.6.3減速器
2.7關節(jié)空間、任務空間與驅動空間
習題
參考文獻
第3章機器人運動學
3.1齊次變換
3.1.1位置描述
3.1.2方位描述
3.1.3坐標系描述
3.1.4坐標變換
3.1.5齊次坐標和齊次變換
3.2DH約定和MDH約定
3.2.1關節(jié)與連桿
3.2.2連桿坐標系
3.2.3連桿變換矩陣
3.3正向運動學遞歸
3.4逆向運動學遞歸
3.5路徑規(guī)劃
3.5.1關節(jié)空間
3.5.2笛卡兒空間
習題
參考文獻
第4章機器人動力學
4.1分析力學體系下的拉格朗日方程
4.1.1分析力學預備知識
4.1.2第二類拉格朗日方程
4.1.3機械臂的拉格朗日方程
4.2矢量力學體系下的牛頓-歐拉方程
4.2.1牛頓方程和歐拉方程
4.2.2機器人的牛頓-歐拉動力學方程
4.2.3自由運動機器人的正向動力學算法
4.3凱恩方程
4.3.1質點系下的凱恩方程
4.3.2剛體系統(tǒng)的凱恩方程
4.4動力學參數辨識
4.4.1動力學建模
4.4.2模型線性化及最小參數集
4.4.3激勵軌跡設計
4.4.4動力學參數辨識算法
4.4.5辨識數據預處理分析
4.4.6動力學參數辨識結果驗證
4.5機器人動力學的虛擬樣機仿真
4.5.1模塊子系統(tǒng)建立
4.5.2聯(lián)合仿真系統(tǒng)建立
習題
參考文獻
第5章機器人系統(tǒng)的傳感與控制
5.1執(zhí)行器與傳感器
5.1.1執(zhí)行器
5.1.2傳感器
5.2反饋與穩(wěn)定性
5.2.1反饋
5.2.2機器人系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
5.2.3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
5.3機械臂的位置控制
5.3.1PD控制
5.3.2計算力矩控制
5.3.3滑模控制
5.4機械臂的阻抗控制
5.5動力學非線性補償控制
5.5.1神經網絡
5.5.2典型神經網絡模型
5.5.3RBF網絡模型參考自適應控制
5.5.4機械臂的動力學非線性補償控制
習題
參考文獻
第6章數字孿生系統(tǒng)架構及引擎
6.1系統(tǒng)架構及技術體系
6.1.1一般架構設計
6.1.2數字孿生技術體系
6.1.3實例
6.2數字孿生引擎
6.2.1一般引擎系統(tǒng)
6.2.2實例
6.3可視化應用
6.3.1VR/AR/MR技術
6.3.2關于Unity
6.3.3Unity實例開發(fā)
習題
參考文獻
第7章人機共融的數字孿生系統(tǒng)
7.1結構化環(huán)境建模
7.1.1人機孿生系統(tǒng)架構
7.1.2機器人虛擬模型
7.1.3機器人虛實模型的快速映射
7.1.4模型與數據融合的虛實運動跟隨
7.2非結構化環(huán)境的視覺重建
7.2.1人體骨骼模型處理
7.2.2虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)
7.3人機安全交互關鍵技術
7.3.1安全感知算法
7.3.2人機數字孿生系統(tǒng)的協(xié)同構建
習題
參考文獻
第8章數字孿生系統(tǒng)的故障診斷
8.1基于特征生成模型的故障診斷方法
8.1.1條件變分自編碼器
8.1.2輔助分類生成式對抗網絡
8.1.3CVAE-ACGAN-CNN故障診斷方法
8.1.4CVAE-ACGAN-CNN試驗對比驗證
8.2性能退化評估模型
8.2.1軸承性能退化評估方法
8.2.2堆疊去噪自動編碼
8.2.3支持向量數據描述
8.2.4基于SDAE-SVDD的性能退化評估模型
8.2.5SDAE-SVDD試驗對比驗證
8.3融合工業(yè)云的數字孿生故障診斷系統(tǒng)
8.3.1邊緣計算
8.3.2工業(yè)云
8.3.3虛擬現(xiàn)實
8.3.4數字孿生故障診斷系統(tǒng)驗證
習題
參考文獻
第9章數字孿生系統(tǒng)的生命周期管理
9.1剩余壽命預測算法
9.1.1剩余壽命預測技術現(xiàn)狀
9.1.2剩余壽命預測算法相關理論與技術
9.1.3試驗數據來源及數據預處理
9.1.4注意力編碼解碼網絡
9.1.5剩余壽命預測
9.2不確定性度量模型
9.2.1不確定性分析
9.2.2基于貝葉斯推理的模型不確定性度量
9.2.3模型不確定性度量構建方式
9.2.4結果及分析
9.3預測與監(jiān)測管理
9.3.1界面可視化功能
9.3.2數據庫準備與使用
9.3.3Unity 3D與Python腳本實現(xiàn)調用集成
9.3.4試驗結果及分析
習題
參考文獻
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