前言

协作机器人融合了新型材料、仿生技术、传感器技术、机械电子技术、自动控制技术、计算机技术、人工智能与互联网等多个领域和多个学科，它突破了传统工业机器人应用的局限性，在人机协作和共融的环境中具有广阔的市场前景，是机器人厂商争相布局的战略产品之一，是我国智能制造、社会发展与民生服务等领域具有战略意义的前沿技术和装备。

协作机器人作为机器人大家庭的新成员，在保留机器人作为智能机器具备的感知、决策、交互与执行的功能与特性的同时，拓展了机器人功能内涵中“人”的属性，使机器人具备一定的自主行为和协作能力，使机器人真正成为人的合作伙伴。随着我国从“制造大国”向“制造强国”不断迈进，机器人在国民经济各个领域的推广应用成为必然趋势。传统工业机器人部署成本高、应用复杂、安全性差，无法完全满足当前智能制造发展的需求。协作机器人具有轻量化、成本低和安全性高等优点，可在自动化生产线上快速部署、编程和重构，其“人机协作”的应用模式更加符合未来智能制造的数字化、智能化、绿色化和柔性化属性和特征。

协作机器人是智能机器人发展的新的热点和主流方向之一，也是我国机器人企业在世界机器人舞台能否占据一席之地的关键。目前，国内外协作机器人的研发及应用推广发展很快，但也存在安全预测能力有限、示教缺乏智能化、人机协作工艺不够完善、人机协作模式单一等问题，难以适应复杂多变的作业环境，对协作机器人的大规模产业化推广应用提出了挑战。

本书是一本关于协作机器人技术基础入门与相关应用的书籍，旨在引领读者踏进协作机器人学习的大门，培养读者对协作机器人的兴趣，使其了解协作机器人技术的基础知识，推动协作机器人应用的开发，进而促进协作机器人产业和技术更好的发展。

本书内容主要由三部分组成。

第一部分介绍了协作机器人的定义与内涵，包括协作机器人的发展历程、兴起原因和关键技术、优点和局限性，以及主要应用领域和未来前景。

第二部分主要介绍协作机器人的主要科学问题和核心关键技术，包含第2、9章，包括协作机器人的核心零部件、运动学建模、微分运动与动力学分析、拖动示教与编程、控制系统和控制方法、机器视觉技术的融合应用、若干关键核心技术以及系统集成与应用案例。

其中，第2章对协作机器人的产业链、电动机、驱动器、减速器、一体化关节和感知系统等进行了介绍。读者通过学习可掌握协作机器人产业和零部件等基本知识，形成对协作机器人的基本认识。

第3章首先介绍了协作机器人位姿表示与齐次坐标表示，然后介绍了RPY角与欧拉角的位姿表示方法，在齐次坐标表示的基础上，介绍了改进DH法建立机器人正、逆运动学模型的过程，最后结合遨博i5机器人进行机器人建模的实例分析，并介绍URDF（unified robot description format，统一机器人描述格式）文件对协作机器人进行描述的方法。

第4章首先介绍了协作机器人微分运动的基本概念，以及如何采用雅可比矩阵建立协作机器人微分运动方程，然后对协作机器人动力学建模和仿真方法进行了讲解。

第5章从协作机器人拖动示教技术的基本概念展开，探究了协作机器人轨迹实时生成的原理，介绍了拖动示教技术的具体实现过程，最后对于优化示教结果涉及的离线编程技术进行了介绍，构建了对于协作机器人拖动示教与编程的基本知识框架。

第6章重点阐述基于阻抗控制的协作机器人柔顺运动控制方法，主要对阻抗控制器的设计方法，以及协作机器人建模、外界交互环境建模、力感知等关键问题进行介绍。

第7章主要介绍协作机器人与机器视觉的融合和集成应用情况。对与协作机器人相关的机器视觉概念、基本应用原理、应用案例进行介绍。

第8章围绕协作机器人的若干核心关键技术展开，对协作机器人本体设计优化、感知控制、人机协作、自学习、操作系统以及数字孪生等核心技术进行介绍。

第9章介绍了协作机器人集成应用平台的设计、发展与应用，结合集成应用平台的构成模块、功能实现、迭代趋势，帮助读者在对协作机器人有了基本了解后，建立对于协作机器人集成应用的初步认识。

第三部分展望了协作机器人的发展趋势，对应的是第10章，聚焦协作机器人的技术前沿，从协作机器人与AI技术、云计算、大数据、虚拟现实等新技术的融合发展，以及协作机器人的核心要素、技术创新趋势和市场发展态势等方面对协作机器人的前沿技术和未来发展趋势进行展望。

本书由陶永、魏洪兴、赵罡编写和统稿。课题组刘海涛博士、高赫博士，硕士研究生温宇方、韩栋明、万嘉昊、段练、兰江波等协助进行了资料的搜集和整理工作，在此对他们表示衷心的感谢。

在本书编写过程中，参考了国内外出版的大量的书籍和论文，编者对相关国内外协作机器人专著、教材和有关论文的作者深表感谢。

协作机器人是一门复杂的交叉综合性学科，涉及的专业知识范围广，由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请大家批评指正。

编者