前言

机器人学（Robotics）作为一门高度交叉的前沿学科，涉及自动控制、机械工程、材料科学、计算机科学、电子科学及人工智能等多门学科，是现代科学技术发展最活跃的领域之一。

随着社会的发展，人们对机器人的要求越来越高，不仅希望机器人可以在家庭、学校、医院等环境中成为人们的助手，更希望机器人能够逐步代替人们在众多复杂、未知甚至危险的环境中发挥重要作用，如搜索救援、月球探索、爆炸物探测、军事战斗等，这就要求机器人具备较高的智能。因此，机器人学与人工智能有着十分密切的关系。

智能机器人几乎是伴随着人工智能而产生的。一方面，智能机器人技术的发展需要人工智能技术的支撑，不断发展的人工智能技术也有助于智能机器人性能的提升；另一方面，智能机器人技术的发展又为人工智能技术的发展带来了新的推动力，并提供了一个很好的试验与应用场所。也就是说，智能机器人作为人工智能技术呈现的载体，促进了问题求解、任务规划、知识表示和智能系统等理论与技术的进一步发展。

现实中的机器人，其外形往往是多种多样的，有些在外形上和人的外形类似，被称为类人机器人或人形机器人，这类机器人可以模仿人们执行某些任务时的行为，如行走、拾取、搬运等；有些机器人在外形上和人的外形相差很大，如无人驾驶车辆就是一种典型代表。

智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预测的，在研究智能机器人过程中，主要会涉及多传感器信息融合、导航与定位、路径规划、智能控制、多机器人协同、人机交互等关键技术。

本书从一个相对系统化的角度对智能机器人的相关技术进行了介绍，希望能为从事智能机器人研究、开发和应用的人员提供参考。

本书共9章，各章内容安排如下：

第1章为绪论。本章首先从机器人学和机器人三定律入手，介绍了国内外机器人的发展情况，以及机器人的发展历程；然后在此基础上介绍机器人的一些基本概念，如机器人的定义与特点、结构与分类；接着介绍了人工智能的发展，并对机器人学与人工智能的关系进行分析；最后介绍了机器人学的知识图谱和研究方向。

第2章为机器人学的数学基础。机器人学的研究离不开各物体间以及物体与机器人间的空间关系。本章主要介绍这些空间关系的表示和变换方法，如位置、方位和位姿的表示，坐标变换，以及通用旋转变换。

第3章为智能机器人体系结构。体系结构是从体系层面对智能机器人系统结构进行的表述。本章首先介绍了智能机器人常见的三种体系结构，即慎思式系统结构、反应式系统结构和混合式系统结构；然后给出了针对一些特殊场景和特殊应用的新型体系结构；最后对机器人操作系统进行了简要的介绍。

第4章为智能机器人中的传感器。在智能机器人系统中，传感器是指那些起到内部反馈控制作用或感知与外部环境的相互作用的装置。智能机器人中的传感器可以分为内部传感器和外部传感器，本章首先对常见的内部传感器和外部传感器进行了介绍，然后重点介绍了视觉传感器和距离传感器。

第5章为环境感知与建模。即时定位与地图构建（SLAM）是机器人感知环境的重要技术。本章首先介绍了SLAM中的常用模型，然后介绍了地图构建中的常用地图，接着介绍了机器人的定位技术，最后对SLAM的研究方法、现状及方向进行了详细的介绍。

第6章为路径规划。路径规划是机器人技术的主要研究内容之一。路径规划是指基于环境地图，在一定的约束条件下，搜索一条最优可通行路径。本章首先简单介绍了环境地图常用的表示方法，然后介绍了路径规划技术，最后对几种常用的全局路径规划算法和局部路径规划算法进行了详细的介绍。

第7章为机器人控制。对机器人的运动进行控制，使其按预定方式运动，是设计机器人的目的。本章首先介绍了机器人控制的基础理论，即对机器人的运动学和动力学进行描述；然后围绕机器人的具体控制问题展开了论述，重点介绍了机器人的传统控制方法和智能控制方法。

第8章为多机器人协同。在面对一些大型的复杂场景以及对处理能力和实时性要求较高的任务时，单机器人越来越难以胜任，因此多机器人协作系统成为机器人学的一个重要研究课题。本章首先对多机器人系统进行了概述，然后对多机器人系统的三个主要研究内容，即多机器人的协同感知、协同作业和协同编队，进行了详细的介绍。

第9章为智能机器人的HRI。人-机器人交互（HRI）技术是人机交互（HCI）技术在机器人领域的发展，已成为机器人领域的重要研究方向之一。本章先对HCI技术进行了概述，然后介绍了HRI相关理论，最后对智能HRI的关键技术进行了论述。

本书除了署名的作者，刘华峰、董文杰、洪洋、张佳程等研究生也参与了部分章节的编写。

限于作者水平，本书难免会有疏漏和不足之处，敬请广大读者朋友批评指正。

作者

2020年5月于南京