内容简介目录本书源于斯坦福大学1983年至1985年秋季学期的"机器人学导论"的讲义。本书讲述机器人操作臂的理论和工程技术问题，这属子机器人学的子学科，是建立在几个传统学科基础之上的。本书第1～8章介绍有关的机械工程和数学，第9～11章讨论控制理论和方法，第12～13章介绍计算机科学的内容。另外，每章的末尾都配有大量的习题、编程练习以及MATLAB练习，书后还附有部分习题的答案，便于读者学习译者序文艺复兴以降， 源远流长的科学精神和逐步形成的学术规范， 使西方国家在自然科学的各个领域取得了垄断性的优势， 也正是这样的传统， 使美国在信息技术发展的六十多年间名家辈出. 独领风骚. 在商业化的进程中， 美国的产业界与教育界越来越紧密地结合， 计算机学科中的许多泰山北斗同时身处科研和教学的最前线， 由此而产生的经典科学著作， 不仅擘划了研究的范畴， 还揭橥了学术的源变， 既遵循学术规范， 又自有学者个性， 其价值并不会因年月的流逝而减退. 近年， 在全球信息化大潮的推动下， 我国的计算机产业发展迅猛， 对专业人才的需求日益迫切. 这对计算机教育界和出版界都既是机遇， 也是挑战， 而专业教材的建设在教育战略上显得举足轻重. 在我国信息技术发展时间较短. 从业人员较少的现状下， 美国等发达国家在其计算机科学发展的几十年间积淀的经典教材仍有许多值得借鉴之处. 因此， 引进一批国外优秀计算机教材将对我国计算机教育事业的发展起积极的推动作用， 也是与世界接轨. 建设真正的世界一流大学的必由之路. 机械工业出版社华章图文信息有限公司较早意识到"出版要为教育服务". 自1998年开始， 华章公司就将工作重点放在了遴选. 移译国外优秀教材上. 经过几年的不懈努力， 我们与Prentice Hall， Addison-Wesley， McGraw-Hill， Morgan Kaufmann等世界著名出版公司建立了良好的合作关系， 从它们现有的数百种教材中甄选出Tanenbaum， Stroustrup， Kernighan， JimGray等大师名家的一批经典作品， 以"计算机科学丛书"为总称出版， 供读者学习. 研究及庋藏. 大理石纹理的封面， 也正体现了这套丛书的品位和格调. "计算机科学丛书"的出版工作得到了国内外学者的鼎力襄助， 国内的专家不仅提供了中肯的选题指导， 还不辞劳苦地担任了翻译和审校的工作， 而原书的作者也相当关注其作品在中国的传播， 有的还专诚为其书的中译本作序. 迄今， "计算机科学丛书"已经出版了近百个品种， 这些书籍在读者中树立了良好的口碑， 并被许多高校采用为正式教材和参考书籍， 为进一步推广与发展打下了坚实的基础. 随着学科建设的初步完善和教材改革的逐渐深化， 教育界对国外计算机教材的需求和应用都步入一个新的阶段. 为此， 华章公司将加大引进教材的力度， 在"华章教育"的总规划之下出版三个系列的计算机教材：除"计算机科学丛书"之外， 对影印版的教材， 则单独开辟出"经典原版书库"：同时， 引进全美通行的教学辅导书"Schaum's Outlines"系列组成"全美经典学习指导系列". 为了保证这三套丛书的权威性， 同时也为了更好地为学校和老师们服务， 华章公司聘请了中国科学院. 北京大学. 清华大学. 国防科技大学. 复旦大学. 上海交通大学. 南京大学. 浙江大学. 中国科技大学. 哈尔滨工业大学. 西安交通大学. 中国人民大学. 北京航空航天大学. 北京邮电大学. 中山大学. 解放军理工大学. 郑州大学. 湖北工学院. 中国国家信息安全测评认证中心等国内重点大学和科研机构在计算机的各个领域的著名学者组成"专家指导委员会"， 为我们提供选题意见和出版监督. 这三套丛书是响应教育部提出的使用外版教材的号召， 为国内高校的计算机及相关专业的教学度身订造的. 其中许多教材均已为M. I. T， Stanford， U. C. Berkeley， C. M. U. 等世界名牌大学所采用. 不仅涵盖了程序设计. 数据结构. 操作系统， 计算机体系结构. 数据库. 编译原理. 软件工程. 图形学. 通信与网络. 离散数学等国内大学计算机专业普遍开设的核心课程， 而且各具特色：有的出自语言设计者之手. 有的历经三十年而不衰. 有的已被全世界的几百所高校采用. 在这些圆熟通博的名师大作的指引之下， 读者必将在计算机科学的宫殿中由登堂而入室. 权威的作者. 经典的教材. 一流的译者. 严格的审校. 精细的编辑， 这些因素使我们的图书有了质量的保证， 但我们的目标是尽善尽美， 而反馈的意见正是我们达到这一终极目标的重要帮助. 教材的出版只是我们的后续服务的起点. 华章公司欢迎老师和读者对我们的工作提出建议或给予指正， 我们的联系方法如下： 电子邮件：hzedu@hzbook. com 联系电话：（010）68995264 联系地址：北京市西城区百万庄南街1号 邮政编码：100037前言科学家常会感到通过自己的研究工作在不断地认识自我， 物理学家在工作中认识到了这一点， 同样， 心理学家和化学家也认识到了这一点. 在机器人学的研究中， 研究领域和研究者自身之间的关系尤为明显. 同时， 与一门仅追求分析的自然科学不同， 当前机器人学所追求的是偏重于综合的工程学科. 也许正是这个原因， 这个领域才使我们当中的许多人着迷. 机器人学研究的是怎样综合运用机械. 传感器. 驱动器和计算机来实现人类某些方面的功能. 现今， 机器人学诸方面的研究工作都是由不同领域的专家们进行的. 通常没有一个人能够完全掌握机器人领域的所有知识. 因此， 自然有必要对这个研究领域进行划分. 在更高的层次上， 可把机器人学划分为四个主要领域：机械操作. 移动. 计算机视觉和人工智能. 本书介绍机械操作的理论和工程知识， 这是机器人学的分学科， 它是建立在几个传统学科基础之上的. 主要的相关学科有力学. 控制理论. 计算机科学. 在本书中， 第1章至第8章包括机械工程和数学的主题， 第9章至第11章为控制理论的题材， 第12章和第13章属于计算机科学的内容. 另外， 本书自始至终强调通过计算解决问题， 例如， 与力学密切相关的每一章都有一节简要介绍计算方面的问题. 本书源于斯坦福大学1983~1985年秋季学期的"机器人学导论"的讲义. 第1版和第2版在1986~2002年间被许多大学采用. 第3版得益于这些应用， 并且根据多方面的反馈意见做了修改和改进. 在此， 向那些对本书作者提出修正意见的人表示感谢. 本书适用于高年级本科生或者低年级研究生课程. 选修此课程的学生如果学过静力学和动力学这两门基础课程之一， 同时学习过线性代数， 并且能够使用计算机高级语言编程， 这将有助于他们的学习. 此外， 虽然不必先修控制理论方面的入门课程， 但学过这门课程也是有益的. 本书的目标之一是以简单. 直观的方式介绍机器人学的知识. 特别需要指出的是， 虽然本书很多内容选自机械领域， 但本书的读者不必是机械工程师. 在斯坦福大学， 很多电气工程师. 计算机科学家. 数学家都认为本书具有很强的可读性. 虽然本书直接由机器人系统的研发工程师使用， 但是对于任何将要从事机器人研究工作的人， 本书内容应当被看作是重要的背景资料. 同样， 至少从事过某种硬件的软件开发人员和不直接参与机器人的机械和控制的研究人员， 应当具备一些本书提供的背景知识. 第3版和第2版相似， 分为13章. 本书的材料适合于一学期来讲授， 如果要在半学期内讲授， 需要略去一些章. 即便如此， 仍然无法深入讲解所有专题. 本书在编写时从某些方面考虑了这一点， 例如， 多数章只采用一种方法解决常见的问题. 编写本书的主要问题之一就是尽量在限定的教学时间内为每个主题合理地分配时间. 为此， 我的办法是只考虑那些直接影响机器人机械操作学习的材料. 在每章的最后都有一组习题. 在每道习题题号后的方括号中给出习题的难度系数. 难度系数在[00]到[50]之间. [00]是最简单的题目， [50]是尚未被解决的研究性问题. 当然， 一个人认为困难的问题， 另一个人可能认为容易， 因此， 一些读者会发现那些难度系数在某些情况下会引起误解. 不过， 这种方法在某种程度上评价了这些习题的难度. 在每章的末尾， 有一个编程作业， 学生可以把相应章的知识应用到一个简单的三关节平面操作臂中. 这个简单的操作臂足以用来证明大多数一般操作臂的所有原理， 而不必使学生陷入过于复杂的问题中. 每个编程作业都建立在前一个作业的基础上， 到课程结束时， 学生就会得到一个完整的操作臂软件程序库. 另外， 我们在本书第3版中添加了使用MATLAB的习题. 第1~9章共有12道使用MATLAB的习题. 这些习题由俄亥俄大学的Robert L. Williams II教授编写， 我对他所做的贡献深表感谢. 这些习题可以配合澳大利亚CSIRO首席研究科学家Peter Corke编写的MATLAB机器人学工具箱使用. 第1章是机器人学的介绍， 介绍一些背景资料. 基本思想和本书所使用的符号， 并预览后面各章的内容. 第2章包括描述三维空间中的位置与方法的数学知识. 这是极为重要的内容：通过定义机械操作本身与周围空间的移动物体（部件. 工具. 机器人自身）联系起来. 我们需要用一种易于理解并且尽可能直观的方式来描述这些动作. 第3章和第4章讨论机械操作臂的几何性质. 介绍机械工程学科中的运动学分支， 这个分支研究运动但不考虑引起这种运动的力. 在这两章里， 我们讨论操作臂运动学， 但把研究范围限定在静态定位问题上. 第5章将运动学的研究范围扩展到速度和静力方面. 第6章开始研究引起操作臂运动的力和力矩. 这就是操作臂动力学问题. 第7章描述操作臂在空间的运动轨迹. 第8章涉及到许多与操作臂机械设计有关的问题. 例如， 设计多少关节是适宜的， 关节的类型应是什么， 它们需如何布局. 第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用数字计算机）， 使其准确地经过预先设定的空间轨迹. 第9章研究线性控制方法， 第10章将研究拓展到非线性领域. 第11章讨论操作臂的主动力控制. 这就是研究如何对操作臂控制力的运用， 这种控制模式在操作臂接触周围环境的情况下非常重要， 比如操作臂用海绵擦窗户. 第12章概述机器人编程方法， 特别是机器人编程系统中所需的基本成分以及与工业机器人编程相关的特殊问题. 第13章介绍离线仿真和编程系统， 其中描述人与机器人接口的最新进展. 我非常感谢牺牲宝贵时间协助我完成这本书的许多人. 首先， 感谢斯坦福大学1983~1985届ME219班的同学们， 他们学习了初稿， 发现了不少错误， 并提出了许多建议. Bernard Roth教授在多方面给予了帮助， 不仅对草稿提出了建设性的意见， 而且为我提供了完成第1版的环境. 在SILMA公司， 我得到了很好的仿真环境和资源， 从而使我完成了第2版. Jeff Kerr博士写出第8章的初稿， Robert L. Williams II教授设计了每章最后的MATLAB习题. Peter Corke扩充了他的Robotics Toolbox（机器人学工具箱）， 以此支持本书采用的Denavit-Hartenberg符号体系. 在此， 我也深深地感谢我在机器人学方面的导师Marc Raibert. Carl Ruoff. Tom Binford 和Bernard Roth. 我还要感谢来自斯坦福大学. SILMA公司. Adept公司和其他地方的许多人， 他们以各种方式对我提供了帮助， 他们是John Mark Agosta. Mike Ali. Lynn Balling. Al Barr. Stephen Boyd. Chuck Bunkley. Joel Burdick.Jim Callan. Brian Carlisle. Monique Craig. Subas Desa. Tri Dai Do. Karl Garcia. Ashitava Ghosal. Chris Goad. Ron Goldman. Bill Hamilton. Steve Holland. Peter Jackcon. Eric Jacobs. Johann Jager.Paul James. Jeff Kerr. Oussama Khatib. Jim Kramer. Dave Lowe. Jim Maples. Dave Marimont. Dave Meer. Kent Ohlund. Madhusudan Raghavan. Richard Roy. Ken Salisbury. Bruce Shimano. Donalda Speight. Bob Tilove. Sandy Wells 和Dave Williams. 斯坦福大学的Roth教授在给2002届的学生们讲授机器人课程时使用了本书第2版， 并指出了许多错误， 这些错误在第3版中做了修订. 最后， 我还要感谢Prentice Hall出版社的Tom Robbins对第1版以及本版给予的指导帮助. J. J. C 1Introduction 2Spatial descriptions and transformations 3Manipulator kinematics 4Inverse manipulator kinematics 5Jacobians： velocities and static forces 6Manipulator dynamics 7Trajectory generation 8Manipulator-mechanism design 9Linear control of manipulators 10Nonlinear control of manipulators 11Force control of manipulators 12Robot programming languages and systems 13Off-line programming systems ATrigonometric identities BThe 24 angle-set conventions CSome inverse-kinematic formulas Solutions to selected exercises 索引
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