Craig教授根据机器人学的特点，将理论和实际应用密切结合，按照刚体力学、分析力学、机构学和控制理论中的原理和定义对机器人运动学、动力学和控制中的原理进行了严谨的阐述，语言精练，内容深入浅出，例题简单易懂，体现出Craig教授在机器人学方面高深的造诣。《机器人学导论》(原书第4版)是当今机器人学研究领域的经典之作。

内容简介

本书系统讲解了机器人学的理论知识，主要内容包括：空间位姿的描述和变换、操作臂的正运动学和逆运动学、操作臂的雅可比、操作臂动力学、轨迹规划、操作臂的机构设计、操作臂的线性和非线性控制、操作臂的力控制、机器人编程语言和离线编程。此外，各章末包括不同难度的习题、编程练习和MATLAB练习。本书可作为高等院校相关专业的教材和参考书，也可供相关技术人员参考。

译者序
前言
第1章概述
1.1背景
1.2操作臂的力学与控制
1.3符号
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第2章空间描述和变换
2.1引言
2.2描述：位置、姿态与位姿
2.3映射：从一个坐标系到另一坐标系的变换
2.4算子：平移、旋转和变换
2.5总结和说明
2.6变换的计算
2.7变换方程
2.8其他姿态描述
2.9自由矢量的变换
2.10计算问题
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第3章操作臂运动学
3.1引言
3.2连杆的描述
3.3连杆连接的描述
3.4连杆坐标系的定义
3.5操作臂运动学
3.6驱动器空间、关节空间和笛卡儿空间
3.7实例：两种工业机器人的运动学问题
3.8坐标系的标准命名
3.9工具的位置
3.10计算问题
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第4章操作臂逆运动学
4.1引言
4.2解的存在性
4.3当n<6时操作臂子空间的描述
4.4代数解法和几何解法
4.5简化成多项式的代数解法
4.6三轴相交的Pieper解法
4.7操作臂逆运动学实例
4.8标准坐标系
4.9操作臂求解
4.10重复精度和精度
4.11计算问题
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第5章雅可比：速度和静力
5.1引言
5.2时变位置和姿态的符号表示
5.3刚体的线速度和角速度
5.4对角速度的进一步研究
5.5机器人连杆的运动
5.6连杆之间的速度“传递
5.7雅可比
5.8奇异性
5.9操作臂的静力
5.10力域中的雅可比
5.11速度和静力的笛卡儿变换
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第6章操作臂动力学
6.1引言
6.2刚体的加速度
6.3质量分布
6.4牛顿方程和欧拉方程
6.5牛顿欧拉递推动力学方程
6.6迭代形式与封闭形式
6.7封闭形式的动力学方程应用举例
6.8操作臂动力学方程的结构
6.9操作臂动力学的拉格朗日方程
6.10笛卡儿空间中的操作臂动力学
6.11考虑非刚体影响
6.12动力学仿真
6.13计算问题
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第7章轨迹生成
7.1引言
7.2关于路径描述和路径生成的综述
7.3关节空间的规划方法
7.4笛卡儿空间规划方法
7.5笛卡儿路径的几何问题
7.6路径的实时生成
7.7使用机器人编程语言描述路径
7.8使用动力学模型的路径规划
7.9无碰撞路径规划
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第8章操作臂的机构设计
8.1引言
8.2基于任务需求的设计
8.3运动学构型
8.4工作空间属性的定量方法
8.5冗余结构与闭链结构
8.6驱动方案
8.7刚度与变形
8.8位置检测
8.9光学编码器
8.10力传感
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第9章操作臂的线性控制
9.1引言
9.2反馈与闭环控制
9.3二阶线性系统
9.4二阶系统的控制
9.5控制规律的分解
9.6轨迹跟踪控制
9.7抑制干扰
9.8连续控制与离散时间控制
9.9单关节的建模和控制
9.10工业机器人控制器的结构
参考文献
习题
编程练习
MATLAB练习
第10章操作臂的非线性控制
10.1引言
10.2非线性系统和时变系统
10.3多输入多输出控制系统
10.4操作臂的控制问题
10.5实际问题
10.6当前工业机器人控制系统
10.7李雅普诺夫稳定性分析
10.8基于笛卡儿坐标的控制系统
10.9自适应控制
参考文献
习题
编程练习
第11章操作臂的力控制
11.1引言
11.2工业机器人在装配作业中的应用
11.3部分约束任务中的控制坐标系
11.4力/位混合控制问题
11.5质量弹簧系统的力控制
11.6力/位混合控制方法
11.7当前工业机器人控制方法
参考文献
习题
编程练习
第12章机器人编程语言及编程系统
12.1引言
12.2可编程机器人的三个发展水平
12.3应用实例
12.4机器人编程语言的必要条件
12.5机器人编程语言的特殊问题
参考文献
习题
编程练习
第13章离线编程系统
13.1引言
13.2离线编程系统的要点
13.3PILOT仿真器
13.4离线编程系统的自动子任务
参考文献
习题
编程练习
附录A三角恒等式
附录B24种转角排列设定法
附录C逆运动学公式
部分习题答案
索引

前言/序言

前言Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Fourth Edition科学家常会感到通过自己的研究工作在不断地认识自我。物理学家在他们的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。与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，这是一项庞大的任务，它必然需要运用各种“传统”领域的研究思想。
现今，机器人学诸方面的研究工作都是由不同领域的专家进行的。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4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。机械操作这一机器人学分学科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1~8章包括机械工程和数学的主题，第9~11章为控制理论的题材，第12~13章属于计算机科学的内容。另外，本书从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秋季学期的“机器人学导论”的讲稿。前3版在1986~2016年被许多大学采用。第4版得益于这一广泛应用，并且根据多方面的反馈意见做了修改和改进。在此，向对本书作者提出修正意见的所有人表示感谢。
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，同时学习过线性代数，并且能够使用计算机高级语言编程，将是有帮助的。此外，虽然不必先修控制理论的入门课程，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工程领域，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。
虽然本书直观上适合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，本书内容都是重要的背景资料。就像软件开发人员通常要了解一些硬件知识一样，不直接从事机器人的机械和控制研究的人员，也应当具备一些本书提供的背景知识。
与第3版一样，第4版分为13章。本书的材料适合一学期讲授，如果要在半学期内讲授，教师需要略去一些章节。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去解决常见的问题。编写本书的主要挑战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］是尚未解决的研究性问题。�…∥也捎昧擞隓�盞nuth所著《The Art of Computer Programming》(Addison�瞁esley出版)同样的难度等级。
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，我们尽力评估了这些习题的难度。
在每章的末尾，布置了编程作业，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，而不会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，第1~9章共有12道MATLAB练习。这些练习由俄亥俄大学的Robert L�� Williams Ⅱ教授编写，我对他所做的贡献深表感谢。这些练习可以配合澳大利亚CSIRO首席研究科学家Peter Corke编写的MATLAB机器人工具箱（Robotics Toolbox）使用。�…」赜贛ATLAB机器人工具箱，请访问http://petercorke�眂om/Robotics_Toolbox�県tml。
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，并概述后面各章的内容。
第2章包括描述三维空间中的位置与姿态的数学知识。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（工件、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问题，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章我们将运动学的研究范围扩展到速度和静力方面。
第6章我们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
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