機器人學(xué)導(dǎo)論：英文版

　　內(nèi)容簡介目錄本書源于斯坦福大學(xué)1983年至1985年秋季學(xué)期的"機器人學(xué)導(dǎo)論"的講義。本書講述機器人操作臂的理論和工程技術(shù)問題，這屬子機器人學(xué)的子學(xué)科，是建立在幾個傳統(tǒng)學(xué)科基礎(chǔ)之上的。本書第1～8章介紹有關(guān)的機械工程和數(shù)學(xué)，第9～11章討論控制理論和方法，第12～13章介紹計算機科學(xué)的內(nèi)容。另外，每章的末尾都配有大量的習(xí)題、編程練習(xí)以及MATLAB練習(xí)，書后還附有部分習(xí)題的答案，便于讀者學(xué)習(xí)譯者序文藝復(fù)興以降， 源遠流長的科學(xué)精神和逐步形成的學(xué)術(shù)規(guī)范， 使西方國家在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域取得了壟斷性的優(yōu)勢， 也正是這樣的傳統(tǒng)， 使美國在信息技術(shù)發(fā)展的六十多年間名家輩出. 獨領(lǐng)風(fēng)騷. 在商業(yè)化的進程中， 美國的產(chǎn)業(yè)界與教育界越來越緊密地結(jié)合， 計算機學(xué)科中的許多泰山北斗同時身處科研和教學(xué)的最前線， 由此而產(chǎn)生的經(jīng)典科學(xué)著作， 不僅擘劃了研究的范疇， 還揭橥了學(xué)術(shù)的源變， 既遵循學(xué)術(shù)規(guī)范， 又自有學(xué)者個性， 其價值并不會因年月的流逝而減退. 近年， 在全球信息化大潮的推動下， 我國的計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛， 對專業(yè)人才的需求日益迫切. 這對計算機教育界和出版界都既是機遇， 也是挑戰(zhàn)， 而專業(yè)教材的建設(shè)在教育戰(zhàn)略上顯得舉足輕重. 在我國信息技術(shù)發(fā)展時間較短. 從業(yè)人員較少的現(xiàn)狀下， 美國等發(fā)達國家在其計算機科學(xué)發(fā)展的幾十年間積淀的經(jīng)典教材仍有許多值得借鑒之處. 因此， 引進一批國外優(yōu)秀計算機教材將對我國計算機教育事業(yè)的發(fā)展起積極的推動作用， 也是與世界接軌. 建設(shè)真正的世界一流大學(xué)的必由之路. 機械工業(yè)出版社華章圖文信息有限公司較早意識到"出版要為教育服務(wù)". 自1998年開始， 華章公司就將工作重點放在了遴選. 移譯國外優(yōu)秀教材上. 經(jīng)過幾年的不懈努力， 我們與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關(guān)系， 從它們現(xiàn)有的數(shù)百種教材中甄選出Tanenbaum， Stroustrup， Kernighan， JimGray等大師名家的一批經(jīng)典作品， 以"計算機科學(xué)叢書"為總稱出版， 供讀者學(xué)習(xí). 研究及庋藏. 大理石紋理的封面， 也正體現(xiàn)了這套叢書的品位和格調(diào). "計算機科學(xué)叢書"的出版工作得到了國內(nèi)外學(xué)者的鼎力襄助， 國內(nèi)的專家不僅提供了中肯的選題指導(dǎo)， 還不辭勞苦地?fù)?dān)任了翻譯和審校的工作， 而原書的作者也相當(dāng)關(guān)注其作品在中國的傳播， 有的還專誠為其書的中譯本作序. 迄今， "計算機科學(xué)叢書"已經(jīng)出版了近百個品種， 這些書籍在讀者中樹立了良好的口碑， 并被許多高校采用為正式教材和參考書籍， 為進一步推廣與發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ). 隨著學(xué)科建設(shè)的初步完善和教材改革的逐漸深化， 教育界對國外計算機教材的需求和應(yīng)用都步入一個新的階段. 為此， 華章公司將加大引進教材的力度， 在"華章教育"的總規(guī)劃之下出版三個系列的計算機教材：除"計算機科學(xué)叢書"之外， 對影印版的教材， 則單獨開辟出"經(jīng)典原版書庫"：同時， 引進全美通行的教學(xué)輔導(dǎo)書"Schaum's Outlines"系列組成"全美經(jīng)典學(xué)習(xí)指導(dǎo)系列". 為了保證這三套叢書的權(quán)威性， 同時也為了更好地為學(xué)校和老師們服務(wù)， 華章公司聘請了中國科學(xué)院. 北京大學(xué). 清華大學(xué). 國防科技大學(xué). 復(fù)旦大學(xué). 上海交通大學(xué). 南京大學(xué). 浙江大學(xué). 中國科技大學(xué). 哈爾濱工業(yè)大學(xué). 西安交通大學(xué). 中國人民大學(xué). 北京航空航天大學(xué). 北京郵電大學(xué). 中山大學(xué). 解放軍理工大學(xué). 鄭州大學(xué). 湖北工學(xué)院. 中國國家信息安全測評認(rèn)證中心等國內(nèi)重點大學(xué)和科研機構(gòu)在計算機的各個領(lǐng)域的著名學(xué)者組成"專家指導(dǎo)委員會"， 為我們提供選題意見和出版監(jiān)督. 這三套叢書是響應(yīng)教育部提出的使用外版教材的號召， 為國內(nèi)高校的計算機及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)度身訂造的. 其中許多教材均已為M. I. T， Stanford， U. C. Berkeley， C. M. U. 等世界名牌大學(xué)所采用. 不僅涵蓋了程序設(shè)計. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 操作系統(tǒng)， 計算機體系結(jié)構(gòu). 數(shù)據(jù)庫. 編譯原理. 軟件工程. 圖形學(xué). 通信與網(wǎng)絡(luò). 離散數(shù)學(xué)等國內(nèi)大學(xué)計算機專業(yè)普遍開設(shè)的核心課程， 而且各具特色：有的出自語言設(shè)計者之手. 有的歷經(jīng)三十年而不衰. 有的已被全世界的幾百所高校采用. 在這些圓熟通博的名師大作的指引之下， 讀者必將在計算機科學(xué)的宮殿中由登堂而入室. 權(quán)威的作者. 經(jīng)典的教材. 一流的譯者. 嚴(yán)格的審校. 精細(xì)的編輯， 這些因素使我們的圖書有了質(zhì)量的保證， 但我們的目標(biāo)是盡善盡美， 而反饋的意見正是我們達到這一終極目標(biāo)的重要幫助. 教材的出版只是我們的后續(xù)服務(wù)的起點. 華章公司歡迎老師和讀者對我們的工作提出建議或給予指正， 我們的聯(lián)系方法如下： 電子郵件：hzedu@hzbook. com 聯(lián)系電話：（010）68995264 聯(lián)系地址：北京市西城區(qū)百萬莊南街1號 郵政編碼：100037前言科學(xué)家常會感到通過自己的研究工作在不斷地認(rèn)識自我， 物理學(xué)家在工作中認(rèn)識到了這一點， 同樣， 心理學(xué)家和化學(xué)家也認(rèn)識到了這一點. 在機器人學(xué)的研究中， 研究領(lǐng)域和研究者自身之間的關(guān)系尤為明顯. 同時， 與一門僅追求分析的自然科學(xué)不同， 當(dāng)前機器人學(xué)所追求的是偏重于綜合的工程學(xué)科. 也許正是這個原因， 這個領(lǐng)域才使我們當(dāng)中的許多人著迷. 機器人學(xué)研究的是怎樣綜合運用機械. 傳感器. 驅(qū)動器和計算機來實現(xiàn)人類某些方面的功能. 現(xiàn)今， 機器人學(xué)諸方面的研究工作都是由不同領(lǐng)域的專家們進行的. 通常沒有一個人能夠完全掌握機器人領(lǐng)域的所有知識. 因此， 自然有必要對這個研究領(lǐng)域進行劃分. 在更高的層次上， 可把機器人學(xué)劃分為四個主要領(lǐng)域：機械操作. 移動. 計算機視覺和人工智能. 本書介紹機械操作的理論和工程知識， 這是機器人學(xué)的分學(xué)科， 它是建立在幾個傳統(tǒng)學(xué)科基礎(chǔ)之上的. 主要的相關(guān)學(xué)科有力學(xué). 控制理論. 計算機科學(xué). 在本書中， 第1章至第8章包括機械工程和數(shù)學(xué)的主題， 第9章至第11章為控制理論的題材， 第12章和第13章屬于計算機科學(xué)的內(nèi)容. 另外， 本書自始至終強調(diào)通過計算解決問題， 例如， 與力學(xué)密切相關(guān)的每一章都有一節(jié)簡要介紹計算方面的問題. 本書源于斯坦福大學(xué)1983~1985年秋季學(xué)期的"機器人學(xué)導(dǎo)論"的講義. 第1版和第2版在1986~2002年間被許多大學(xué)采用. 第3版得益于這些應(yīng)用， 并且根據(jù)多方面的反饋意見做了修改和改進. 在此， 向那些對本書作者提出修正意見的人表示感謝. 本書適用于高年級本科生或者低年級研究生課程. 選修此課程的學(xué)生如果學(xué)過靜力學(xué)和動力學(xué)這兩門基礎(chǔ)課程之一， 同時學(xué)習(xí)過線性代數(shù)， 并且能夠使用計算機高級語言編程， 這將有助于他們的學(xué)習(xí). 此外， 雖然不必先修控制理論方面的入門課程， 但學(xué)過這門課程也是有益的. 本書的目標(biāo)之一是以簡單. 直觀的方式介紹機器人學(xué)的知識. 特別需要指出的是， 雖然本書很多內(nèi)容選自機械領(lǐng)域， 但本書的讀者不必是機械工程師. 在斯坦福大學(xué)， 很多電氣工程師. 計算機科學(xué)家. 數(shù)學(xué)家都認(rèn)為本書具有很強的可讀性. 雖然本書直接由機器人系統(tǒng)的研發(fā)工程師使用， 但是對于任何將要從事機器人研究工作的人， 本書內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被看作是重要的背景資料. 同樣， 至少從事過某種硬件的軟件開發(fā)人員和不直接參與機器人的機械和控制的研究人員， 應(yīng)當(dāng)具備一些本書提供的背景知識. 第3版和第2版相似， 分為13章. 本書的材料適合于一學(xué)期來講授， 如果要在半學(xué)期內(nèi)講授， 需要略去一些章. 即便如此， 仍然無法深入講解所有專題. 本書在編寫時從某些方面考慮了這一點， 例如， 多數(shù)章只采用一種方法解決常見的問題. 編寫本書的主要問題之一就是盡量在限定的教學(xué)時間內(nèi)為每個主題合理地分配時間. 為此， 我的辦法是只考慮那些直接影響機器人機械操作學(xué)習(xí)的材料. 在每章的最后都有一組習(xí)題. 在每道習(xí)題題號后的方括號中給出習(xí)題的難度系數(shù). 難度系數(shù)在[00]到[50]之間. [00]是最簡單的題目， [50]是尚未被解決的研究性問題. 當(dāng)然， 一個人認(rèn)為困難的問題， 另一個人可能認(rèn)為容易， 因此， 一些讀者會發(fā)現(xiàn)那些難度系數(shù)在某些情況下會引起誤解. 不過， 這種方法在某種程度上評價了這些習(xí)題的難度. 在每章的末尾， 有一個編程作業(yè)， 學(xué)生可以把相應(yīng)章的知識應(yīng)用到一個簡單的三關(guān)節(jié)平面操作臂中. 這個簡單的操作臂足以用來證明大多數(shù)一般操作臂的所有原理， 而不必使學(xué)生陷入過于復(fù)雜的問題中. 每個編程作業(yè)都建立在前一個作業(yè)的基礎(chǔ)上， 到課程結(jié)束時， 學(xué)生就會得到一個完整的操作臂軟件程序庫. 另外， 我們在本書第3版中添加了使用MATLAB的習(xí)題. 第1~9章共有12道使用MATLAB的習(xí)題. 這些習(xí)題由俄亥俄大學(xué)的Robert L. Williams II教授編寫， 我對他所做的貢獻深表感謝. 這些習(xí)題可以配合澳大利亞CSIRO首席研究科學(xué)家Peter Corke編寫的MATLAB機器人學(xué)工具箱使用. 第1章是機器人學(xué)的介紹， 介紹一些背景資料. 基本思想和本書所使用的符號， 并預(yù)覽后面各章的內(nèi)容. 第2章包括描述三維空間中的位置與方法的數(shù)學(xué)知識. 這是極為重要的內(nèi)容：通過定義機械操作本身與周圍空間的移動物體（部件. 工具. 機器人自身）聯(lián)系起來. 我們需要用一種易于理解并且盡可能直觀的方式來描述這些動作. 第3章和第4章討論機械操作臂的幾何性質(zhì). 介紹機械工程學(xué)科中的運動學(xué)分支， 這個分支研究運動但不考慮引起這種運動的力. 在這兩章里， 我們討論操作臂運動學(xué)， 但把研究范圍限定在靜態(tài)定位問題上. 第5章將運動學(xué)的研究范圍擴展到速度和靜力方面. 第6章開始研究引起操作臂運動的力和力矩. 這就是操作臂動力學(xué)問題. 第7章描述操作臂在空間的運動軌跡. 第8章涉及到許多與操作臂機械設(shè)計有關(guān)的問題. 例如， 設(shè)計多少關(guān)節(jié)是適宜的， 關(guān)節(jié)的類型應(yīng)是什么， 它們需如何布局. 第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用數(shù)字計算機）， 使其準(zhǔn)確地經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的空間軌跡. 第9章研究線性控制方法， 第10章將研究拓展到非線性領(lǐng)域. 第11章討論操作臂的主動力控制. 這就是研究如何對操作臂控制力的運用， 這種控制模式在操作臂接觸周圍環(huán)境的情況下非常重要， 比如操作臂用海綿擦窗戶. 第12章概述機器人編程方法， 特別是機器人編程系統(tǒng)中所需的基本成分以及與工業(yè)機器人編程相關(guān)的特殊問題. 第13章介紹離線仿真和編程系統(tǒng)， 其中描述人與機器人接口的最新進展. 我非常感謝犧牲寶貴時間協(xié)助我完成這本書的許多人. 首先， 感謝斯坦福大學(xué)1983~1985屆ME219班的同學(xué)們， 他們學(xué)習(xí)了初稿， 發(fā)現(xiàn)了不少錯誤， 并提出了許多建議. Bernard Roth教授在多方面給予了幫助， 不僅對草稿提出了建設(shè)性的意見， 而且為我提供了完成第1版的環(huán)境. 在SILMA公司， 我得到了很好的仿真環(huán)境和資源， 從而使我完成了第2版. Jeff Kerr博士寫出第8章的初稿， Robert L. Williams II教授設(shè)計了每章最后的MATLAB習(xí)題. Peter Corke擴充了他的Robotics Toolbox（機器人學(xué)工具箱）， 以此支持本書采用的Denavit-Hartenberg符號體系. 在此， 我也深深地感謝我在機器人學(xué)方面的導(dǎo)師Marc Raibert. Carl Ruoff. Tom Binford 和Bernard Roth. 我還要感謝來自斯坦福大學(xué). SILMA公司. Adept公司和其他地方的許多人， 他們以各種方式對我提供了幫助， 他們是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. 斯坦福大學(xué)的Roth教授在給2002屆的學(xué)生們講授機器人課程時使用了本書第2版， 并指出了許多錯誤， 這些錯誤在第3版中做了修訂. 最后， 我還要感謝Prentice Hall出版社的Tom Robbins對第1版以及本版給予的指導(dǎo)幫助. 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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