機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論：英文版

　　內(nèi)容簡(jiǎn)介目錄本書(shū)源于斯坦福大學(xué)1983年至1985年秋季學(xué)期的"機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論"的講義。本書(shū)講述機(jī)器人操作臂的理論和工程技術(shù)問(wèn)題，這屬子機(jī)器人學(xué)的子學(xué)科，是建立在幾個(gè)傳統(tǒng)學(xué)科基礎(chǔ)之上的。本書(shū)第1～8章介紹有關(guān)的機(jī)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(jì)算機(jī)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(shū)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(yuǎn)流長(zhǎng)的科學(xué)精神和逐步形成的學(xué)術(shù)規(guī)范， 使西方國(guó)家在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域取得了壟斷性的優(yōu)勢(shì)， 也正是這樣的傳統(tǒng)， 使美國(guó)在信息技術(shù)發(fā)展的六十多年間名家輩出. 獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷. 在商業(yè)化的進(jìn)程中， 美國(guó)的產(chǎn)業(yè)界與教育界越來(lái)越緊密地結(jié)合， 計(jì)算機(jī)學(xué)科中的許多泰山北斗同時(shí)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(gè)性， 其價(jià)值并不會(huì)因年月的流逝而減退. 近年， 在全球信息化大潮的推動(dòng)下， 我國(guó)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛， 對(duì)專業(yè)人才的需求日益迫切. 這對(duì)計(jì)算機(jī)教育界和出版界都既是機(jī)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(guó)信息技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短. 從業(yè)人員較少的現(xiàn)狀下， 美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在其計(jì)算機(jī)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(jìn)一批國(guó)外優(yōu)秀計(jì)算機(jī)教材將對(duì)我國(guó)計(jì)算機(jī)教育事業(yè)的發(fā)展起積極的推動(dòng)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(jī)械工業(yè)出版社華章圖文信息有限公司較早意識(shí)到"出版要為教育服務(wù)". 自1998年開(kāi)始， 華章公司就將工作重點(diǎn)放在了遴選. 移譯國(guó)外優(yōu)秀教材上. 經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)科學(xué)叢書(shū)"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(shū)的品位和格調(diào). "計(jì)算機(jī)科學(xué)叢書(shū)"的出版工作得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的鼎力襄助， 國(guó)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(shū)的作者也相當(dāng)關(guān)注其作品在中國(guó)的傳播， 有的還專誠(chéng)為其書(shū)的中譯本作序. 迄今， "計(jì)算機(jī)科學(xué)叢書(shū)"已經(jīng)出版了近百個(gè)品種， 這些書(shū)籍在讀者中樹(shù)立了良好的口碑， 并被許多高校采用為正式教材和參考書(shū)籍， 為進(jìn)一步推廣與發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)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(duì)國(guó)外計(jì)算機(jī)教材的需求和應(yīng)用都步入一個(gè)新的階段. 為此， 華章公司將加大引進(jìn)教材的力度， 在"華章教育"的總規(guī)劃之下出版三個(gè)系列的計(jì)算機(jī)教材：除"計(jì)算機(jī)科學(xué)叢書(shū)"之外， 對(duì)影印版的教材， 則單獨(dú)開(kāi)辟出"經(jīng)典原版書(shū)庫(kù)"：同時(shí)， 引進(jìn)全美通行的教學(xué)輔導(dǎo)書(shū)"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(shū)的權(quán)威性， 同時(shí)也為了更好地為學(xué)校和老師們服務(wù)， 華章公司聘請(qǐng)了中國(guó)科學(xué)院. 北京大學(xué). 清華大學(xué). 國(guó)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(guó)科技大學(xué). 哈爾濱工業(yè)大學(xué). 西安交通大學(xué). 中國(guó)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(guó)國(guó)家信息安全測(cè)評(píng)認(rèn)證中心等國(guó)內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域的著名學(xué)者組成"專家指導(dǎo)委員會(huì)"， 為我們提供選題意見(jiàn)和出版監(jiān)督. 這三套叢書(shū)是響應(yīng)教育部提出的使用外版教材的號(hào)召， 為國(guó)內(nèi)高校的計(jì)算機(jī)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(jì). 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu). 操作系統(tǒng)， 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu). 數(shù)據(jù)庫(kù). 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(guó)內(nèi)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的核心課程， 而且各具特色：有的出自語(yǔ)言設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(shū)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(jiàn)正是我們達(dá)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(diǎn). 華章公司歡迎老師和讀者對(duì)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(wàn)莊南街1號(hào) 郵政編碼：100037前言科學(xué)家常會(huì)感到通過(guò)自己的研究工作在不斷地認(rèn)識(shí)自我， 物理學(xué)家在工作中認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)， 同樣， 心理學(xué)家和化學(xué)家也認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn). 在機(jī)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(shí)， 與一門(mén)僅追求分析的自然科學(xué)不同， 當(dāng)前機(jī)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(gè)原因， 這個(gè)領(lǐng)域才使我們當(dāng)中的許多人著迷. 機(jī)器人學(xué)研究的是怎樣綜合運(yùn)用機(jī)械. 傳感器. 驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人類某些方面的功能. 現(xiàn)今， 機(jī)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(jìn)行的. 通常沒(méi)有一個(gè)人能夠完全掌握機(jī)器人領(lǐng)域的所有知識(shí). 因此， 自然有必要對(duì)這個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行劃分. 在更高的層次上， 可把機(jī)器人學(xué)劃分為四個(gè)主要領(lǐng)域：機(jī)械操作. 移動(dòng). 計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能. 本書(shū)介紹機(jī)械操作的理論和工程知識(shí)， 這是機(jī)器人學(xué)的分學(xué)科， 它是建立在幾個(gè)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(jì)算機(jī)科學(xué). 在本書(shū)中， 第1章至第8章包括機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)容. 另外， 本書(shū)自始至終強(qiáng)調(diào)通過(guò)計(jì)算解決問(wèn)題， 例如， 與力學(xué)密切相關(guān)的每一章都有一節(jié)簡(jiǎn)要介紹計(jì)算方面的問(wèn)題. 本書(shū)源于斯坦福大學(xué)1983~1985年秋季學(xué)期的"機(jī)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(jiàn)做了修改和改進(jìn). 在此， 向那些對(duì)本書(shū)作者提出修正意見(jiàn)的人表示感謝. 本書(shū)適用于高年級(jí)本科生或者低年級(jí)研究生課程. 選修此課程的學(xué)生如果學(xué)過(guò)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)這兩門(mén)基礎(chǔ)課程之一， 同時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)線性代數(shù)， 并且能夠使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)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(mén)課程， 但學(xué)過(guò)這門(mén)課程也是有益的. 本書(shū)的目標(biāo)之一是以簡(jiǎn)單. 直觀的方式介紹機(jī)器人學(xué)的知識(shí). 特別需要指出的是， 雖然本書(shū)很多內(nèi)容選自機(jī)械領(lǐng)域， 但本書(shū)的讀者不必是機(jī)械工程師. 在斯坦福大學(xué)， 很多電氣工程師. 計(jì)算機(jī)科學(xué)家. 數(shù)學(xué)家都認(rèn)為本書(shū)具有很強(qiáng)的可讀性. 雖然本書(shū)直接由機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)工程師使用， 但是對(duì)于任何將要從事機(jī)器人研究工作的人， 本書(shū)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被看作是重要的背景資料. 同樣， 至少?gòu)氖逻^(guò)某種硬件的軟件開(kāi)發(fā)人員和不直接參與機(jī)器人的機(jī)械和控制的研究人員， 應(yīng)當(dāng)具備一些本書(shū)提供的背景知識(shí). 第3版和第2版相似， 分為13章. 本書(shū)的材料適合于一學(xué)期來(lái)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(wú)法深入講解所有專題. 本書(shū)在編寫(xiě)時(shí)從某些方面考慮了這一點(diǎn)， 例如， 多數(shù)章只采用一種方法解決常見(jiàn)的問(wèn)題. 編寫(xiě)本書(shū)的主要問(wèn)題之一就是盡量在限定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)為每個(gè)主題合理地分配時(shí)間. 為此， 我的辦法是只考慮那些直接影響機(jī)器人機(jī)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(hào)后的方括號(hào)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(jiǎn)單的題目， [50]是尚未被解決的研究性問(wèn)題. 當(dāng)然， 一個(gè)人認(rèn)為困難的問(wèn)題， 另一個(gè)人可能認(rèn)為容易， 因此， 一些讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)那些難度系數(shù)在某些情況下會(huì)引起誤解. 不過(guò)， 這種方法在某種程度上評(píng)價(jià)了這些習(xí)題的難度. 在每章的末尾， 有一個(gè)編程作業(yè)， 學(xué)生可以把相應(yīng)章的知識(shí)應(yīng)用到一個(gè)簡(jiǎn)單的三關(guān)節(jié)平面操作臂中. 這個(gè)簡(jiǎn)單的操作臂足以用來(lái)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(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題中. 每個(gè)編程作業(yè)都建立在前一個(gè)作業(yè)的基礎(chǔ)上， 到課程結(jié)束時(shí)， 學(xué)生就會(huì)得到一個(gè)完整的操作臂軟件程序庫(kù). 另外， 我們?cè)诒緯?shū)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(xiě)， 我對(duì)他所做的貢獻(xiàn)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(xiě)的MATLAB機(jī)器人學(xué)工具箱使用. 第1章是機(jī)器人學(xué)的介紹， 介紹一些背景資料. 基本思想和本書(shū)所使用的符號(hào)， 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(shí). 這是極為重要的內(nèi)容：通過(guò)定義機(jī)械操作本身與周?chē)臻g的移動(dòng)物體（部件. 工具. 機(jī)器人自身）聯(lián)系起來(lái). 我們需要用一種易于理解并且盡可能直觀的方式來(lái)描述這些動(dòng)作. 第3章和第4章討論機(jī)械操作臂的幾何性質(zhì). 介紹機(jī)械工程學(xué)科中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分支， 這個(gè)分支研究運(yùn)動(dòng)但不考慮引起這種運(yùn)動(dòng)的力. 在這兩章里， 我們討論操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)， 但把研究范圍限定在靜態(tài)定位問(wèn)題上. 第5章將運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究范圍擴(kuò)展到速度和靜力方面. 第6章開(kāi)始研究引起操作臂運(yùn)動(dòng)的力和力矩. 這就是操作臂動(dòng)力學(xué)問(wèn)題. 第7章描述操作臂在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡. 第8章涉及到許多與操作臂機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題. 例如， 設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)）， 使其準(zhǔn)確地經(jīng)過(guò)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(dòng)力控制. 這就是研究如何對(duì)操作臂控制力的運(yùn)用， 這種控制模式在操作臂接觸周?chē)h(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(jī)器人編程方法， 特別是機(jī)器人編程系統(tǒng)中所需的基本成分以及與工業(yè)機(jī)器人編程相關(guān)的特殊問(wèn)題. 第13章介紹離線仿真和編程系統(tǒng)， 其中描述人與機(jī)器人接口的最新進(jìn)展. 我非常感謝犧牲寶貴時(shí)間協(xié)助我完成這本書(shū)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(cuò)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(duì)草稿提出了建設(shè)性的意見(jiàn)， 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(xiě)出第8章的初稿， Robert L. Williams II教授設(shè)計(jì)了每章最后的MATLAB習(xí)題. Peter Corke擴(kuò)充了他的Robotics Toolbox（機(jī)器人學(xué)工具箱）， 以此支持本書(shū)采用的Denavit-Hartenberg符號(hào)體系. 在此， 我也深深地感謝我在機(jī)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(lái)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(duì)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(jī)器人課程時(shí)使用了本書(shū)第2版， 并指出了許多錯(cuò)誤， 這些錯(cuò)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(duì)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

暫缺《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論：英文版》作者簡(jiǎn)介