本书源于作者在斯坦福大学教授“机器人学导论”课程的讲义撰写而成。经过两次修订，曾被美国多所大学采用为教材。
　　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。本书是当今机器人学研究领域的经典之作。

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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。并且，与那些纯理论的自然科学不同，当前机器人学是一门侧重于综合的工程科学。也许正是这个原因，才使许多人迷恋于这个领域。
　　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。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分类。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，这是机器人学的分支学科，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专题，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，虽然本书很多内容源于机械专业，但本书的读者不一定是机械工程师。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个学期讲授，如果要在半学期内讲授，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，大多数章节只采用一种方法解答常见的问题。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与学习机器人操作相关的材料。
　　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，难度系数在某些情况下会使人疑惑。不过，毕竟这种方法在某种程度上对这些习题的难度作出了评价。
　　在每章的末尾，有一个编程作业，学生可以把该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版中增补了使用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章是机器人学的概述，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章涉及许多与操作臂机械设计有关的问题。例如，设计多少个关节是适宜的，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施加的力进行控制，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内容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，其中介绍了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，他们在学习初稿时发现了不少错误，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版的条件。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 Buckley、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 Jackson、Eric Jacobs、Johann J奼er、 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版和本版给予的指导和帮助。

J. J. C.

John J.Craig：John J.Craig: John J. Craig 斯坦福大学荣誉教授。

贠超 等：暂无简介

机器人技术是集机械、电子、自动控制、计算机以及人工智能等多学科领域的一项综合性应用技术。
　　人类利用自然力代替人力劳动创造了许多自动工具和自动机械，这已有几千年的历史。例如中国西周时代的歌舞伶人，春秋后期木匠鲁班制造的木鸟，东汉时期张衡发明的计里鼓车，后汉三国时期诸葛亮发明的木牛流马，国外公元前2世纪的古希腊人发明了一种自动机，1738年法国人发明了一种机器鸭，1773年瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明的能自动书写和演奏的玩偶，18世纪末日本人发明的端茶玩偶等。但是真正按照现代机器人的定义研究、制造和应用机器人的历史距今只有几十年。实际上，真正意义上的机器人是随着计算机的出现诞生的。1961年美国Unimate公司生产了第一台商用工业机器人。1980年开始日本等国迅速普及工业机器人，国际上称这年为“机器人元年”。随着机构学、自动控制理论、计算机技术的发展，传统的机器人已由欠自由度操作臂发展到冗余度操作臂、行走机器人、拟人机器人、多机器人系统等多种形式，2005年9月，日本已研制出能够控制平衡的骑自行车的拟人机器人。
　　本书是美国斯坦福大学的J.J.Craig教授在机器人学和机器人技术方面多年的研究和教学工作的积累。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，没有丝毫玄虚造作，俨然是大师风范，体现出Craig教授在机器人学方面高深的造诣。本书不愧为当今机器人学研究领域的经典之作。
　　本书第1~3章、第9~13章以及部分习题答案、相关公式和索引由超翻译，第4章由李成群翻译，第5章由陈心颐翻译，第6章由宁凤艳翻译，第7、8章由高志慧翻译。全书由超校对整理，对原书中的错误作了修正，对描述不清之处作了补充完善。
　　承蒙感谢对本书校对稿提出的宝贵意见。
　　本书可作为机械电子工程专业、自动控制专业和计算机专业高年级本科生、硕士生或博士生的教学参考书，也可供从事机器人和自动化装备等应用开发工作的技术人员参考。
　　限于译者的经验和水平，书中难免存在许多缺点和错误，欢迎读者批评指正。

译　 者
2005年9月28日

第1章　绪论 1
1.1　背景 1
1.2　操作臂的机构与控制 3
1.3　符号 10
参考文献 11
习题 12
编程习题 12
MATLAB习题 13
第2章　空间描述和变换 14
2.1　概述 14
2.2　描述：位置、姿态与坐标系 14
2.3　映射：从坐标系到坐标系的变换 17
2.4　算子：平移、旋转和变换 22
2.5　总结和说明 25
2.6　变换算法 26
2.7　变换方程 28
2.8　姿态的其他描述方法 29
2.9　自由矢量的变换 39
2.10　计算分析 40
参考文献 41
习题 42
编程习题 46
MATLAB习题1 47
MATLAB习题2 47
第3章　操作臂运动学 48
3.1　概述 48
3.2　连杆描述 48
3.3　关于连杆连接的描述 50
3.4　对连杆附加坐标系的规定 52
3.5　操作臂运动学 57
3.6　驱动器空间、关节空间和笛卡儿空间 59
3.7　举例：两种典型机器人的运动学问题 60
3.8　坐标系的标准命名 68
3.9　工具的定位 70
3.10　计算问题 70
参考文献 70
习题 71
编程习题 76
MATLAB习题 76
第4章　操作臂逆运动学 78
4.1　概述 78
4.2　可解性 78
4.3　当n<6时操作臂子空间的描述 81
4.4　代数解法与几何解法 83
4.5　通过化简为多项式的代数解法 87
4.6　三轴相交的PIEPER解法 88
4.7　操作臂逆运动学实例 90
4.8　标准坐标系 97
4.9　操作臂求解 98
4.10　重复精度和定位精度 99
4.11　计算问题 99
参考文献 99
习题 100
编程习题 103
MATLAB习题 104
第5章　速度和静力 106
5.1　概述 106
5.2　时变位姿的符号表示 106
5.3　刚体的线速度和角速度 108
5.4　对角速度的进一步研究 110
5.5　机器人连杆的运动 113
5.6　连杆间的速度传递 113
5.7　雅可比 117
5.8　奇异性 119
5.9　作用在操作臂上的静力 121
5.10　力域中的雅可比 123
5.11　速度和静力的笛卡儿变换 124
参考文献 126
习题 127
编程习题 128
MATLAB习题 129
第6章　操作臂动力学 131
6.1　概述 131
6.2　刚体的加速度 131
6.3　质量分布 133
6.4　牛顿方程和欧拉方程 136
6.5　牛顿-欧拉迭代动力学方程 137
6.6　迭代形式与封闭形式的动力学方程 140
6.7　封闭形式动力学方程应用举例 140
6.8　操作臂动力学方程的结构 143
6.9　操作臂动力学的拉格朗日公式 145
6.10　建立笛卡儿空间的规范化操作臂动力学方程 147
6.11　计及非刚体效应 150
6.12　动力学仿真 151
6.13　计算效率问题 151
参考文献 153
习题 155
编程习题 157
MATLAB习题1 158
MATLAB习题2 159
MATLAB习题3 159
第7章　轨迹的生成 161
7.1　概述 161
7.2　关于路径描述和路径生成的综述 161
7.3　关节空间规划方法 162
7.4　笛卡儿空间规划方法 173
7.5　笛卡儿路径的几何问题 175
7.6　路径的实时生成 177
7.7　使用机器人编程语言描述路径 178
7.8　使用动力学模型的路径规划 179
7.9　无碰撞路径规划 179
参考文献 180
习题 180
编程习题 182
MATLAB习题 183
第8章　操作臂的机械设计 184
8.1　概述 184
8.2　基于任务需求的设计 184
8.3　运动学构形 186
8.4　工作空间属性的定量测量 191
8.5　冗余机构与闭链机构 193
8.6　驱动方式 195
8.7　刚度与变形 197
8.8　位置检测 200
8.9　力检测 201
参考文献 202
习题 204
编程习题 207
MATLAB习题 207
第9章　操作臂的线性控制 209
9.1　概述 209
9.2　反馈与闭环控制 209
9.3　二阶线性系统 210
9.4　二阶系统的控制 216
9.5　控制律的分解 217
9.6　轨迹跟踪控制 219
9.7　抗干扰 219
9.8　连续时间控制与离散时间控制 221
9.9　单关节的建模和控制 221
9.10　工业机器人控制器的结构 226
参考文献 227
习题 227
编程习题 229
MATLAB习题 229
第10章　操作臂的非线性控制 231
10.1　概述 231
10.2　非线性系统和时变系统 231
10.3　多输入多输出控制系统 234
10.4　操作臂的控制问题 235
10.5　实际应用中的问题 236
10.6　当前的工业机器人控制系统 239
10.7　李雅普诺夫稳定性分析 241
10.8　基于笛卡儿空间的控制系统 244
10.9　自适应控制 248
参考文献 248
习题 249
编程习题 252
第11章　操作臂的力控制 253
11.1　概述 253
11.2　工业机器人在装配作业中的应用 253
11.3　局部约束任务中的控制坐标系 254
11.4　力/位混合控制问题 258
11.5　质量-弹簧系统的力控制 258
11.6　力/位混合控制方法 261
11.7　当前的工业机器人控制方法 265
参考文献 266
习题 267
编程习题 269
第12章　机器人编程语言及编程系统 270
12.1　概述 270
12.2　机器人编程的三个级别 270
12.3　应用实例 272
12.4　机器人编程语言的必要条件 273
12.5　机器人编程语言的特殊问题 276
参考文献 278
习题 279
编程习题 280
第13章　离线编程系统 281
13.1　概述 281
13.2　离线编程系统的核心问题 282
13.3　引导仿真器 286
13.4　离线编程系统的自动子任务 292
参考文献 293
习题 295
编程习题 295
附录A　三角恒等式 296
附录B　24种角坐标系的旋转矩阵定义 297
附录C　逆运动学公式 300
部分习题答案 301
索引 308