《机器人学导论》(原书第4版)系统讲解机器人学的理论知识，主要内容包括机器人操作臂的几何性质、引起操作臂运动的力和力矩、与操作臂机械设计有关的问题和控制方法、机器人编程方法等。《机器人学导论》(原书第4版)曾作为美国斯坦福大学机器人学导论的教材，已经过3次修订。本书配有大量的编程习题和MATLAB作业，可作为高等院校相关专业的教材或参考书，也可供相关技术人员参考。

机器人学是一门年轻的、日新月异的交叉学科。在新知识、新技术层出不穷的年代，哪些知识被沉淀下来，进而构成了机器人学的基本框架呢？这本书深入浅出地讲解了机器人学的基本概念和基本原理。

本书特色
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，是当今机器人学研究领域的经典之作。
Craig教授将数学、力学和控制理论等与机器人应用实践密切结合，对机器人运动学、动力学、控制和编程中的原理进行了严谨的阐述，并使用典型例题解释原理。
每章附不同难度的习题，供读者学习训练，有利于加深读者对机器人基本概念的理解。
每章还设置有MatLab编程作业，对于读者提升机器人知识的应用能力大有帮助。

科学家们常会感到自己通过研究工作能够不断地认识自我。物理学家认识到了这一点，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倾向于综合的工程学科。也许正是这个原因，这个领域才让我们当中的许多人为之着迷。
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。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、控制理论和计算机科学。在本书中，第1～8章介绍机械工程和数学的主题，第9～11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，本书始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”课程的讲稿。前3版在1986～2016年期间为许多大学所采用。第4版得益于这些教材的广泛应用，并且根据多方面的反馈意见做了修正和改进。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工程领域，但并不要求本书的读者一定得是机械工程师。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，但是任何将要从事机器人研究工作的人，应将本书内容看作重要的背景资料。同样，至少从事过某种硬件的软件开发人员以及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。
与第3版一样，第4版分为13章。本书的材料适合于用一学期的时间来讲授，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，多数章节只采用一种方法去解决常见的问题。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。每道习题题号后的方括号中给出了习题的难度系数。难度系数在[00]和[50]之间。[00]是最简单的题目，[50]是尚未解决的研究性问题。当然，一个人认为困难的问题在另一个人看来可能会觉得容易，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，我们尽力评价了这些习题的难度。
每章的末尾都有一个编程作业，学生可以把相应章节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。
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，我对他所作的贡献深表感谢。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 Robotics Toolbox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（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，设计多少关节是适宜的、关节的类型应是什么以及如何对它们进行布局。
第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用计算机），以准确地跟踪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。也就是研究如何控制操作臂的运用，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，描述人–机接口的最新进展。
第4版新增内容
每章增加了若干习题
8.9节的光学编码器
10.9节的自适应控制
由于技术的发展进步，更新了文献材料和参考文献
更新或新增了几幅图片
改正了100多个打印错误和其他小错误
非常感谢牺牲宝贵时间协助我完成本书的朋友们！首先感谢斯坦福大学1983秋季到1985秋季 ME219班的同学们，他们学习了本书的初稿，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，还为我完成第1版提供了环境。在SILMA公司，我得到了很好的仿真环境和资源，这些帮助我完成了第2版。Jeff Kerr博士写了第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（机器人工具箱），以支持本书采用的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过帮助，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 Jger、 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。
我还要感谢Pearson公司的Tom Robbins为我编写本书的前两版提供了指导。
斯坦福大学的Roth教授在给2002级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版中得到了修订。
最后，我还要感谢那些帮助我完成第4版的人们：Matt Marshall为每章新增习题和收集有用的反馈做出了贡献；还有Pearson公司的Julie Bai和Michelle Bayman。

约翰 J.克雷格

人工智能/机器人

机器人学是一门年轻的、日新月异的交叉学科。在新知识、新技术层出不穷的年代，哪些知识被沉淀下来，进而构成了机器人学的基本框架呢？这本书深入浅出地讲解了机器人学的基本概念和基本原理。

本书特色
·本书源于原著者在斯坦福大学教授“机器人学导论”课程的讲义，是当今机器人学研究领域的经典之作。
·Craig教授将数学、力学和控制理论等与机器人应用实践密切结合。对机器人运动学、动力学、控制和编程中的原理进行了严谨的阐述，并使用典型例题解释原理。
·每章附不同难度值的习题，供读者学习训练，有利于加深对机器人基本概念的理解。
·每章还设置有MatLab编程大作业，对于提升读者的机器人知识的应用能力大有帮助。

目　　录
1　概述 1
2　空间描述和变换 21
3　操作臂运动学 67
4　操作臂逆运动学 109
5　雅克比：速度和静力 145
6　操作臂动力学 177
7　轨迹生成 215
8　操作臂的机构设计 245
9　操作臂的线性控制 285
10　操作臂的非线性控制 315
11　操作臂的力控制 351
12　机器人编程语言及编程系统 375
13　离线编程系统 389
附录A　三角恒等式 409
附录B　24种角度组合 411
附录C　运动学公式 415
精选习题答案 417



Contents
1Introduction 1
2 Spatial Descriptions and Transformations 21
3 Manipulator Kinematics 67
4 Inverse Manipulator Kinematics 109
5 Jacobians: Velocities and Static Forces 145
6 Manipulator Dynamics 177
7 Trajectory Generation 215
8 Manipulator-Mechanism Design 245
9 Linear Control of Manipulators 285
10 Nonlinear Control of Manipulators 315
11 Force Control of Manipulators 351
12 Robot Progrmming Languages and Systems 375
13 Off-Line Programming Systems 389
A Trigonometric Identities 409
B The 24 Angle-Set Conventions 411
C Some Inverse-Kinematic Formulas 415
Solutions to Selected Exercises 417