本书为读者提供了一系列多元且实用的工具，可用于复杂机器人系统的建模和控制，以及数字人体的建模和运动生成。本书首先介绍机器人运动学的基本原理和控制系统设计，然后将机器人算法和建模过程向更高维度、更大规模和更复杂的研究领域——数字人体建模——推进。书中大部分方法采用MATLAB代码和可视化图形示例，在基本概念和可视化实现之间建立起独特的闭环环境。读者可跟随讲解内容在MATLAB中创建3D机器人模型和数字人体模型，并通过实时动画操作模型。本书适用于机器人相关工程类专业的高级工程本科和研究生，同时，也可作为机器人研发人员和工程师的参考指南。

本书可以作为工科高年级本科生和研究生拓展数字人建模和MATLAB编程的机器人教材，也可以作为研究人员、科学家和工程师学习和了解机器人系统的基本原理以及数字人建模和运动生成的基本方法的参考书。在过去的十年里，我编写了两部讲义（每年更新）：《机器人运动学、动力学与控制》，以及《现代非线性系统与控制理论》。在奥克兰大学工程和计算机科学学院的机器人课程、研究生非线性控制系统课程中，我将这些讲义作为教材，教学效果很棒。本书的第一部分就是这两部讲义的系统整合，并且进一步扩充了更多主题、理论和应用，以及更多的实例和MATLAB程序。
21世纪初，我曾经连续12年受邀作为克莱斯勒公司“先进制造工程夏季培训班”的实习教授。在汽车制造公司的工作经历为我积累了很多实际生产知识和经验，这些是在课堂中无法获得的。在十多年的实习过程和顾问工作当中，我亲自参与到他们的虚拟装配和产品创新的开发设计当中，并且很快成为一些主要仿真软件方面的专家，从IGRIP机器人建模和Deneb Robotics （现在是Dassault/Delmia）的早期产品，到CATIA的Safework人体模型。由于这些极为难得的机会，我真正开始了从机器人到数字人的研究。
因此，将机器人分析和数字人建模融合到一本书当中，与读者分享我愉快的研究经历和成果，是我一直以来的想法。另一方面，尽管在很多情况下数字人建模可以借用机器人的建模理论和运动生成算法，但是将这两个快速发展的研究领域集成在一起的确不是一件简单的事情。
本书中，几乎每一章都有习题或者计算机仿真实践，这对学生加强对每一个概念和算法的理解大有裨益。教师可根据需要，选择本书的部分章节作为一学期的机器人学课程内容。另外，强烈建议教师安排学生依据本书中介绍的基本方法和说明，在MATLAB中写一段程序、绘制一种机器人或人体模型，并进行实际运动控制练习。
感谢在本书的完成过程中为我提供多方面知识、经验、数据和编程技巧的人。首先，特别感谢我在克莱斯勒汽车公司先进制造工程项目工作时的前任总经理Leo Oriet博士以及虚拟装配和产品设计组的负责人Yu Teng。他们不仅为我提供了一个难得的机会，让我从事数字化的机器人系统、人体工程学建模以及产品设计验证和审核工作，而且近年来他们也一直在给予我支持和鼓励。还要感谢通用动力公司陆地系统部门的Michael Hicks工程师，以及帮我修改、润色本书的奥克兰大学英语专业研究生Ashley Liening。
此外，感谢发那科机器人公司、机器人研究公司和法国巴黎的阿德巴兰机器人公司的友好授权，允许我在本书中引用他们的照片。

Edward Y.L.Gu
guy@oakland.edu
密歇根州罗彻斯特
2013年4月

人工智能/机器人

[美]顾友谅（Edward Y. L. Gu）著：
顾友谅（Edward Y. L. Gu）　博士毕业于普渡大学电子工程专业（1985），硕士毕业于中国科学技术大学电子专业（1981）。现为美国奥克兰大学电子与计算机工程系教授，研究领域包括机器人动力学、机器人系统控制、非线性建模和仿真以及数字人建模、运动生成和可视化。曾任职于通用汽车研发中心，还曾担任克莱斯勒汽车公司“高级制造工程”项目顾问。

张永德 赵燕江 姜金刚 杜海艳 译：暂无简介

机器人技术及其应用目前已经从传统的工业自动化领域发展到国民经济的各个领域、各行各业，最近几年，医疗机器人、康复机器人、仿人机器人、运动机器人等更是得到了迅猛的发展。这些机器人都与人体本身密切相关，是机器人学与医学、生物学、仿生学等学科的进一步融合，并将彻底改变人们的日常生活模式。数字人是生命科学和信息科学研究中的一个崭新领域，数字人建模涵盖从几何形态到人体物理特性、生理特性的各个方面。从单一的可视化模型到具有知识表示的符号模型，最后建立可精确仿真、计算和控制的数字模型，目前还面临着很多难题。由于机器人研究相对成熟，因此本书借用了机器人的建模理论和运动算法来实现数字人建模和运动算法，是一个大胆的尝试和突破。
本书是美国奥克兰大学Edward YLGu教授在机器人学以及数字人建模技术方面多年的研究和教学工作的总结。本书除了机器人运动学、静力学、动力学和控制的理论基础之外，还特别对基本的数字建模过程、运动算法以及优化方法进行了介绍。Gu教授根据机器人学和数字人建模技术的特点，将理论分析和实际应用密切结合，对MATLAB编程的数学基础、刚体运动表示的原理和定义、机器人运动学和静力学的原理、冗余机器人和混联机器人系统、机器人手臂的数字样机、机器人动力学的建模和表示以及机器人控制系统进行了详尽的描述，在此基础上对数字人三维运动、动力学和交互式控制进行了描述和分析。本书语言精练，内容深入浅出，实例简单易懂，无丝毫玄虚造作，体现出Gu教授在机器人学和数字人建模领域高深的造诣和扎实朴素的作风。本书是将机器人分析和数字人建模有机融合的经典之作。
本书第2、3、4、8章由哈尔滨理工大学张永德翻译，第5、6、7章由哈尔滨理工大学赵燕江翻译，第1、9、10章由哈尔滨理工大学姜金刚翻译，第11章由哈尔滨理工大学杜海艳翻译。全书由张永德、赵燕江和姜金刚校对整理，张永德统稿。哈尔滨理工大学博士研究生梁艺、毕津滔、赫天华、贾小红、张为玺也参与了大量的翻译和整理工作。
本书可作为MATLAB编程、机器人运动分析、数字人建模等相关领域的研究参考用书，也可以作为机械电子工程、生物医学工程和相关专业的研究生和高年级本科生的教材。
限于译者的经验和水平，书中难免存在缺漏和不足之处，恳请读者批评指正！

译者
2017年4月

译者序
前言
第1章机器人和数字人建模概述1
11机器人的发展历程: 过去、现在和未来1
12数字人建模：历史、成就和新挑战5
13借助机器人分析方法进行数字人建模7
参考文献8
第2章数学基础10
21向量、坐标变换和空间描述10
22李群和李代数13
23指数映射和k过程15
24对偶数、对偶向量及代数形式19
241对偶环微积分21
242对偶向量和对偶矩阵23
243单位旋量和特殊正交对偶矩阵25
25外代数简介27
习题29
参考文献31
第3章刚体运动的表示32
31平移和旋转32
32线速度和角速度38
33位置和方向的统一表示42
34切空间和雅可比矩阵变换48
习题52
参考文献54
第4章机器人运动学和静力学55
41DH法55
42刚体运动的齐次变换57
43运动学反解62
44雅可比矩阵和微分运动68
45对偶变换73
46机器人静力学77
47计算机仿真实践85
471斯坦福机器人运动85
472工业机器人模型及其运动86
习题87
参考文献90
第5章冗余机器人和混联机器人系统91
51广义逆矩阵91
52冗余机器人93
53混联机器人系统105
54并联机构的运动学建模110
541Stewart平台110
542雅可比方程和对偶原理117
5433＋3自由度混联机器人手臂建模和分析124
55计算机仿真实践132
习题134
参考文献136
第6章机器人手臂数字样机和3D动画138
61MATLAB中的基本曲面绘制和数据结构138
62机器人手臂的数字化建模和装配145
63运动规划和3D动画149
习题152
参考文献153
第7章机器人动力学：建模和方程154
71机器人动力学的几何解释154
72牛顿欧拉算法157
73拉格朗日方程162
74惯性矩阵的确定163
75位形流形和等距嵌入171
751度量分解和流形嵌入172
752位形流形的等距嵌入178
753组合等距嵌入和结构矩阵180
754最小等距嵌入和等距化181
76简洁动力学方程191
习题193
参考文献193
第8章机器人系统控制196
81路径规划和轨迹跟踪196
82独立关节伺服控制199
83输入/输出映射和系统可逆性203
831输入/输出映射和相对度的概念203
832系统的可逆性及应用207
84精确线性化和可线性化理论208
841对合性和完全可积性209
842输入状态线性化过程210
843输入/输出线性化过程213
844输入/输出通道的动态扩展217
845线性子系统和内部动态220
846零动态和最小相位系统222
85机器人系统动态控制232
851李雅普诺夫稳定性理论233
852设定点稳定性和轨迹跟踪控制策略237
86多级联系统反推控制器设计239
861李雅普诺夫直接法控制器设计239
862反推递推法控制器设计242
87机器人自适应控制系统248
88计算机仿真实践260
8813关节类斯坦福机器人手臂动力学建模和控制260
882欠驱动机器人系统建模和控制261
883并联机器人动力学建模和控制262
习题263
参考文献266
第9章数字人建模：运动学和静力学268
91局部与全局运动学模型和运动类型268
92五点模型的局部和全局雅可比矩阵280
93运动范围和力的范围284
931人体结构体系基本概念284
932人体运动系统概述285
933运动范围和关节舒适区287
934关节力的范围289
94数字人静力学293
941关节力矩分布和平衡法则293
942由重力产生的关节力矩分布300
95姿态优化准则304
951关节舒适准则305
952对接关节力矩分布准则305
953最小做功的目标312
习题312
参考文献313
第10章数字人建模：三维实体模型和运动生成315
101利用MATLAB建立人体模型315
102手部模型和数字传感325
103运动规划和定量描述334
104人体基本运动分析：行走、奔跑和跳跃342
105数字人现实运动生成344
习题358
参考文献358
第11章数字人建模：动力学和交互式控制360
111动力学模型、算法及实现360
112δ力激励和步态动力学364
113模拟汽车碰撞中的数字人动力学运动366
114简易爆炸装置中的人体模型动力学建模和分析372
115车辆主动系统的动态交互式控制376
1151车辆主动约束系统建模和控制377
1152主动悬挂系统模型和人机交互控制383
116数字人建模展望384
习题386
参考文献386
索引388