前　　言科學(xué)家們常會感到自己通過研究工作能夠不斷地認(rèn)識自我。物理學(xué)家認(rèn)識到了這一點(diǎn)，同樣，心理學(xué)家和化學(xué)家也認(rèn)識到了這一點(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。與僅追求分析的自然科學(xué)不同，當(dāng)前機(jī)器人學(xué)所追求的是傾向于綜合的工程學(xué)科。也許正是這個原因，這個領(lǐng)域才讓我們當(dāng)中的許多人為之著迷。
　　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)動器和計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人類某些方面的功能。顯然，這是一項(xiàng)龐大的任務(wù)，它必然需要運(yùn)用各種“傳統(tǒng)”領(lǐng)域的研究思想。
　　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。通常沒有一個人能夠完全掌握機(jī)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(jìn)行劃分。在更高的層次上，可把機(jī)器人學(xué)劃分為四個主要領(lǐng)域：機(jī)械操作、移動、計(jì)算機(jī)視覺和人工智能。
　　本書介紹機(jī)械操作的理論和工程知識。這是機(jī)器人學(xué)的分支學(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)、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)。在本書中，第1～8章介紹機(jī)械工程和數(shù)學(xué)的主題，第9～11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，本書始終強(qiáng)調(diào)通過計(jì)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(jì)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(jī)器人學(xué)導(dǎo)論”課程的講稿。前3版在1986～2016年期間為許多大學(xué)所采用。第4版得益于這些教材的廣泛應(yīng)用，并且根據(jù)多方面的反饋意見做了修正和改進(jìn)。在此，向?qū)Ρ緯�作者提出修正意見的所有人表示感謝。
　　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，同時學(xué)習(xí)過線性代數(shù)，并且能夠使用計(jì)算機(jī)高級語言編程，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(jī)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(jī)械工程領(lǐng)域，但并不要求本書的讀者一定得是機(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)為本書具有很強(qiáng)的可讀性。
　　雖然本書直接由機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)工程師使用，但是任何將要從事機(jī)器人研究工作的人，應(yīng)將本書內(nèi)容看作重要的背景資料。同樣，至少從事過某種硬件的軟件開發(fā)人員以及不直接參與機(jī)器人的機(jī)械和控制的研究人員，應(yīng)當(dāng)具備一些本書提供的背景知識。
　　與第3版一樣，第4版分為13章。本書的材料適合于用一學(xué)期的時間來講授，如果要在半學(xué)期內(nèi)講授，教師需要略去一些章節(jié)。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(diǎn)，例如，多數(shù)章節(jié)只采用一種方法去解決常見的問題。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(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。每道習(xí)題題號后的方括號中給出了習(xí)題的難度系數(shù)。難度系數(shù)在[00]和[50]之間。[00]是最簡單的題目，[50]是尚未解決的研究性問題。當(dāng)然，一個人認(rèn)為困難的問題在另一個人看來可能會覺得容易，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，我們盡力評價了這些習(xí)題的難度。
　　每章的末尾都有一個編程作業(yè)，學(xué)生可以把相應(yīng)章節(jié)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。
　　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，我對他所作的貢獻(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編寫的MATLAB Robotics Toolbox使用。
　　第1章是機(jī)器人學(xué)的概述，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(jī)械操作本身與周圍空間的移動物體（工件、工具、機(jī)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(jī)械操作臂的幾何問題。介紹機(jī)械工程學(xué)科中的運(yùn)動學(xué)分支，這個分支研究運(yùn)動但不考慮引起這種運(yùn)動的力。在這兩章里，我們討論操作臂運(yùn)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(yùn)動學(xué)的研究范圍擴(kuò)展到速度和靜力方面。
　　第6章開始研究引起操作臂運(yùn)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(yùn)動軌跡。
　　第8章涉及許多與操作臂機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的問題。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)是什么以及如何對它們進(jìn)行布局。
　　第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用計(jì)算機(jī)），以準(zhǔn)確地跟蹤預(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。也就是研究如