前　　言科學家們常會感到自己通過研究工作能夠不斷地認識自我。物理學家認識到了這一點，同樣，心理學家和化學家也認識到了這一點。在機器人學的研究中，研究領域和研究者自身之間的關系尤為明顯。與僅追求分析的自然科學不同，當前機器人學所追求的是傾向于綜合的工程學科。也許正是這個原因，這個領域才讓我們當中的許多人為之著迷。
　　機器人學研究的是怎樣綜合運用機械、傳感器、驅(qū)動器和計算機來實現(xiàn)人類某些方面的功能。顯然，這是一項龐大的任務，它必然需要運用各種“傳統(tǒng)”領域的研究思想。
　　現(xiàn)今，機器人學諸方面的研究工作都是由不同領域的專家們進行的。通常沒有一個人能夠完全掌握機器人領域的所有知識。因此，自然有必要對這個研究領域進行劃分。在更高的層次上，可把機器人學劃分為四個主要領域：機械操作、移動、計算機視覺和人工智能。
　　本書介紹機械操作的理論和工程知識。這是機器人學的分支學科，它是建立在幾個傳統(tǒng)學科基礎之上的。主要的相關學科有力學、控制理論和計算機科學。在本書中，第1～8章介紹機械工程和數(shù)學的主題，第9～11章為控制理論的題材，第12章和第13章屬于計算機科學的內(nèi)容。另外，本書始終強調(diào)通過計算解決問題，例如，與力學密切相關的每一章都有一節(jié)簡要介紹計算方面的問題。
　　本書源于斯坦福大學1983～1985年秋季學期的“機器人學導論”課程的講稿。前3版在1986～2016年期間為許多大學所采用。第4版得益于這些教材的廣泛應用，并且根據(jù)多方面的反饋意見做了修正和改進。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。選修此課程的學生如果學過靜力學和動力學這兩門基礎課程，同時學習過線性代數(shù)，并且能夠使用計算機高級語言編程，將有助于他們的學習。此外，雖然不必先修控制理論方面的入門課程，但學過這門課程也是有益的。本書的目標之一是以簡單、直觀的方式介紹機器人學的知識。特別需要指出的是，雖然本書很多內(nèi)容選自機械工程領域，但并不要求本書的讀者一定得是機械工程師。在斯坦福大學，很多電氣工程師、計算機科學家、數(shù)學家都認為本書具有很強的可讀性。
　　雖然本書直接由機器人系統(tǒng)的研發(fā)工程師使用，但是任何將要從事機器人研究工作的人，應將本書內(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器人的機械和控制的研究人員，應當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期的時間來講授，如果要在半學期內(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，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器人機械操作學習的材料。
　　在每章的最后都有一組習題。每道習題題號后的方括號中給出了習題的難度系數(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。當然，一個人認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題的難度。
　　每章的末尾都有一個編程作業(yè)，學生可以把相應章節(jié)的知識應用到一個簡單的三關節(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，而不必使學生陷入過于復雜的問題中。每個編程作業(yè)都建立在前一個作業(yè)的基礎上，到課程結(jié)束時，學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的習題。這些習題由俄亥俄大學的Robert L. Williams II教授編寫，我對他所作的貢獻深表感謝。這些習題可以配合澳大利亞CSIRO首席研究科學家Peter Corke編寫的MATLAB Robotics Toolbox使用。
　　第1章是機器人學的概述，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)學知識。這是極為重要的內(nèi)容：通過定義機械操作本身與周圍空間的移動物體（工件、工具、機器人自身）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章討論機械操作臂的幾何問題。介紹機械工程學科中的運動學分支，這個分支研究運動但不考慮引起這種運動的力。在這兩章里，我們討論操作臂運動學，但把研究范圍限定在靜態(tài)定位問題上。
　　第5章將運動學的研究范圍擴展到速度和靜力方面。
　　第6章開始研究引起操作臂運動的力和力矩。這就是操作臂動力學問題。
　　第7章描述操作臂在空間的運動軌跡。
　　第8章涉及許多與操作臂機械設計有關的問題。例如，設計多少關節(jié)是適宜的、關節(jié)的類型應是什么以及如何對它們進行布局。
　　第9章和第10章研究操作臂的控制方法（通常利用計算機），以準確地跟蹤預先設定的空間軌跡。第9章研究線性控制方法，第10章將研究拓展到非線性領域。
　　第11章討論操作臂的主動力控制。也就是研究如