前　　言Mechanics of Robotic Manipulation本書是為所有被操作的神秘魅力而吸引的讀者所寫。從其廣義形式來看，“操作”是指我們周邊世界里的各種物理變化：移動物體，使用焊接、膠合或緊固等方式來連接兩個或多個物體，使用切割、研磨或彎曲等方式改變物體的形狀以及其他各種過程。然而，與絕大部分涉及操作研究的書刊一樣，本書僅解決上述各種操作中的第一種方式：移動物體。即使在這一限制條件下，我們?nèi)杂性S多不同的過程需要考慮：抓�。╣rasping）、攜帶（carrying）、推動（pushing）、丟放（dropping）、投擲（throwing）、擊打（striking）以及其他過程。
　　同樣，我們僅解決機(jī)器人操作中的問題，而忽略人類或其他動物的操作（除了從中獲取某些靈感以及偶爾的哲學(xué)思考之外）。但是“機(jī)器人”操作不應(yīng)被限制得過于狹隘——或許“機(jī)器操作”是一個更好的表述。我們將涵蓋任何形式的機(jī)器操作，從門擋（門塞）到自動化工廠。
　　本書借鑒了兩個領(lǐng)域的內(nèi)容：經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典規(guī)劃。本書大部分內(nèi)容致力于經(jīng)典力學(xué)及其在操作過程中的應(yīng)用。為了深入理解操作過程，我們需要從一個不同尋常的視角來審視經(jīng)典力學(xué)，這將驅(qū)使我們解決一些在其他書籍中沒有解決過的特殊問題。
　　本書的第二部分內(nèi)容是經(jīng)典規(guī)劃。我們將使用基于狀態(tài)空間的方法，即利用可能動作行為的顯式模型使規(guī)劃算法能夠搜索各種序列，從而獲得一個令人滿意的解答。這方面有兩個難點(diǎn)亟待解決。第一，經(jīng)典力學(xué)的結(jié)果通常對應(yīng)于連續(xù)狀態(tài)空間，而非更適合于搜索算法的離散狀態(tài)空間。第二，機(jī)器人通常無法獲取完美的信息，并且機(jī)器人也許無法獲知任務(wù)的實(shí)際狀態(tài)。有時，規(guī)劃算法需要能夠處理機(jī)器人所預(yù)測的任務(wù)狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)之間的差異。這兩個因素——高維的連續(xù)狀態(tài)空間以及不確定性均增加了操作規(guī)劃的復(fù)雜度。
　　本書與以往大多數(shù)書籍的不同之處在于側(cè)重于操作（過程）本身而非機(jī)械臂。這種對過程本身而非對設(shè)備的側(cè)重，是一種更為基本的方法策略，所以其結(jié)果可以適用于更為廣泛的設(shè)備，而不僅僅是機(jī)器人手臂。操作的真正問題在于如何移動物體，而不是如何移動手臂。對于操作這個問題，人類的解決方案是盡可能使用周圍可以利用的資源，比如使用適宜的平面以便對齊物體，敲擊或晃動不方便抓取的物體，使用廉價的物體作為工具來進(jìn)行捅或推等操作。當(dāng)人類使用自己的雙手進(jìn)行操作時，最容易觀察到這種能力，不過這種能力在人類編程控制機(jī)器人手臂時也體現(xiàn)得相當(dāng)明顯。旨在解釋操作的任何可信嘗試都必須能夠處理各種不同的操作技法。
　　在機(jī)器人中，任何理論在達(dá)到某種成熟程度之后，都應(yīng)該經(jīng)得起檢驗(yàn)。如果一個理論是完備的、建設(shè)性的，我們可以結(jié)合此理論建造一個機(jī)器人，而后通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該理論的正確性以及有效范圍。從原則上講，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典規(guī)劃來建造機(jī)器人是個相對簡單的任務(wù)。我們所建造的機(jī)器人系統(tǒng)中包含任務(wù)的計(jì)算模型，其中包括場景中對象的形狀以及其他相關(guān)物理參數(shù)。采用經(jīng)典力學(xué)，機(jī)器人還能夠預(yù)測它想要執(zhí)行的各種行為可能造成的對應(yīng)結(jié)果。如果給機(jī)器人指定一些目標(biāo)，它可以模擬各種動作序列，從中搜索出一個規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)指定目標(biāo)。
　　這樣的機(jī)器人是極端理性主義的——它嚴(yán)格遵循牛頓（亞里士多德或其他）力學(xué)，并且基于第一性原理來推導(dǎo)出能夠滿足其目標(biāo)的動作模式。它是理論和實(shí)驗(yàn)之間近似完美的結(jié)合。為了解決理論問題，我們可以按照力學(xué)模型和搜索算法來設(shè)計(jì)機(jī)器人，從而得到一個可以接受理論驗(yàn)證的正式實(shí)體。我們可以根據(jù)機(jī)器人的表現(xiàn)證明與之相關(guān)的理論，我們也有規(guī)則的顯式假說來評價其正確性。為了解決實(shí)驗(yàn)問題，我們可以將設(shè)計(jì)思路賦予實(shí)踐，從而得到一個可通過實(shí)驗(yàn)檢測的物理系統(tǒng)。當(dāng)理論和實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)時，我們可以證明理論的有效性及其在實(shí)施中的高保真度。當(dāng)理論和實(shí)驗(yàn)無法對應(yīng)時，這提示我們需要對理論或?qū)嵤┓桨高M(jìn)行合理的修正。
　　或許更重要的是此種方法在建立有效的建設(shè)性理論方面所具有的價值。有時候，“應(yīng)該可行”的理論和“實(shí)際有效”的理論之間存在著巨大差異。如何減少這種差異是推進(jìn)該領(lǐng)域前進(jìn)以解決重要問題的一個重要動力。
　　我們應(yīng)該試圖建立什么樣的理論呢？會不會有一個簡潔的解決方案——能夠使我們建造具有類人行為能力的機(jī)器人的一些簡單想法？相關(guān)的工程實(shí)踐表明此法并不可行，沒人期望一個簡潔的理論就可以解決如何建造汽車或火箭這樣復(fù)雜的問題。只有依賴大量的科學(xué)和工程方面的成果，我們才能夠建造十分復(fù)雜的人造物體。而可以與人類相提并論的機(jī)器人，它將比人們先前建造的任何東西都更為復(fù)雜。本書并不想提出解決方案，亦不想提出解決方案的大綱。相反，本書試圖勾勒出一條科學(xué)探究的具體線路，從而使我們有希望解決機(jī)器人操作中的某些核心問題。
　　本書起初是作為“操作的力學(xué)原理”（Mechanics of Manipulation）這一研究生課程的課堂筆記使用的，該課程是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人博士項(xiàng)目培養(yǎng)計(jì)劃的一部分。選修本課程的學(xué)生來自不同的背景，但他們大部分都有工程、科學(xué)或數(shù)學(xué)方向的本科學(xué)位。偶爾會有高年級的本科生選修本課程，大多數(shù)學(xué)生表現(xiàn)還不