2008年在Pasadena舉辦IEEE ICRA（International Conference on Robotics and Automation）會(huì)議期間，我們決定為本科生編寫(xiě)一本機(jī)器人學(xué)方面的教材。從1996年開(kāi)始，F(xiàn)rank就拿自己編寫(xiě)的講義為首爾國(guó)立大學(xué)的本科生教授機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)；到2008年，這些講義已演化為本書(shū)所涵蓋的核心內(nèi)容。Kevin也一直拿自己的講義在美國(guó)西北大學(xué)講授機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論，其內(nèi)容來(lái)自論文集和教科書(shū)。
我們相信，如果對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、規(guī)劃與控制等主題進(jìn)行單獨(dú)研究，或者將其作為其他更傳統(tǒng)主題的一部分，我們將失去一個(gè)獨(dú)特而統(tǒng)一的視角。在2008年的會(huì)議上，我們注意到市面上尚缺少符合下述特征的教科書(shū)：（1）使用統(tǒng)一的框架去處理這些主題，同時(shí)輔以大量練習(xí)和配圖；（2）最重要的是寫(xiě)出一本適用于本科生層次（差不多也是他們?nèi)松�中第一本）的機(jī)器人課程的新教材，其中涉及的先修知識(shí)僅包括大學(xué)一年級(jí)的物理學(xué)、常微分方程、線性代數(shù)和一點(diǎn)兒與計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容。當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為唯一明智的做法就是自己來(lái)寫(xiě)這樣一本書(shū)。（我們當(dāng)時(shí)并不知道這將會(huì)用掉我們8年多的時(shí)間來(lái)完成這一項(xiàng)目�。�
寫(xiě)這本書(shū)的第二個(gè)動(dòng)因，也是我們認(rèn)為一個(gè)區(qū)別于其他機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論類書(shū)籍的地方，是強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代幾何方法的使用。通常情況下，機(jī)器人最顯著的物理特征由幾何來(lái)描述效果最好。經(jīng)典旋量理論的實(shí)踐者對(duì)這種幾何方法的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)認(rèn)識(shí)了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。但這些知識(shí)尚未觸及本科生（本書(shū)的受眾目標(biāo)群）的層次，原因在于需要他們掌握一套全新的概念（旋量、運(yùn)動(dòng)旋量、力旋量、互易性、橫貫、共軛等），以及那些經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換的復(fù)雜規(guī)則。另一方面，若采用旋量理論的代數(shù)運(yùn)算方法，學(xué)生往往會(huì)最終沉浸在計(jì)算細(xì)節(jié)中，而失去那些在計(jì)算中處于中心地位的簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的幾何解釋。
讓經(jīng)典旋量理論惠及更多的人群，這一突破發(fā)生在20世紀(jì)80年代初。哈佛大學(xué)的Roger Brockett基于剛體運(yùn)動(dòng)的李群結(jié)構(gòu)向讀者展示了如何以數(shù)學(xué)方式來(lái)描述運(yùn)動(dòng)鏈（Brockett，1983b）。該發(fā)現(xiàn)的重要性在于，只是簡(jiǎn)單地通過(guò)線性代數(shù)與線性微分方程的基本理論來(lái)重構(gòu)旋量理論。有了現(xiàn)代旋量理論這一現(xiàn)代微分幾何領(lǐng)域的強(qiáng)大工具，就可以涉及范圍更為廣泛的機(jī)器人問(wèn)題，其中部分內(nèi)容將展現(xiàn)在我們這本教材中，其他更優(yōu)秀、更高級(jí)的內(nèi)容可參考Murray等（1994）的教科書(shū)。
正如本書(shū)書(shū)名所示，這本書(shū)涵蓋了我們所認(rèn)為的機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，以及與規(guī)劃和控制有關(guān)的基礎(chǔ)理論。將本書(shū)所有章節(jié)全部講完可能需要兩個(gè)學(xué)期，特別是再加上編程或機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。不過(guò)，本書(shū)第2～6章的內(nèi)容是最低限度的必學(xué)知識(shí)，而且要按順序來(lái)學(xué)習(xí)。
接下來(lái)教師可以有選擇地從剩下的章節(jié)中選擇內(nèi)容。在首爾國(guó)立大學(xué)，本科生機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論（M2794.0027）課程安排在一個(gè)學(xué)期，主要講授第2～7章，以及第10～12章部分內(nèi)容。在美國(guó)西北大學(xué)，機(jī)器人操作（ME 449）課程用11周的時(shí)間講完第2～6章和第8章，然后再根據(jù)學(xué)生和教師的興趣觸及第9～13章的部分內(nèi)容。講授有關(guān)機(jī)械臂和輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的課程可以選擇第2～7章和第13章的內(nèi)容，而要開(kāi)有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的課程還需額外包括第9章和第10章的內(nèi)容。關(guān)于機(jī)器人操作原理的課程將涵蓋第2～6、8和12章，而機(jī)器人控制課程將涵蓋第2～6、8、9和11章。如果教師不希望涉及動(dòng)力學(xué)的主題（第8章），有關(guān)機(jī)器人控制的基礎(chǔ)知識(shí)（第11章和第13章）即可涵蓋對(duì)每個(gè)執(zhí)行器的速度控制，而不是力和力矩控制。若課程只關(guān)注運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，內(nèi)容可能包括第2章和第3章，更深入的知識(shí)在第10章（可能還要補(bǔ)充研究論文或其他參考文獻(xiàn)）和第13章。
為了幫助教師選擇講授的主題并幫助學(xué)生梳理所學(xué)到的知識(shí)，我們?cè)诿空伦詈蠖及�含本章小結(jié)，并在附錄A中對(duì)全書(shū)中出現(xiàn)的重要概念和公式進(jìn)行了總結(jié)。對(duì)于那些對(duì)章節(jié)內(nèi)容感興趣而想深入學(xué)習(xí)的讀者，我們?cè)诿空履┪蔡峁┝艘惶紫喈?dāng)全面（盡管并非詳盡無(wú)遺）的推薦閱讀。每章最后都提供了大量的習(xí)題，以便延伸讀者對(duì)本章所涵蓋基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)。本書(shū)中還包含一些較為前沿的學(xué)習(xí)材料，可用來(lái)支持獨(dú)立的研究型項(xiàng)目。
這本書(shū)另一重要組成部分是軟件，主要用來(lái)強(qiáng)化書(shū)中的概念，并使公式更具可操作性。該軟件主要由Kevin在美國(guó)西北大學(xué)選擇ME 449課程的學(xué)生開(kāi)發(fā)，并可從http://modernrobotics.org免費(fèi)下載。與教科書(shū)相配套的視頻講座也可在網(wǎng)站上找到。上傳視頻的初衷是幫助教師實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂，即學(xué)生利用課余時(shí)間觀看簡(jiǎn)短的視頻課（可根據(jù)需求重復(fù)觀看），課上則集中更多的時(shí)間來(lái)協(xié)作解決問(wèn)題。通過(guò)這種方式，當(dāng)學(xué)生應(yīng)用這些材料時(shí)教授可在現(xiàn)場(chǎng)答疑，并發(fā)現(xiàn)他們?cè)诶斫馍系牟町�。我們相信，教授在這個(gè)互動(dòng)角色中能發(fā)揮最大的作用，而不是體現(xiàn)在年復(fù)一年、一成不變的講座中。這種方法在Kevin教授的機(jī)電一體化課程中得到了很好的體現(xiàn)，具體見(jiàn)http://nu32.org。
視頻內(nèi)容使用Lightboard（http://lightboard.info）生成，該工具由美國(guó)西北大學(xué)的Michael Peshkin創(chuàng)建而成。他分享了這個(gè)方便有效的工具制作此教學(xué)視頻，對(duì)此非常感謝！
我們還發(fā)現(xiàn)，作為本書(shū)及其軟件的補(bǔ)充，V-REP機(jī)器人仿真軟件也非常有價(jià)值。利用這個(gè)仿真軟件，學(xué)生可以以交互方式來(lái)探索機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，并為運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制結(jié)果創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)軌跡。
雖然本書(shū)在介紹有關(guān)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、規(guī)劃和控制入門基礎(chǔ)知識(shí)方面充分表達(dá)了作者的觀點(diǎn)，但還是要對(duì)那些已經(jīng)出版和使用多年的優(yōu)秀教材表示最誠(chéng)摯的敬意。其中，我們要特別提到已產(chǎn)生廣泛影響力的Murray等（1994）、Craig（2004）、Spong等（2005）、Siciliano等（2009）、Mason（2001）和Corke（2017），以及Latombe（1991）、LaValle（2006）和Choset等（2005）關(guān)于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的著作。此外，Siciliano和Khatib（2016）以及Kr?ger編輯的《機(jī)器人學(xué)手冊(cè)》的多媒體擴(kuò)展（http://handbookofrobotics.org），是我們這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，匯聚了數(shù)以百計(jì)研究人員的前沿研究，涉及與現(xiàn)代機(jī)器人相關(guān)的各個(gè)主題。
同時(shí)，我們對(duì)寫(xiě)這本書(shū)時(shí)提供幫助和帶給我們靈感的人表示感謝。特別是，感謝我們的博士導(dǎo)師Roger Brockett和Matt Mason。Brockett是我們這本書(shū)中所講機(jī)器人幾何方法的奠基人。Mason對(duì)機(jī)器人操作分析與規(guī)劃做了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，奠定了現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)的基石。我們也感謝很多學(xué)生對(duì)本書(shū)素材的不同版本提供了大量積極的反饋意見(jiàn)，包括選擇首爾國(guó)立大學(xué)M2794.0027課程和美國(guó)西北大學(xué)ME 449課程的學(xué)生。Frank特別感謝Seungghyeon Kim、Keunjun Choi、Jisoo Hong、Jinkyu Kim、Youngsuk Hong、Wooyoung Kim、Cheongjae Jang、Taeyoon Lee、Soocheol Noh、Kyumin Park、Seongjae Jeong、Sukho Yoon、Jaewoon Kwen、Jinhyuk Park、Jihoon Song，以及他在加州大學(xué)爾灣分校任教時(shí)的學(xué)生Jim Bobrow和Scott Ploen。Kevin要感謝Matt Elwin、Sherif Mostafa、Nelson Rosa、Jarvis Schultz、Jian Shi、Mikhail Todes、Huan Weng和Zack Woodruff。
我們也要感謝劍橋大學(xué)出版社的Susan Parkinson和David Tranah，向他們?cè)诒緯?shū)出版過(guò)程（編輯、校正、排版等）中的勤勉、敬業(yè)精神致敬！
最后，也是最重要的，感謝我們的愛(ài)人和家人，包括Frank家庭成員中的Hyunmee、Shiyeon和Soonkyu以及Kevin家庭成員中的Yuko、Erin和Patrick，是他們?nèi)淌芪覀兊陌疽购筒唤�人情，并一如既往地支持我們，最終促成了這本書(shū)的出版。沒(méi)有愛(ài)的支持，這本書(shū)根本不會(huì)存在。我們將這本書(shū)獻(xiàn)給他們！

Kevin M. Lynch
美國(guó)伊利諾伊州埃文斯頓
Frank C. Park
韓國(guó)首爾
2016年11月

聲明：兩位作者對(duì)本書(shū)具有同等貢獻(xiàn)，作者順序按字母排列。