前　言

Robot Modeling and Control,Second Edition




本書是我們2006年在Wiley出版的《機(jī)器人建模和控制》的第2版，而第1版源自更早期M.W.Spong和M.Vidyasagar于1989年在Wiley出版的《機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制》。本書反映了過(guò)去十年間機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人教育領(lǐng)域發(fā)生的一系列變化。特別是，現(xiàn)在很多機(jī)器人課程�　�
例如“現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)”�！�—譯者注
�《紝⒁苿�(dòng)機(jī)器人與機(jī)械臂平等對(duì)待。因此，我們將關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的討論擴(kuò)展為一個(gè)新的完整章節(jié)。此外，我們?cè)黾恿艘粋�(gè)關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的新章節(jié)。我們還修訂了有關(guān)視覺(jué)、基于視覺(jué)的控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃部分，以反映這些主題的變化。

本書結(jié)構(gòu)

本書第1章介紹機(jī)器人發(fā)展的歷史和技術(shù)術(shù)語(yǔ)，并討論常見(jiàn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用。之后的內(nèi)容可以分為四個(gè)部分。第一部分由4章（第2~5章）組成，主要介紹剛體運(yùn)動(dòng)的幾何知識(shí)以及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)。

●第2章介紹剛體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括旋轉(zhuǎn)、平移和齊次變換。

●第3章介紹使用Denavit-Hartenberg（DH）約定表示的機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的解法，其中DH約定提供了一種非常直接和系統(tǒng)的方法來(lái)描述機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)。

●第4章討論速度運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械臂的雅可比。我們以叉積形式導(dǎo)出幾何雅可比。我們還引入了所謂的分析雅可比，供以后在任務(wù)空間控制中使用。在第5章中我們?cè)黾恿岁P(guān)于數(shù)值逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的部分，因?yàn)檫@些算法依賴于雅可比來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此我們將第1版中速度運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的順序顛倒過(guò)來(lái)，即先介紹速度運(yùn)動(dòng)學(xué)，然后再介紹逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。

●第5章使用幾何方法來(lái)處理逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，幾何方法特別適用于具有球型手腕的機(jī)械手。我們展示了如何求解常見(jiàn)機(jī)械手構(gòu)型的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)閉式解。我們還討論了求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值搜索算法。由于計(jì)算機(jī)功能的增強(qiáng)和數(shù)值算法開(kāi)源軟件的出現(xiàn)，數(shù)值算法越來(lái)越受歡迎。

本書的第二部分由第6章和第7章組成，分別介紹機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

●第6章詳細(xì)介紹機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)。從第一性原理推導(dǎo)出歐拉拉格朗日方程，并詳細(xì)討論了其結(jié)構(gòu)特性。本章還介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的遞歸牛頓歐拉公式。

●第7章介紹路徑和軌跡規(guī)劃問(wèn)題，涵蓋幾種流行的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和避障方法，包括人工勢(shì)場(chǎng)方法、隨機(jī)算法和概率路線圖方法。軌跡生成問(wèn)題本質(zhì)上是多項(xiàng)式樣條插值問(wèn)題，我們推導(dǎo)了基于三次和五次多項(xiàng)式的軌跡生成以及梯形速度軌跡，并將其用于關(guān)節(jié)空間中的插值。

本書的第三部分介紹機(jī)械臂的控制，包括第8~12章。


●第8章介紹獨(dú)立關(guān)節(jié)控制，包括基于PD、PID和狀態(tài)空間方法的線性模型與線性控制方法，用于設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)、軌跡跟蹤和干擾抑制。本章還介紹了包括計(jì)算力矩控制方法在內(nèi)的前饋控制概念，將其作為非線性干擾抑制和時(shí)變參考軌跡跟蹤的方法。

●第9章討論非線性控制和多變量控制，總結(jié)了20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代初在機(jī)器人控制方面的大部分研究，給出了最常見(jiàn)的魯棒和自適應(yīng)控制算法的簡(jiǎn)單推導(dǎo)，為讀者接下來(lái)閱讀廣泛的機(jī)器人控制文獻(xiàn)打下基礎(chǔ)。

●第10章討論力控制問(wèn)題，包括阻抗控制和混合控制。我們還介紹了一種鮮為人知的混合阻抗控制方法，該方法允許人們控制阻抗并同時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)和力。據(jù)我們所知，本書是第一本討論用于機(jī)器人的力控制的混合阻抗控制方法的教材。

●第11章介紹視覺(jué)伺服控制，即利用安裝在機(jī)器人或工作空間中的相機(jī)的反饋來(lái)控制機(jī)器人。我們介紹了對(duì)基于視覺(jué)的控制應(yīng)用最有用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)，例如成像幾何和特征提取。然后，我們研究將相機(jī)運(yùn)動(dòng)與提取特征的變化聯(lián)系起來(lái)的微分運(yùn)動(dòng)學(xué)，并討論視覺(jué)伺服控制中的主要概念。

●第12章是對(duì)幾何非線性控制和非線性系統(tǒng)反饋線性化方法的概述。反饋線性化推廣了第8章和第9章中介紹的計(jì)算力矩和逆動(dòng)力學(xué)控制方法。我們推導(dǎo)并證明了單輸入/單輸出非線性系統(tǒng)的局部反饋線性化的必要和充分條件，然后將其應(yīng)用于柔性關(guān)節(jié)控制問(wèn)題。我們還介紹了具有輸出注入的非線性觀測(cè)器的概念。

本書的第四部分是全新的內(nèi)容，包括第13章和第14章，分別介紹欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和非完整約束系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

●第13章討論欠驅(qū)動(dòng)串聯(lián)機(jī)器人。欠驅(qū)動(dòng)多出現(xiàn)在雙足運(yùn)動(dòng)和體操機(jī)器人等應(yīng)用中。實(shí)際上，第8章和第12章介紹的柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人模型也是欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的典型例子。我們提出了部分反饋線性化和轉(zhuǎn)換為范式的概念，這對(duì)控制器設(shè)計(jì)很有用。我們還討論了控制此類系統(tǒng)的能量和無(wú)源方法。

●第14章主要討論輪式移動(dòng)機(jī)器人，它們是受非完整約束的系統(tǒng)的實(shí)例。之前的章節(jié)中介紹的許多控制設(shè)計(jì)方法不適用于非完整系統(tǒng)，因此我們介紹了一些適用于非完整約束系統(tǒng)的新技術(shù)。我們介紹了兩個(gè)基本結(jié)果，即周氏定理和Brockett定理，它們分別為移動(dòng)機(jī)器人的可控性和穩(wěn)定性提供了條件。

最后，我們對(duì)附錄進(jìn)行了擴(kuò)展，提供了許多必要的數(shù)學(xué)背景知識(shí)，以便幫助讀者跟上相關(guān)概念的發(fā)展。�　�
附錄B對(duì)向量和矩陣的表