前言
　　Robot Modeling and Control自從20世紀(jì)80年代早期機(jī)器人機(jī)械臂被“吹捧”為自動(dòng)化制造的終極解決方案以來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)生了眾多令人興奮的變化。早期的預(yù)測(cè)是，如果必要的話未來(lái)整個(gè)工廠僅需要極少數(shù)人工操作者。有些人甚至預(yù)言連電力照明都是多余的，因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)“很高興地”在黑暗環(huán)境里完成工作。這些預(yù)言在今天看來(lái)有些可笑，盡管如此，尋找為什么此類(lèi)預(yù)言沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的原因發(fā)人深省。第一個(gè)原因可簡(jiǎn)述如下：機(jī)器人很難代替或者在某種程度上等同于人類(lèi)。人類(lèi)十分擅長(zhǎng)于自己的工作。自動(dòng)化制造并不像安裝一個(gè)機(jī)器人并將工人從產(chǎn)品裝配線上移走這么簡(jiǎn)單，它涉及復(fù)雜的系統(tǒng)集成問(wèn)題。通常，整個(gè)工作單元需要重新設(shè)計(jì)，包括對(duì)裝配過(guò)程本身的分析、重新設(shè)計(jì)零件和設(shè)備、工作單元布局、傳感器開(kāi)發(fā)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件驗(yàn)證以及大量的相互連接問(wèn)題。結(jié)果是：除去如點(diǎn)焊、噴涂和碼垛等簡(jiǎn)單任務(wù)，（使用機(jī)器人）所節(jié)省的人工成本并不能抵消上述開(kāi)發(fā)成本。
　　因此，機(jī)器人技術(shù)在20世紀(jì)80年代晚期不再受人歡迎。現(xiàn)在，我們正在見(jiàn)證機(jī)器人技術(shù)的一次復(fù)興，不僅在制造領(lǐng)域，還包括很多其他領(lǐng)域，比如醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)、搜索和救援、娛樂(lè)和服務(wù)機(jī)器人技術(shù)。近年來(lái)，我們看到機(jī)器人探測(cè)火星表面、定位沉船、搜索地雷以及尋找倒塌建筑物下的災(zāi)民。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是更廣泛的機(jī)電一體化（mechatronics）領(lǐng)域的一部分。機(jī)電一體化被定義為機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)科學(xué)的有機(jī)結(jié)合。機(jī)器人是終極的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
　　本書(shū)起初是作為由John Wiley & Sons公司于1989年出版的《Robot Dynamics and Control》（由M. W. Spong和M. Vidyasagar所著）的第2版進(jìn)行編寫(xiě)的。但在編寫(xiě)初期，我們發(fā)現(xiàn)由于第1版距今的時(shí)間跨度和本領(lǐng)域在此期間內(nèi)的發(fā)展，本版最終將會(huì)是一本全新的書(shū)籍。我們?cè)诒Ａ舻?版的基本原理和優(yōu)秀部分的基礎(chǔ)上，增添了很多新內(nèi)容。本書(shū)所涉及的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視覺(jué)伺服控制都是全新的。我們重寫(xiě)了關(guān)于控制的章節(jié)，以反映20世紀(jì)80年末期到90年代初期機(jī)器人控制領(lǐng)域的逐步成熟。本書(shū)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)部分與第1版基本一致，但從教學(xué)方面對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展和提高。
　　本書(shū)結(jié)構(gòu)本書(shū)分為12章，前6章是基礎(chǔ)，后6章涉及高等內(nèi)容。這些章節(jié)從概念上可以分為三組。在導(dǎo)論章節(jié)后，第2章到第5章涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何問(wèn)題。第6章到第10章涉及動(dòng)力學(xué)和控制。最后，第11和12章討論了計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及如何將其添加到機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
　　下面是對(duì)各章更為詳細(xì)的敘述。
　　第1章介紹機(jī)器人技術(shù)的歷史和術(shù)語(yǔ)，并就最通用的機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了討論。
　　第2章介紹剛性運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)知識(shí)，以及旋轉(zhuǎn)、平移和齊次變換。
　　第3章介紹應(yīng)用Denavit�睭artenberg方法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行正向求解，以及應(yīng)用幾何方法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行逆向求解，該幾何方法十分適用于帶有球形手腕的機(jī)械臂。
　　第4章篇幅較長(zhǎng)，涉及速度運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械臂的雅可比矩陣。幾何雅可比矩陣由叉積形式推導(dǎo)得出。我們還介紹了分析型雅可比矩陣，它用于后續(xù)的任務(wù)空間控制。該章還討論了可操作性的概念。
　　第5章介紹運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡生成。該章介紹了有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和避障的幾種最為流行的方法，包括人工勢(shì)場(chǎng)法、隨機(jī)算法以及概率路線圖方法。我們把軌跡生成問(wèn)題本質(zhì)上當(dāng)作多項(xiàng)式樣條插補(bǔ)問(wèn)題來(lái)介紹。對(duì)于關(guān)節(jié)空間內(nèi)的插補(bǔ)，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。
　　第6章介紹獨(dú)立關(guān)節(jié)的控制。我們用基于PD、PID和狀態(tài)空間的線性控制來(lái)實(shí)現(xiàn)線性驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的跟蹤和抗干擾等問(wèn)題。為研究對(duì)時(shí)變參考軌跡的跟蹤問(wèn)題，我們介紹了前饋控制的概念。
　　第7章詳細(xì)介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)�；�于第一性原理，本書(shū)推導(dǎo)了歐拉拉格朗日方程，并且詳細(xì)討論了其結(jié)構(gòu)特性。本書(shū)還介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的遞推牛頓歐拉形式。
　　第8章討論多變量控制。該章綜述了20世紀(jì)80年代末和90年代初有關(guān)機(jī)器人控制的大多數(shù)研究，介紹了最通用的魯棒和自適應(yīng)控制算法的簡(jiǎn)單推導(dǎo)，為讀者進(jìn)一步閱讀有關(guān)機(jī)器人控制的大量文獻(xiàn)打好基礎(chǔ)。
　　第9章解決力控制問(wèn)題，討論了阻抗控制和混合控制。
　　混合阻抗控制方法是其他書(shū)中很少涉及的，它適用于控制阻抗，并同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行調(diào)控。
　　第10章介紹了幾何非線性控制。相比其他章節(jié)，該章內(nèi)容要高深很多，適合研究生階段的非線性控制和機(jī)器人學(xué)課程使用。盡管如此，該章內(nèi)容在形式上可讀性好，也適合高年級(jí)本科生閱讀。我們推導(dǎo)和證明了單輸入/單輸出系統(tǒng)的局部反饋線性化的充要條件，并將其用于柔性關(guān)節(jié)控制問(wèn)題。我們也簡(jiǎn)要討論了周氏定理在非完整約束控制系統(tǒng)問(wèn)題中的應(yīng)用。
　　第11章介紹計(jì)算機(jī)視覺(jué)。我們主要介紹適用于機(jī)器人應(yīng)用方面的計(jì)算機(jī)視覺(jué)，例如閾值、圖像分割和相機(jī)標(biāo)定。
　　第12章討論視覺(jué)伺服控制問(wèn)題，也就是利用安裝在機(jī)器人上或工作空間內(nèi)的相機(jī)的反饋來(lái)控制機(jī)器人。