本书反映了过去十年间机器人领域的一系列变化，通过案例研究和例题来讲解机器人运动学、动力学和控制。本书对机器人控制和数学基础的讲解尤为深入且系统，首先介绍机器人学和运动控制的基础，之后深入研究控制理论和非线性系统分析，并以双连杆机器人为例将本书所涵盖的内容融为一体。第2版新增了关于移动机器人和欠驱动机器人的两章，修订了关于视觉、控制和运动规划的部分，涵盖碰撞躲避和轨迹优化等内容。此外，本书还扩展了大量例题、仿真、习题和案例研究，广泛适用于本科生和研究生的教学。
本书是机器人领域的经典书籍，被卡内基·梅隆大学、伊利诺伊大学、约翰斯·霍普金斯大学等众多名校选作教材。第2版反映了过去十年间机器人领域的一系列变化，通过案例研究和例题来讲解机器人运动学、动力学和控制。
前 言
Robot Modeling and Control,Second Edition
本书是我们2006年在Wiley出版的《机器人建模和控制》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《机器人动力学与控制》。本书反映了过去十年间机器人学和机器人教育领域发生的一系列变化。特别是，现在很多机器人课程
例如“现代机器人学”。——译者注
都将移动机器人与机械臂平等对待。因此，我们将关于移动机器人的讨论扩展为一个新的完整章节。此外，我们增加了一个关于欠驱动机器人的新章节。我们还修订了有关视觉、基于视觉的控制和运动规划部分，以反映这些主题的变化。
本书结构
本书第1章介绍机器人发展的历史和技术术语，并讨论常见的机器人设计和应用。之后的内容可以分为四个部分。第一部分由4章（第2~5章）组成，主要介绍刚体运动的几何知识以及机械臂的运动学。
●第2章介绍刚体运动的数学基础，包括旋转、平移和齐次变换。
●第3章介绍使用Denavit-Hartenberg（DH）约定表示的机器人正运动学问题的解法，其中DH约定提供了一种非常直接和系统的方法来描述机械臂的正运动学。
●第4章讨论速度运动学和机械臂的雅可比。我们以叉积形式导出几何雅可比。我们还引入了所谓的分析雅可比，供以后在任务空间控制中使用。在第5章中我们增加了关于数值逆运动学算法的部分，因为这些算法依赖于雅可比来实现，为此我们将第1版中速度运动学和逆运动学的顺序颠倒过来，即先介绍速度运动学，然后再介绍逆运动学。
●第5章使用几何方法来处理逆运动学问题，几何方法特别适用于具有球型手腕的机械手。我们展示了如何求解常见机械手构型的逆运动学闭式解。我们还讨论了求解逆运动学的数值搜索算法。由于计算机功能的增强和数值算法开源软件的出现，数值算法越来越受欢迎。
本书的第二部分由第6章和第7章组成，分别介绍机器人的动力学和运动规划。
●第6章详细介绍机器人的动力学。从第一性原理推导出欧拉拉格朗日方程，并详细讨论了其结构特性。本章还介绍了机器人动力学的递归牛顿欧拉公式。
●第7章介绍路径和轨迹规划问题，涵盖几种流行的运动规划和避障方法，包括人工势场方法、随机算法和概率路线图方法。轨迹生成问题本质上是多项式样条插值问题，我们推导了基于三次和五次多项式的轨迹生成以及梯形速度轨迹，并将其用于关节空间中的插值。
本书的第三部分介绍机械臂的控制，包括第8~12章。
●第8章介绍独立关节控制，包括基于PD、PID和状态空间方法的线性模型与线性控制方法，用于设定点调节、轨迹跟踪和干扰抑制。本章还介绍了包括计算力矩控制方法在内的前馈控制概念，将其作为非线性干扰抑制和时变参考轨迹跟踪的方法。
●第9章讨论非线性控制和多变量控制，总结了20世纪80年代末到20世纪90年代初在机器人控制方面的大部分研究，给出了最常见的鲁棒和自适应控制算法的简单推导，为读者接下来阅读广泛的机器人控制文献打下基础。
●第10章讨论力控制问题，包括阻抗控制和混合控制。我们还介绍了一种鲜为人知的混合阻抗控制方法，该方法允许人们控制阻抗并同时调节运动和力。据我们所知，本书是第一本讨论用于机器人的力控制的混合阻抗控制方法的教材。
●第11章介绍视觉伺服控制，即利用安装在机器人或工作空间中的相机的反馈来控制机器人。我们介绍了对基于视觉的控制应用最有用的计算机视觉基础知识，例如成像几何和特征提取。然后，我们研究将相机运动与提取特征的变化联系起来的微分运动学，并讨论视觉伺服控制中的主要概念。
●第12章是对几何非线性控制和非线性系统反馈线性化方法的概述。反馈线性化推广了第8章和第9章中介绍的计算力矩和逆动力学控制方法。我们推导并证明了单输入/单输出非线性系统的局部反馈线性化的必要和充分条件，然后将其应用于柔性关节控制问题。我们还介绍了具有输出注入的非线性观测器的概念。
本书的第四部分是全新的内容，包括第13章和第14章，分别介绍欠驱动机器人和非完整约束系统的控制问题。
●第13章讨论欠驱动串联机器人。欠驱动多出现在双足运动和体操机器人等应用中。实际上，第8章和第12章介绍的柔性关节机器人模型也是欠驱动机器人的典型例子。我们提出了部分反馈线性化和转换为范式的概念，这对控制器设计很有用。我们还讨论了控制此类系统的能量和无源方法。
●第14章主要讨论轮式移动机器人，它们是受非完整约束的系统的实例。之前的章节中介绍的许多控制设计方法不适用于非完整系统，因此我们介绍了一些适用于非完整约束系统的新技术。我们介绍了两个基本结果，即周氏定理和Brockett定理，它们分别为移动机器人的可控性和稳定性提供了条件。
最后，我们对附录进行了扩展，提供了许多必要的数学背景知识，以便帮助读者跟上相关概念的发展。
附录B对向量和矩阵的表
目 录
Robot Modeling and Control,Second Edition
译者序
前言
第1章 导论1
1.1 机器人的数学模型3
1.1.1 机器人的符号表示3
1.1.2 位形空间4
1.1.3 状态空间4
1.1.4 工作空间4
1.2 作为机械装置的机器人4
1.2.1 机器人机械臂的分类5
1.2.2 机器人系统6
1.2.3 精度和重复精度6
1.2.4 手腕和末端执行器7
1.3 常见的运动学配置8
1.3.1 关节型机械臂8
1.3.2 球坐标型机械臂9
1.3.3 SCARA型机械臂9
1.3.4 圆柱型机械臂10
1.3.5 笛卡儿型机械臂10
1.3.6 并联机械臂11
1.4 本书概要11
1.4.1 机械臂11
1.4.2 欠驱动和移动机器人16
习题16
附注与参考17
第一部分 机器人的几何基础
第2章 刚体运动20
2.1 位置的表示20
2.2 旋转的表示21
2.2.1 平面内的旋转21
2.2.2 三维空间内的旋转23
2.3 旋转变换24
2.4 旋转的叠加27
2.4.1 相对于当前坐标系的
旋转27
2.4.2 相对于固定坐标系的
旋转28
2.4.3 旋转变换的叠加规则29
2.5 旋转的参数化30
2.5.1 欧拉角30
2.5.2 滚动角、俯仰角和
偏航角32
2.5.3 转轴/角度表示32
2.5.4 指数坐标34
2.6 刚体运动的概念35
2.6.1 齐次变换36
2.6.2 一般刚体运动的指数
坐标37
2.7 本章总结38
习题39
附注与参考42
第3章 正运动学43
3.1 运动链43
3.2 Denavit-Hartenberg约定45
3.2.1 存在及唯一性问题46
3.2.2 坐标系的配置47
3.3 正运动学实例50
3.3.1 平面肘型机械臂50
3.3.2 三连杆圆柱型机器人51
3.3.3 球型手腕51
3.3.4 带有球型手腕的圆柱型
机械臂52
3.3.5 斯坦福机械臂53
3.3.6 SCARA型机械臂54
3.4 本章总结56
习题56
附注与参考57
第4章 速度运动学58
4.1 角速度：固定转轴情况58
4.2 反对称矩阵59
4.2.1 反对称矩阵的性质60
4.2.2 旋转矩阵的导数60
4.3 角速度：一般情况61
4.4 角速度的叠加62
4.5 移动坐标系中某点的线速度63
4.6 雅可比矩阵的推导64
4.6.1 角速度64
4.6.2 线速度65
4.6.3 线速度和角速度雅可比
矩阵的叠加66
4.7 工具速度69
4.8 分析雅可比70
4.9 奇点71
4.9.1 奇点的解耦72
4.9.2 手腕奇点73
4.9.3 手臂奇点73
4.10 静态力/力矩的关系75
4.11 逆向速度和加速度76
4.12 可操作性77
4.13 本章总结79
习题80
附注与参考81
第5章 逆运动学82
5.1 一般的逆运动学问题82
5.2 运动解耦83
5.3 逆位置求解：一种几何
方法84
5.3.1 球坐标型位形85
5.3.2 关节型位形86
5.4 逆姿态88
5.5 逆运动学的数值方法91
5.5.1 逆雅可比法91
5.5.2 雅可比转置法92
5.6 本章总结93
习题93
附注与参考94
第二部分 运动学和运动规划
第6章 动力学96
6.1 欧拉拉格朗日方程96
6.1.1 动机96
6.1.2 完整约束和虚功98
6.1.3 达朗贝尔原理101
6.2 动能和势能102
6.2.1 惯性张量103
6.2.2 n连杆机器人的动能104
6.2.3 n连杆机器人的势能104
6.3 运动方程105
6.4 一些常见位形106
6.4.1 双连杆直角坐标机械臂106
6.4.2 平面肘型机械臂107
6.4.3 带有远程驱动连杆的平面
肘型机械臂109
6.4.4 五杆机构110
6.5 机器人动力学方程的性质112
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