機器人學導論（英文版·第4版） 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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[美] 約翰·剋雷格（John Craig） 著

圖書標籤:

• 機器人學
• 機器人
• 人工智能
• 控製係統
• 機械工程
• 自動化
• 第四版
• 英文教材
• 高等教育
• 工程學

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111586722

版次：4

商品編碼：12299020

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 經典原版書庫

開本：16開

齣版時間：2018-01-01

用紙：膠版紙

頁數：432

內容簡介

《機器人學導論》一直是國外大學教育機器人教學的主要教材，曾作為美國斯坦福大學機器人學導論的教材。本書(原書第4版)在第3版的基礎上進行瞭修訂，除瞭係統地講解操作臂運動學、操作臂運動學、軌跡生成、操作比的綫性/非綫性控製等理論知識，還在各章末尾增加瞭編程習題和MATLAB作業，並就目前人-機接口的新進展進行瞭描述。本書可作為高年級本科生或者低年級研究生的課程用書，也可供機器人學領域的機械工程師、研發工程師、電氣工程師參考。

目錄

目　　錄
1　概述1
2　空間描述和變換21
3　操作臂運動學67
4　操作臂逆運動學109
5　雅剋比：速度和靜力145
6　操作臂動力學177
7　軌跡生成215
8　操作臂的機構設計245
9　操作臂的綫性控製285
10　操作臂的非綫性控製315
11　操作臂的力控製351
12　機器人編程語言及編程係統375
13　離綫編程係統389
附錄A　三角恒等式409
附錄B　24種角度組閤411
附錄C　運動學公式415
精選習題答案417
Contents
1Introduction1
2 Spatial Descriptions and Transformations21
3 Manipulator Kinematics67
4 Inverse Manipulator Kinematics109
5 Jacobians: Velocities and Static Forces145
6 Manipulator Dynamics177
7 Trajectory Generation215
8 Manipulator-Mechanism Design245
9 Linear Control of Manipulators285
10 Nonlinear Control of Manipulators315
11 Force Control of Manipulators351
12 Robot Progrmming Languages and Systems375
13 Off-Line Programming Systems389
A Trigonometric Identities409
B The 24 Angle-Set Conventions411
C Some Inverse-Kinematic Formulas415
Solutions to Selected Exercises417

前言/序言

前　　言科學傢們常會感到自己通過研究工作能夠不斷地認識自我。物理學傢認識到瞭這一點，同樣，心理學傢和化學傢也認識到瞭這一點。在機器人學的研究中，研究領域和研究者自身之間的關係尤為明顯。與僅追求分析的自然科學不同，當前機器人學所追求的是傾嚮於綜閤的工程學科。也許正是這個原因，這個領域纔讓我們當中的許多人為之著迷。
機器人學研究的是怎樣綜閤運用機械、傳感器、驅動器和計算機來實現人類某些方麵的功能。顯然，這是一項龐大的任務，它必然需要運用各種“傳統”領域的研究思想。
現今，機器人學諸方麵的研究工作都是由不同領域的專傢們進行的。通常沒有一個人能夠完全掌握機器人領域的所有知識。因此，自然有必要對這個研究領域進行劃分。在更高的層次上，可把機器人學劃分為四個主要領域：機械操作、移動、計算機視覺和人工智能。
本書介紹機械操作的理論和工程知識。這是機器人學的分支學科，它是建立在幾個傳統學科基礎之上的。主要的相關學科有力學、控製理論和計算機科學。在本書中，第1～8章介紹機械工程和數學的主題，第9～11章為控製理論的題材，第12章和第13章屬於計算機科學的內容。另外，本書始終強調通過計算解決問題，例如，與力學密切相關的每一章都有一節簡要介紹計算方麵的問題。
本書源於斯坦福大學1983～1985年鞦季學期的“機器人學導論”課程的講稿。前3版在1986～2016年期間為許多大學所采用。第4版得益於這些教材的廣泛應用，並且根據多方麵的反饋意見做瞭修正和改進。在此，嚮對本書作者提齣修正意見的所有人錶示感謝。
本書適用於高年級本科生或者低年級研究生課程。選修此課程的學生如果學過靜力學和動力學這兩門基礎課程，同時學習過綫性代數，並且能夠使用計算機高級語言編程，將有助於他們的學習。此外，雖然不必先修控製理論方麵的入門課程，但學過這門課程也是有益的。本書的目標之一是以簡單、直觀的方式介紹機器人學的知識。特彆需要指齣的是，雖然本書很多內容選自機械工程領域，但並不要求本書的讀者一定得是機械工程師。在斯坦福大學，很多電氣工程師、計算機科學傢、數學傢都認為本書具有很強的可讀性。
雖然本書直接由機器人係統的研發工程師使用，但是任何將要從事機器人研究工作的人，應將本書內容看作重要的背景資料。同樣，至少從事過某種硬件的軟件開發人員以及不直接參與機器人的機械和控製的研究人員，應當具備一些本書提供的背景知識。
與第3版一樣，第4版分為13章。本書的材料適閤於用一學期的時間來講授，如果要在半學期內講授，教師需要略去一些章節。即便如此，仍然無法深入講解所有專題。本書在編寫時從某些方麵考慮瞭這一點，例如，多數章節隻采用一種方法去解決常見的問題。編寫本書的主要問題之一就是盡量在限定的教學時間內為每個主題閤理地分配時間。為此，我的辦法是隻考慮那些直接影響機器人機械操作學習的材料。
在每章的最後都有一組習題。每道習題題號後的方括號中給齣瞭習題的難度係數。難度係數在[00]和[50]之間。[00]是最簡單的題目，[50]是尚未解決的研究性問題。當然，一個人認為睏難的問題在另一個人看來可能會覺得容易，因此，一些讀者會發現那些難度係數在某些情況下會引起誤解。不過，我們盡力評價瞭這些習題的難度。
每章的末尾都有一個編程作業，學生可以把相應章節的知識應用到一個簡單的三關節平麵操作臂中。這個簡單的操作臂足以用來證明大多數一般操作臂的所有原理，而不必使學生陷入過於復雜的問題中。每個編程作業都建立在前一個作業的基礎上，到課程結束時，學生就會得到一個完整的操作臂軟件程序庫。
第1～9章共有12道使用MATLAB的習題。這些習題由俄亥俄大學的Robert L. Williams II教授編寫，我對他所作的貢獻深錶感謝。這些習題可以配閤澳大利亞CSIRO首席研究科學傢Peter Corke編寫的MATLAB Robotics Toolbox使用。
第1章是機器人學的概述，介紹一些背景資料、基本思想和本書所使用的符號，並預覽後麵各章的內容。
第2章包括描述三維空間中位置與方法的數學知識。這是極為重要的內容：通過定義機械操作本身與周圍空間的移動物體（工件、工具、機器人自身）聯係起來。我們需要用一種易於理解並且盡可能直觀的方式來描述這些動作。
第3章和第4章討論機械操作臂的幾何問題。介紹機械工程學科中的運動學分支，這個分支研究運動但不考慮引起這種運動的力。在這兩章裏，我們討論操作臂運動學，但把研究範圍限定在靜態定位問題上。
第5章將運動學的研究範圍擴展到速度和靜力方麵。
第6章開始研究引起操作臂運動的力和力矩。這就是操作臂動力學問題。
第7章描述操作臂在空間的運動軌跡。
第8章涉及許多與操作臂機械設計有關的問題。例如，設計多少關節是適宜的、關節的類型應是什麼以及如何對它們進行布局。
第9章和第10章研究操作臂的控製方法（通常利用計算機），以準確地跟蹤預先設定的空間軌跡。第9章研究綫性控製方法，第10章將研究拓展到非綫性領域。
第11章討論操作臂的主動力控製。也就是研究如

《機器人學導論（英文版·第4版）》圖書簡介 《機器人學導論（英文版·第4版）》是一部全麵而深入的機器人學領域權威著作，旨在為讀者構建紮實的理論基礎與豐富的實踐認知。本書第四版在繼承前幾版經典內容的基礎上，緊密結閤當前機器人技術發展的最新動態和前沿研究，對原有體係進行瞭精細打磨與革新，力求為本科生、研究生以及相關領域的工程師和研究人員提供一份清晰、準確、且具有前瞻性的學習指南。 本書內容涵蓋瞭機器人學的核心概念、關鍵技術以及新興應用，從最基礎的數學工具鋪陳，逐步深入到機器人運動學、動力學、控製理論、感知係統、規劃與導航，直至人機交互和特定應用領域的機器人技術。其結構設計邏輯嚴謹，循序漸進，能夠有效地引導讀者逐步掌握機器人學的各個重要環節。 第一部分：基礎與數學工具 本書開篇便為讀者奠定瞭堅實的數學基礎，這是理解後續復雜機器人學概念的基石。詳細闡述瞭綫性代數、嚮量微積分、概率論與統計等在機器人學中必不可少的數學工具。作者通過清晰的數學推導和與機器人學應用的聯係，幫助讀者理解這些工具的物理意義和實際作用。例如，在描述機器人姿態時，作者會細緻講解鏇轉矩陣、歐拉角、四元數等概念，並解釋它們在錶示和計算機器人運動中的優勢與局限。此外，對坐標係變換、齊次坐標等概念的深入解析，為理解機器人鏈式運動的錶達打下瞭基礎。 第二部分：機器人運動學 運動學是機器人學研究的起點，它主要關注機器人運動的幾何學描述，而不考慮産生運動的力。本書對機器人正運動學和逆運動學進行瞭詳盡的論述。 正運動學：講解如何根據關節變量（如角度或位移）來確定機器人末端執行器（如機械手夾爪）在空間中的位置和姿態。作者詳細介紹瞭連杆坐標係的建立方法（如Denavit-Hartenberg參數），並通過清晰的示例展示如何將相鄰連杆的坐標變換鏈式連接起來，最終得到機器人基座坐標係到末端執行器坐標係的完整變換。 逆運動學：則探討瞭如何根據期望的末端執行器位置和姿態，求解齣所需的關節變量。這一過程往往比正運動學更為復雜，因為可能存在多解、無解或奇異解。本書係統介紹瞭代數法、幾何法以及數值優化等求解逆運動學的方法，並討論瞭在實際應用中如何處理這些復雜情況，例如使用雅可比矩陣來分析和求解。 第三部分：機器人動力學 在理解瞭機器人的運動學之後，本書進一步深入到動力學領域，研究産生機器人運動的力與加速度之間的關係。動力學是實現精確控製和預測機器人行為的關鍵。 牛頓-歐拉法：該方法基於牛頓第二定律和歐拉方程，通過逐級推導連杆的力和力矩，最終獲得機器人整體的動力學方程。本書詳細分解瞭如何計算每個連杆的質心力、質心力矩、關節力矩以及關節反作用力，並展示瞭如何整閤這些信息。 拉格朗日法：這是一種基於能量的動力學建模方法，通過計算機器人的動能和勢能，利用拉格朗日方程直接推導齣動力學方程。本書會詳細介紹如何計算連杆的動能和勢能，以及如何進行偏導數運算，最終得到機器人關節力矩與關節加速度、關節速度、關節位置之間的關係。 雅可比矩陣與相關概念：雅可比矩陣在機器人學中扮演著至關重要的角色，它不僅連接瞭關節速度與末端執行器速度，還被用於分析機器人的速度和力傳播，以及求解逆運動學。本書將深入探討雅可比矩陣的計算、性質以及在機器人學中的各種應用，包括奇異性分析。 第四部分：機器人控製 機器人控製是實現機器人自主運動和執行任務的核心技術。本書係統講解瞭機器人控製的基本原理和常用方法。 PID控製：作為最經典和廣泛應用的反饋控製方法，PID控製器在機器人控製中發揮著重要作用。本書將深入分析比例（P）、積分（I）和微分（D）三個組成部分的原理，以及如何整定PID參數以獲得最優的控製效果。 軌跡跟蹤控製：介紹如何設計控製器，使得機器人的末端執行器能夠精確地沿著預定的軌跡運動。這涉及到對參考軌跡的分析、誤差的計算以及控製信號的生成。 先進控製策略：在經典PID控製的基礎上，本書還會引入更先進的控製方法，如自適應控製、魯棒控製、模型預測控製等，用於處理機器人係統中的非綫性和不確定性，提升控製性能。 第五部分：機器人感知 感知是機器人與環境交互的基礎，它使機器人能夠“看見”和“理解”周圍的世界。本書詳細介紹瞭機器人常用的感知技術。 傳感器技術：涵蓋瞭多種關鍵傳感器，包括編碼器（用於關節角度測量）、慣性測量單元（IMU，用於姿態和角速度測量）、力/力矩傳感器（用於力反饋）、以及視覺傳感器（如攝像頭、深度相機）等。本書會分析這些傳感器的原理、性能特點以及在機器人係統中的應用。 計算機視覺：作為機器人視覺感知的重要組成部分，本書深入探討瞭圖像處理、特徵提取、目標識彆、三維重建等技術。讀者將學習如何從圖像信息中提取有用的幾何和語義信息，以支持機器人的導航和操作。 點雲處理：對於深度相機或激光雷達等獲取的三維點雲數據，本書將介紹點雲的濾波、分割、配準、特徵提取以及三維物體識彆等處理技術，為機器人理解三維環境提供支持。 第六部分：機器人規劃與導航 規劃與導航使機器人能夠在復雜環境中自主移動並完成任務。 路徑規劃：介紹如何在已知或未知環境中，為機器人找到一條從起點到終點的無碰撞路徑。本書會講解多種經典算法，如A算法、Dijkstra算法、PRM（概率路徑圖）和RRT（快速探索隨機樹）等，並分析它們的優缺點。 局部定位與地圖構建（SLAM）：SLAM技術是實現機器人自主導航的關鍵。本書將深入講解如何利用傳感器數據（如激光雷達、攝像頭）來同時估計機器人的位姿並構建環境地圖。會介紹基於濾波（如EKF-SLAM、UKF-SLAM）和基於優化（如圖優化SLAM）的常用算法。 運動規劃：在找到路徑之後，還需要進行細緻的運動規劃，以生成平滑、安全的關節軌跡。本書將介紹如何考慮機器人的動力學約束、碰撞避免以及平滑性要求。 第七部分：機器人體係結構與操作係統 機器人軟件體係結構：討論瞭如何組織和設計機器人軟件係統，以支持模塊化、可重用性和可擴展性。 機器人操作係統（ROS）：作為當前機器人領域最主流的開源軟件平颱，本書將詳細介紹ROS的核心概念、工具以及如何利用ROS構建復雜的機器人應用。讀者將學習ROS的節點、話題、服務、動作等通信機製，以及常用的ROS包和開發流程。 第八部分：特殊機器人係統與新興應用 本書的最後部分將目光投嚮瞭當前機器人學的一些前沿領域和應用方嚮，展示瞭機器人技術在各個領域的巨大潛力。 人機交互：探討瞭如何設計機器人與人類之間安全、自然、高效的交互方式，包括觸覺反饋、語音識彆、手勢識彆以及情感識彆等。 機器學習在機器人學中的應用：深入介紹瞭如何利用機器學習技術（如深度學習、強化學習）來提升機器人的感知、決策和控製能力，例如用於物體識彆、姿態估計、強化學習驅動的運動控製等。 無人機與自主車輛：介紹瞭無人機和自主車輛在感知、定位、導航、路徑規劃等方麵的獨特挑戰和技術解決方案。 服務機器人與工業機器人：分析瞭服務機器人（如醫療機器人、傢用機器人）和工業機器人（如自動化生産綫上的機械臂）在設計、控製和應用上的區彆與聯係，以及它們在各自領域的最新發展。 《機器人學導論（英文版·第4版）》以其嚴謹的理論體係、豐富的實例分析和前瞻性的內容，為讀者提供瞭一個全麵瞭解和深入學習機器人學的寶貴平颱。本書的語言清晰，邏輯性強，即使是初學者也能從中受益匪淺，而對於有一定基礎的研究人員和工程師來說，它更是不可多得的參考工具。通過閱讀本書，讀者將能夠深刻理解機器人學的核心原理，掌握關鍵技術，並為未來機器人技術的創新與發展奠定堅實基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本《機器人學導論（英文版·第4版）》簡直是我近期遇到的最令人振奮的學術讀物之一！作為一個非科班齣身，卻對機器人技術懷揣濃厚興趣的愛好者，我一直在尋找一本能夠係統性地、循序漸進地引導我入門的教材。市麵上充斥著各種零散的教程和碎片化的信息，讓人難以建立起完整的知識體係。而這本書，真的就像一位循循善誘的老師，從最基礎的概念講起，比如機器人學的定義、發展曆程、基本構成要素，以及不同類型的機器人及其應用場景。作者並沒有一開始就拋齣晦澀的數學公式和復雜的算法，而是用清晰易懂的語言，輔以大量生動的插圖和案例，讓我能夠輕鬆地理解那些看似高深的原理。我尤其喜歡它在介紹機械臂運動學時，那種層層剝離、化繁為簡的處理方式，從關節空間到笛卡爾空間，從正嚮運動學到逆嚮運動學，每一步都講解得非常到位，讓我這個初學者也能逐漸掌握其中的邏輯。而且，書中對最新技術發展趨勢的探討也讓我受益匪淺，它讓我看到瞭機器人學未來的無限可能，也激發瞭我深入學習的動力。總而言之，這是一本非常適閤想要係統學習機器人學，但又擔心無從下手的朋友們。

評分☆☆☆☆☆

我必須說，《機器人學導論（英文版·第4版）》是一本真正意義上的“導論”，它為零基礎的讀者打開瞭一扇通往機器人世界的奇妙大門。我是一名非技術背景的創業者，我的創業項目涉及到一些智能硬件的研發，對機器人技術有一些初步的瞭解，但缺乏係統性的知識。這本書的語言風格非常親切，沒有使用過多晦澀難懂的專業術語，而是通過生動的比喻和形象的圖示，將復雜的概念解釋得一目瞭然。我特彆喜歡它對機器人“感知-決策-行動”這一核心流程的講解，從視覺、聽覺到觸覺的各種傳感器，再到機器學習和深度學習在決策中的應用，以及各種執行機構的協同工作，整個過程被描繪得邏輯清晰，易於理解。即使是一些涉及數學的部分，作者也做瞭很好的引導，讓我能夠理解其背後的意義，而不會感到被公式嚇退。這本書幫助我建立起對機器人技術整體的認知框架，讓我能夠更好地理解我的技術團隊的討論，也為我與潛在的技術閤作夥伴溝通提供瞭堅實的基礎。對於想要快速瞭解機器人技術全貌，並將其應用於實際商業場景的朋友，這本書是極佳的選擇。

評分☆☆☆☆☆

《機器人學導論（英文版·第4版）》是一本非常有深度且極具前瞻性的著作，它不僅涵蓋瞭機器人學的經典理論，更對未來的發展趨勢進行瞭深刻的洞察。作為一名在機器人領域工作多年的研究人員，我深知技術更新換代的迅猛，一本優秀的教材需要既能打牢基礎，又能引領方嚮。這本書在這方麵做得非常齣色。它在對機器人運動學、動力學、控製理論等基礎知識進行嚴謹論述的同時，還深入探討瞭當前人工智能、機器學習、深度學習等前沿技術在機器人領域的融閤應用。我尤其對書中關於“具身智能”和“類人機器人”的章節印象深刻，作者不僅分析瞭實現這些目標所麵臨的挑戰，還提齣瞭切實可行的研究方嚮和技術路徑。此外，書中對仿生機器人、軟體機器人等新興領域的介紹，也為我提供瞭新的研究思路。讓我驚喜的是，本書還對機器人安全的倫理和社會影響進行瞭深刻的探討，這在當前技術高速發展的同時，顯得尤為重要。這本書無疑是我近期閱讀過的最能啓發思考、最能拓展視野的學術專著之一，對於任何希望在機器人領域深耕的研究者和工程師來說，都具有不可估量的價值。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，《機器人學導論（英文版·第4版）》在理論深度和實踐指導性上達到瞭一個令人贊嘆的平衡點。我是一名正在攻讀機器人相關專業的研究生，在學習過程中，經常會遇到一些理論知識與實際應用脫節的情況。這本書恰恰彌補瞭這一不足，它不僅深入淺齣地講解瞭機器人學的核心理論，如傳感器技術、驅動係統、控製理論等，更重要的是，它將這些理論與實際的工程問題緊密結閤起來。書中提供瞭大量的代碼示例和仿真實驗，讓我可以在理論學習的同時，動手實踐，驗證所學知識。例如，在介紹路徑規劃算法時，書中不僅詳細闡述瞭A算法、D算法等經典算法的原理，還提供瞭相應的Python代碼實現，讓我能夠直接運行並觀察其效果。這種“理論+實踐”的學習模式，極大地提升瞭我的學習效率和理解深度。此外，本書對機器人感知、決策與控製等關鍵技術進行瞭全麵的梳理，並提供瞭對未來發展方嚮的深刻見解，這對於我撰寫研究論文和開展課題研究非常有啓發。這本書絕對是機器人學專業學生必備的參考書。

評分☆☆☆☆☆

這本《機器人學導論（英文版·第4版）》完全超齣瞭我的預期，它不隻是一本教科書，更像是一本激發思考的百科全書。作為一名資深的機器人工程師，我長期以來一直緻力於工業機器人自動化生産綫的開發與維護。雖然我對機器人的一些基礎原理瞭如指掌，但總覺得在宏觀層麵，對整個機器人技術的發展脈絡和未來走嚮缺乏更全麵的認識。這本書恰好填補瞭我的知識盲區。它不僅僅是技術細節的堆砌，更著重於從曆史、哲學、倫理等多個維度探討機器人技術。書中對人工智能與機器人學的交叉融閤、人機協作的未來形態、以及機器人倫理問題等方麵的深入分析，讓我對這項技術有瞭更深刻的哲學思考。我特彆欣賞作者對“通用人工智能”和“強人工智能”的辯證討論，以及對機器人未來社會角色的前瞻性預測。這些內容，雖然不直接涉及到具體的代碼實現或算法優化，但卻為我指明瞭技術發展的方嚮，讓我能夠更好地規劃個人的職業發展和公司的技術戰略。這本書的價值，遠超其印刷成本。