前言
　　Robot Modeling and Control自從20世紀80年代早期機器人機械臂被“吹捧”為自動化制造的終極解決方案以來，機器人領域發(fā)生了眾多令人興奮的變化。早期的預測是，如果必要的話未來整個工廠僅需要極少數(shù)人工操作者。有些人甚至預言連電力照明都是多余的，因為機器人會“很高興地”在黑暗環(huán)境里完成工作。這些預言在今天看來有些可笑，盡管如此，尋找為什么此類預言沒有實現(xiàn)的原因發(fā)人深省。第一個原因可簡述如下：機器人很難代替或者在某種程度上等同于人類。人類十分擅長于自己的工作。自動化制造并不像安裝一個機器人并將工人從產(chǎn)品裝配線上移走這么簡單，它涉及復雜的系統(tǒng)集成問題。通常，整個工作單元需要重新設計，包括對裝配過程本身的分析、重新設計零件和設備、工作單元布局、傳感器開發(fā)、控制系統(tǒng)設計、軟件驗證以及大量的相互連接問題。結果是：除去如點焊、噴涂和碼垛等簡單任務，（使用機器人）所節(jié)省的人工成本并不能抵消上述開發(fā)成本。
　　因此，機器人技術在20世紀80年代晚期不再受人歡迎�，F(xiàn)在，我們正在見證機器人技術的一次復興，不僅在制造領域，還包括很多其他領域，比如醫(yī)療機器人技術、搜索和救援、娛樂和服務機器人技術。近年來，我們看到機器人探測火星表面、定位沉船、搜索地雷以及尋找倒塌建筑物下的災民。機器人技術被認為是更廣泛的機電一體化（mechatronics）領域的一部分。機電一體化被定義為機械、電子、控制和計算機科學的有機結合。機器人是終極的機電一體化系統(tǒng)。
　　本書起初是作為由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版進行編寫的。但在編寫初期，我們發(fā)現(xiàn)由于第1版距今的時間跨度和本領域在此期間內的發(fā)展，本版最終將會是一本全新的書籍。我們在保留第1版的基本原理和優(yōu)秀部分的基礎上，增添了很多新內容。本書所涉及的運動規(guī)劃、計算機視覺和視覺伺服控制都是全新的。我們重寫了關于控制的章節(jié)，以反映20世紀80年末期到90年代初期機器人控制領域的逐步成熟。本書的運動學和動力學基礎部分與第1版基本一致，但從教學方面對其進行了擴展和提高。
　　本書結構本書分為12章，前6章是基礎，后6章涉及高等內容。這些章節(jié)從概念上可以分為三組。在導論章節(jié)后，第2章到第5章涉及機器人運動的幾何問題。第6章到第10章涉及動力學和控制。最后，第11和12章討論了計算機視覺以及如何將其添加到機器人控制系統(tǒng)中。
　　下面是對各章更為詳細的敘述。
　　第1章介紹機器人技術的歷史和術語，并就最通用的機器人設計和應用進行了討論。
　　第2章介紹剛性運動的數(shù)學知識，以及旋轉、平移和齊次變換。
　　第3章介紹應用Denavit�睭artenberg方法對運動學進行正向求解，以及應用幾何方法對運動學進行逆向求解，該幾何方法十分適用于帶有球形手腕的機械臂。
　　第4章篇幅較長，涉及速度運動學和機械臂的雅可比矩陣。幾何雅可比矩陣由叉積形式推導得出。我們還介紹了分析型雅可比矩陣，它用于后續(xù)的任務空間控制。該章還討論了可操作性的概念。
　　第5章介紹運動規(guī)劃和軌跡生成。該章介紹了有關運動規(guī)劃和避障的幾種最為流行的方法，包括人工勢場法、隨機算法以及概率路線圖方法。我們把軌跡生成問題本質上當作多項式樣條插補問題來介紹。對于關節(jié)空間內的插補，我們推導了基于三次和五次多項式的軌跡生成以及梯形速度軌跡。
　　第6章介紹獨立關節(jié)的控制。我們用基于PD、PID和狀態(tài)空間的線性控制來實現(xiàn)線性驅動器和傳動系統(tǒng)動力學的跟蹤和抗干擾等問題。為研究對時變參考軌跡的跟蹤問題，我們介紹了前饋控制的概念。
　　第7章詳細介紹了機器人動力學�；�于第一性原理，本書推導了歐拉拉格朗日方程，并且詳細討論了其結構特性。本書還介紹了機器人動力學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80年代末和90年代初有關機器人控制的大多數(shù)研究，介紹了最通用的魯棒和自適應控制算法的簡單推導，為讀者進一步閱讀有關機器人控制的大量文獻打好基礎。
　　第9章解決力控制問題，討論了阻抗控制和混合控制。
　　混合阻抗控制方法是其他書中很少涉及的，它適用于控制阻抗，并同時對運動和力進行調控。
　　第10章介紹了幾何非線性控制。相比其他章節(jié)，該章內容要高深很多，適合研究生階段的非線性控制和機器人學課程使用。盡管如此，該章內容在形式上可讀性好，也適合高年級本科生閱讀。我們推導和證明了單輸入/單輸出系統(tǒng)的局部反饋線性化的充要條件，并將其用于柔性關節(jié)控制問題。我們也簡要討論了周氏定理在非完整約束控制系統(tǒng)問題中的應用。
　　第11章介紹計算機視覺。我們主要介紹適用于機器人應用方面的計算機視覺，例如閾值、圖像分割和相機標定。
　　第12章討論視覺伺服控制問題，也就是利用安裝在機器人上或工作空間內的相機的反饋來控制機器人。