01 / 导读
导读
引用
Craig, J. J. (2022). Introduction to Robotics: Mechanics and Control (4th ed.). Pearson.
章节概要
全书共十三章。出版社称本书把传统机械工程内容与计算机科学和控制理论的概念融合在一起，涵盖刚体变换、正运动学与逆运动学的位置计算、连杆机构的速度与雅可比矩阵、动力学、线性与非线性控制、力控制、机械设计以及机器人编程。读者对象是机器人学课程的高年级本科生和研究生一年级学生；出版社称第4版保持了应用与理论的平衡，强调问题的计算方面，并以简明、直观的方式呈现。本书自1986年起出版。
第1–2章：引论；空间变换
第一章介绍本领域。第二章讨论空间变换，即运动学各章所依赖的、对位置和姿态的刚体描述。
第3–4章：正运动学；逆运动学
这两章讨论机械臂的位置运动学：由关节值计算连杆末端的位置，以及为期望位置求关节值的逆问题。
第5–6章：速度、静力与雅可比矩阵；动力学
第5章通过雅可比矩阵把运动学扩展到速度和静力。第6章讨论机械臂的动力学。
第7–8章：轨迹规划；机器人的机械设计
第7章讨论如何规划机械臂随时间的运动。第8章讨论机器人的机械设计。
第9–11章：线性控制；非线性控制；力控制
三章讨论机械臂的控制，从线性和非线性的位置控制到力控制。
第12–13章：编程语言与系统；仿真与离线编程
最后两章涉及软件方面：机器人的编程语言与系统，以及仿真与离线编程。
核心概念
第1–4章：描述与运动学
- 空间变换：描述刚体的位置和姿态，并把一个坐标系与另一个相联系。
- 正运动学与逆运动学：从关节变量求末端位置的映射，以及其逆问题。
第5–8章：运动、力与设计
- 雅可比矩阵：把关节速度与末端速度联系起来，在静态情形下则联系到力。
- 机械臂动力学：在外加力矩作用下支配连杆运动的方程。
- 轨迹规划：确定机械臂要跟随的、随时间变化的路径。
第9–13章：控制与软件
- 机械臂的线性与非线性控制。
- 力控制：控制接触力的方法。
- 离线编程与仿真：不用实际机器人而准备并测试机器人程序。
评析
优点
- 清晰的递进。 章节顺序遵循本学科通常的逻辑：描述、运动学、速度与静力学、动力学、轨迹、设计、控制与编程，每一部分都可以依次学习。
- 力学与控制的平衡。 出版社强调机械工程与计算机科学和控制理论的融合；除力学各章外，还有三章控制和两章编程。
- 重视计算。 第4版保持了对计算方面的强调，适合打算用软件实现运动学和动力学的读者。
- 久经检验的教材。 出版社提到本书初版于1986年，说明它作为大学教材有很长的历史。
局限
- 依赖外部背景知识。 本书用三章讲控制；没有学过控制系统课程的读者，需要另备资料学习其背后的理论。
- 聚焦于机械臂。 章节围绕机器人机械臂及其编程展开，移动机器人、视觉和基于学习的方法没有出现在目录中。
- 多个版本并存。 Pearson列出了第4版和Global Edition的不同产品，把作业与章节对应时要先核对版本。
在课程中的定位
在这门信号、系统与控制课程中，Craig是机器人学的应用类教材。它位于基础课程之后：Oppenheim和Willsky的 Signals and Systems、Sadiku的入门书以及Downey的 Think DSP 讲授信号与系统，Nise的 Control Systems Engineering 是借助MATLAB和Simulink学习反馈系统建模、分析与设计的应用入门，Åström和Murray的 Feedback Systems 则是对物理、生物和信息系统中的反馈、建模、稳定性、状态空间和鲁棒性的现代入门。
Craig在第9–11章中以这样的控制基础为前提，因此合理的顺序是先学Nise或Åström与Murray这样的第一门控制课程，再读Craig学习机器人特有的力学与控制。主要关心力学的读者可以先读第1–8章，这些章节更多依赖线性代数和刚体动力学，而不是控制理论。想了解后续控制工作背后的信号与系统工具的读者，可以从上面列出的基础读起，再回到Craig看其具体的工程应用。
如何使用本书
本书面向修读机器人学课程的机械、电气或计算机工程专业的高年级本科生和研究生一年级学生。线性代数、刚体动力学和控制入门课程是有用的背景。
实用的安排：
- 核心： 按顺序读第1–6章。第2–4章提供其他一切所用的变换与运动学，第5章和第6章加入速度、静力学和动力学。
- 随后： 第7章轨迹规划，然后读第9–10章学习机械臂控制。
- 按兴趣选读： 机械设计读第8章，力控制读第11章，编程与仿真读第12–13章。
由于本书强调计算，应尽早用代码实现一个简单机械臂的正运动学和逆运动学。控制各章应与专门的控制教材配合使用，并把力学各章和控制各章视为可分别回头复习的两个板块。
一学期课程的常见安排，是力学读第1–7章，选一两章控制，再简要了解编程。自学者即使读到第6章为止，也已掌握机械臂运动学与动力学的核心；其余各章可以在力学扎实之后作为第二遍学习。对有计算机科学背景的读者，这个顺序同样适用：从第2章的空间变换开始并实现它，运动学代码能运行之后再引入动力学。