01 / 導讀
導讀
引用
Craig, J. J. (2022). Introduction to Robotics: Mechanics and Control (4th ed.). Pearson.
章節概要
全書共十三章。出版社稱本書把傳統機械工程內容與電腦科學和控制理論的概念融合在一起，涵蓋剛體變換、正運動學與逆運動學的位置計算、連桿機構的速度與雅可比矩陣、動力學、線性與非線性控制、力控制、機械設計以及機器人程式設計。讀者物件是機器人學課程的高年級本科生和研究生一年級學生；出版社稱第4版保持了應用與理論的平衡，強調問題的計算方面，並以簡明、直觀的方式呈現。本書自1986年起出版。
第1–2章：引論；空間變換
第一章介紹本領域。第二章討論空間變換，即運動學各章所依賴的、對位置和姿態的剛體描述。
第3–4章：正運動學；逆運動學
這兩章討論機械臂的位置運動學：由關節值計算連桿末端的位置，以及為期望位置求關節值的逆問題。
第5–6章：速度、靜力與雅可比矩陣；動力學
第5章通過雅可比矩陣把運動學擴充套件到速度和靜力。第6章討論機械臂的動力學。
第7–8章：軌跡規劃；機器人的機械設計
第7章討論如何規劃機械臂隨時間的運動。第8章討論機器人的機械設計。
第9–11章：線性控制；非線性控制；力控制
三章討論機械臂的控制，從線性和非線性的位置控制到力控制。
第12–13章：程式語言與系統；模擬與離線程式設計
最後兩章涉及軟體方面：機器人的程式語言與系統，以及模擬與離線程式設計。
核心概念
第1–4章：描述與運動學
- 空間變換：描述剛體的位置和姿態，並把一個座標系與另一個相聯絡。
- 正運動學與逆運動學：從關節變數求末端位置的對映，以及其逆問題。
第5–8章：運動、力與設計
- 雅可比矩陣：把關節速度與末端速度聯絡起來，在靜態情形下則聯絡到力。
- 機械臂動力學：在外加力矩作用下支配連桿運動的方程。
- 軌跡規劃：確定機械臂要跟隨的、隨時間變化的路徑。
第9–13章：控制與軟體
- 機械臂的線性與非線性控制。
- 力控制：控制接觸力的方法。
- 離線程式設計與模擬：不用實際機器人而準備並測試機器人程式。
評析
優點
- 清晰的遞進。 章節順序遵循本學科通常的邏輯：描述、運動學、速度與靜力學、動力學、軌跡、設計、控制與程式設計，每一部分都可以依次學習。
- 力學與控制的平衡。 出版社強調機械工程與電腦科學和控制理論的融合；除力學各章外，還有三章控制和兩章程式設計。
- 重視計算。 第4版保持了對計算方面的強調，適合打算用軟體實現運動學和動力學的讀者。
- 久經檢驗的教材。 出版社提到本書初版於1986年，說明它作為大學教材有很長的歷史。
侷限
- 依賴外部背景知識。 本書用三章講控制；沒有學過控制系統課程的讀者，需要另備資料學習其背後的理論。
- 聚焦於機械臂。 章節圍繞機器人機械臂及其程式設計展開，移動機器人、視覺和基於學習的方法沒有出現在目錄中。
- 多個版本並存。 Pearson列出了第4版和Global Edition的不同產品，把作業與章節對應時要先核對版本。
在課程中的定位
在這門訊號、系統與控制課程中，Craig是機器人學的應用類教材。它位於基礎課程之後：Oppenheim和Willsky的 Signals and Systems、Sadiku的入門書以及Downey的 Think DSP 講授訊號與系統，Nise的 Control Systems Engineering 是藉助MATLAB和Simulink學習反饋系統建模、分析與設計的應用入門，Åström和Murray的 Feedback Systems 則是對物理、生物和資訊系統中的反饋、建模、穩定性、狀態空間和魯棒性的現代入門。
Craig在第9–11章中以這樣的控制基礎為前提，因此合理的順序是先學Nise或Åström與Murray這樣的第一門控制課程，再讀Craig學習機器人特有的力學與控制。主要關心力學的讀者可以先讀第1–8章，這些章節更多依賴線性代數和剛體動力學，而不是控制理論。想了解後續控制工作背後的訊號與系統工具的讀者，可以從上面列出的基礎讀起，再回到Craig看其具體的工程應用。
如何使用本書
本書面向修讀機器人學課程的機械、電氣或計算機工程專業的高年級本科生和研究生一年級學生。線性代數、剛體動力學和控制入門課程是有用的背景。
實用的安排：
- 核心： 按順序讀第1–6章。第2–4章提供其他一切所用的變換與運動學，第5章和第6章加入速度、靜力學和動力學。
- 隨後： 第7章軌跡規劃，然後讀第9–10章學習機械臂控制。
- 按興趣選讀： 機械設計讀第8章，力控制讀第11章，程式設計與模擬讀第12–13章。
由於本書強調計算，應儘早用程式碼實現一個簡單機械臂的正運動學和逆運動學。控制各章應與專門的控制教材配合使用，並把力學各章和控制各章視為可分別回頭複習的兩個板塊。
一學期課程的常見安排，是力學讀第1–7章，選一兩章控制，再簡要了解程式設計。自學者即使讀到第6章為止，也已掌握機械臂運動學與動力學的核心；其餘各章可以在力學紮實之後作為第二遍學習。對有電腦科學背景的讀者，這個順序同樣適用：從第2章的空間變換開始並實現它，運動學程式碼能執行之後再引入動力學。