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出版者:Cambridge University Press

作者:Carl D. Crane III

出品人:

页数:444

译者:

出版时间:2008-01-28

价格:USD 75.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521047937

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
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机械臂的运动学：驱动与控制的基石 本书将深入探讨机械臂运动学（Kinematics）的精妙世界，为理解和操控自动化设备提供坚实的基础。我们将从最基本的概念出发，逐步构建起对机械臂运动状态的精确描述和预测能力。 核心概念与数学框架： 首先，我们会清晰界定运动学的核心——描述物体的位置、速度和加速度，而不涉及引起这些运动的力。本书将着重于阐述以下关键概念： 坐标系与变换： 学习如何建立和转换不同的坐标系，这是描述机械臂各连杆相对位置的基石。我们将深入理解齐次变换（Homogeneous Transformation）的强大之处，包括旋转（Rotation）和平移（Translation）矩阵的数学表达及其在三维空间中的应用。 关节变量与位姿： 详细解释不同类型的关节（如旋转关节、移动关节）及其对应的关节变量如何决定机械臂的构型。在此基础上，我们将学习如何通过关节变量来描述末端执行器的空间位姿（Position and Orientation），这通常用一个四元数（Quaternions）或旋转矩阵与平移向量的组合来表示。 正运动学（Forward Kinematics）： 这是运动学分析的基础。我们将详细介绍如何从已知的关节变量推导出末端执行器的精确位姿。本书将采用多种方法，包括D-H（Denavit-Hartenberg）参数法，一种系统化的建模方式，能够简洁地表示机械臂的几何结构，并推导出连杆之间的变换关系。我们将通过大量的实例，演示如何应用D-H参数法来构建任意结构机械臂的正运动学模型。 逆运动学（Inverse Kinematics）： 与正运动学相反，逆运动学旨在根据给定的末端执行器位姿，求解出所有关节变量的可能组合。这是实现机械臂精确路径跟踪和任务执行的关键。我们将深入探讨求解逆运动学的不同方法，包括解析法（Analytical Methods）和数值法（Numerical Methods）。对于解析法，我们将重点讲解封闭解的存在条件及其推导过程，并分析常见的机械臂构型（如SCARA、六自由度工业机器人）的逆运动学解法。对于数值法，我们将介绍迭代优化技术，如牛顿法（Newton's Method）或雅可比伪逆法（Jacobian Pseudoinverse），并讨论其优缺点、收敛性以及在复杂或冗余机械臂系统中的应用。 动力学分析的预备知识： 虽然本书专注于运动学，但我们将为理解更深层次的动力学分析奠定基础。 雅可比矩阵（Jacobian Matrix）： 雅可比矩阵是连接关节速度与末端执行器速度的关键工具。我们将详细阐述雅可比矩阵的定义、构建方法以及其在速度和力学分析中的重要作用。通过分析雅可比矩阵的秩和奇异点（Singularities），我们将揭示机械臂工作空间（Workspace）的几何特性、运动学奇异点的位置以及这些奇异点对机械臂运动能力的影响。理解奇异点对于避免运动过程中可能出现的性能下降或控制失效至关重要。 工作空间分析： 我们将学习如何根据机械臂的关节限制和结构几何，确定其可达到的工作空间。工作空间分析对于任务规划、碰撞检测和优化机械臂布局具有实际意义。 实际应用与展望： 最后，本书将连接理论与实践，展示运动学在实际机器人系统中的应用。 路径规划的基石： 运动学分析为高效的路径规划提供了必要的输入。我们将简要介绍如何利用运动学模型来生成平滑、可行的关节轨迹，以实现末端执行器的期望运动。 机器人仿真与设计： 扎实的运动学知识是进行机器人仿真和优化的前提。通过仿真工具，我们可以验证机械臂的设计、测试控制算法，并预演其在实际环境中的表现。 本书旨在为读者提供一套全面而深入的机械臂运动学理论框架，并通过清晰的讲解和丰富的示例，帮助读者掌握解决实际工程问题的能力。无论您是机器人领域的初学者，还是希望深化理解的专业人士，本书都将是您不可或缺的参考。

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对我来说，选择一本好的技术书，很大程度上取决于它是否能激发我对未知领域的探索欲。而《Kinematic Analysis of Robot Manipulators》做到了这一点，而且是以一种非常内敛而强大的方式。这本书的精髓并不在于它罗列了多少种机械臂，而在于它提供了一套普适的、可以应用于任何构型机械臂的分析范式。我特别赞赏作者在介绍四元数（Quaternions）在旋转表示法中的应用时所采取的策略。与那些仅仅将其视为另一种旋转矩阵替代品的介绍方式不同，作者深入挖掘了四元数在避免万向锁（Gimbal Lock）问题上的内在优势，并展示了如何在连续轨迹插值中利用四元数的球面线性插值（Slerp）来保证关节角度变化率的平滑性。这种对数学工具内在优劣势的深入剖析，远非表面功夫可比。读到最后，我感觉自己已经掌握了一套高屋建瓴的分析视角，不再局限于特定的机械臂结构，而是能够迅速对任何新出现的运动学问题进行建模和求解。这本书不仅教会了我“如何做”，更重要的是，它教会了我“为什么要这么做”，这才是真正优秀技术著作的标志。

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当我真正沉下心来阅读这本书时，我才发现它远超出了我对一本标准教科书的期待。它更像是一位经验丰富的导师，用极其耐心的语气，引导你穿过错综复杂的运动学迷宫。最让我感到惊喜的是作者对“位姿描述”的创新性讲解。传统的罗德里格斯（Rodrigues）公式固然严谨，但在解释其物理意义时往往显得晦涩难懂。然而，这本书里，作者巧妙地引入了一种“虚拟连接体”的概念，将旋转矩阵的分解过程可视化，这对于我这种视觉思维为主的学习者来说，简直是醍醐灌顶。我记得有一章专门讨论了雅可比矩阵在速度解耦中的应用，作者没有停留在标准的矩阵求导层面，而是详细对比了不同构型机器人在操作空间内速度限制的差异，甚至用图示说明了当关节速度饱和时，末端执行器路径会如何偏离预设轨迹。这种从理论到实践的无缝衔接，让我感觉我不是在学习一套抽象的数学工具，而是在掌握一套解决真实世界工程难题的“瑞士军刀”。此外，书中对各种逆运动学求解方法的讨论也极为全面，不仅涵盖了解析法和数值法的经典对比，还专门辟出一节讨论了在存在冗余自由度时，如何利用优化方法来寻找满足特定任务约束的最优解，这一点在现代复杂机械臂设计中至关重要。

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这本书的封面设计简直是一场视觉的盛宴，那种深沉的蓝色调，配合着银色的机械臂线条，立刻就把我带入了那个精密、严谨的工程世界。我通常对这种偏理论性的技术书籍望而却步，但《Kinematic Analysis of Robot Manipulators》却有着一种奇特的吸引力。初翻目录时，那些密密麻麻的符号和公式并未让我感到焦虑，反而激发了我强烈的求知欲。作者的叙事方式非常高明，他并没有一开始就将读者推入复杂的数学泥潭，而是通过一系列精心挑选的实际应用案例来铺垫，比如工业装配中的抓取精度、医疗手术机器人的微操控制等。这些案例就像是灯塔，指引着我理解后续理论的价值所在。我记得其中关于欧拉-拉格朗日方程在简化多自由度机械手运动学建模时的应用，讲解得极其透彻，作者似乎深知初学者在面对多重坐标系转换时的困惑，因此在阐述过程中，反复强调了如何构建一个清晰、一致的参考系，这是后续所有分析的基础。我尤其欣赏的是书中对“奇异点”概念的处理，它不仅仅是简单地给出一个数学定义，而是深入剖析了奇异点对机器人实际操作稳定性和控制策略的影响，这对于希望将理论应用于实际控制系统设计的工程师来说，简直是宝贵的财富。这本书的排版也很考究，公式的推导步骤详略得当，不会因为过于简化而让人摸不着头脑，也不会因为过度冗余而显得拖沓，可以说，它在学术深度和可读性之间找到了一个近乎完美的平衡点。

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这本书的语言风格是典型的英式工程学严谨与清晰并存，但它的组织结构却非常具有前瞻性。在讨论完基础的直接运动学和逆运动学之后，它并没有马上进入复杂的动力学部分，而是用相当大的篇幅集中探讨了“运动规划中的几何约束”。这一点让我印象非常深刻，因为在很多入门级的书籍中，运动学分析往往被割裂地处理，而这本书却将其与实际的路径优化紧密结合起来。作者引入了诸如“工作空间边界优化”和“避免关节干涉的路径规划”等高级主题，虽然这些主题的数学推导依然基于运动学原理，但其应用导向性极强。例如，书中对“可达性分析”的阐述，不仅展示了如何通过几何方法确定机械臂的有效操作空间，还结合了蒙特卡洛模拟来评估不同构型在复杂环境下的覆盖率。这种将纯粹的运动学分析与现代计算方法相结合的做法，使得整本书的理论框架显得尤为坚实且不过时。它成功地架起了从经典机器人理论到现代高性能运动控制之间的桥梁，对于希望将机器人技术应用于高精度制造或自动化领域的专业人士来说，这本书是不可或缺的参考资料。

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这本书的阅读体验，如果用一个词来形容，那就是“沉浸感”。它不仅仅是一本工具书，更像是一部严谨的学术论著，处处体现出作者深厚的学术功底和对机器人本体结构的深刻理解。我尤其欣赏作者对坐标系变换处理的细致入微。在很多教材中，对DH（Denavit-Hartenberg）参数的选取往往是草草带过，但在这本书里，作者用接近一章的篇幅，详细探讨了不同DH约定对模型简化和计算效率的影响，并特别指出，在实际工程中，选择一个与物理结构最契合的坐标系定义，能极大地减少后续的符号运算量和潜在的编程错误。这种对细节的执着，是真正做过复杂项目的人才能体会到的宝贵经验。再谈谈它的习题设计，这是我评判一本技术书籍好坏的试金石。这里的习题不是简单的代入公式运算，而是往往需要你将不同章节的知识点进行融合运用。例如，某道题要求设计一个四自由度机械手，在已知其工作空间边界的情况下，推导出其在接近极限位置时的运动学约束方程组，并分析其解的稳定性。这种综合性极强的挑战，迫使读者必须真正理解每一个概念背后的物理含义，而不是死记硬背公式。读完后，我感觉自己对机械臂的“骨骼结构”有了更清晰的认识。

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