本書提供瞭一係列多元且實用的工具，可用於復雜機器人係統的建模和控製，以及數字人的建模和運動生成。書中首先介紹機器人運動學的數學原理和控製係統設計，然後將機器人算法和建模過程嚮更高維度、更大規模和更復雜的研究領域——數字人建模——推進。全書包含大量MATLAB代碼和可視化圖形示例，讀者可跟隨講解內容在MATLAB中創建3D機器人模型和數字人模型，並通過實時動畫操作模型。本書適閤機器人相關工程類專業的高年級本科生和研究生學習，同時也可作為機器人和數字人研發者及工程師的參考指南。

A Journey from Robot to Digital Human: Mathematical Principles and Applications with MATLAB Programming
譯者序
前言
第1章機器人和數字人建模概述1
1.1機器人的發展曆程: 過去、現在和未來1
1.2數字人建模：曆史、成就和新挑戰5
1.3藉助機器人分析方法進行數字人建模7
參考文獻8
第2章數學基礎10
2.1嚮量、坐標變換和空間描述10
2.2李群和李代數13
2.3指數映射和k�撥脊�程15
2.4對偶數、對偶嚮量及代數形式19
2.4.1對偶環微積分21
2.4.2對偶嚮量和對偶矩陣23
2.4.3單位鏇量和特殊正交對偶矩陣25
2.5外代數簡介27
習題29
參考文獻31
第3章剛體運動的錶示32
3.1平移和鏇轉32
3.2綫速度和角速度38
3.3位置和方嚮的統一錶示42
3.4切空間和雅可比矩陣變換48
習題52
參考文獻54
第4章機器人運動學和靜力學55
4.1D�睭法55
4.2剛體運動的齊次變換57
4.3運動學反解62
4.4雅可比矩陣和微分運動68
4.5對偶變換73
4.6機器人靜力學77
4.7計算機仿真實踐85
4.7.1斯坦福機器人運動85
4.7.2工業機器人模型及其運動86
習題87
參考文獻90
第5章冗餘機器人和混聯機器人係統91
5.1廣義逆矩陣91
5.2冗餘機器人93
5.3混聯機器人係統105
5.4並聯機構的運動學建模110
5.4.1Stewart平颱110
5.4.2雅可比方程和對偶原理117
5.4.33＋3自由度混聯機器人手臂建模和分析124
5.5計算機仿真實踐132
習題134
參考文獻136
第6章機器人手臂數字樣機和3D動畫138
6.1MATLAB中的基本麯麵繪製和數據結構138
6.2機器人手臂的數字化建模和裝配145
6.3運動規劃和3D動畫149
習題152
參考文獻153
第7章機器人動力學：建模和方程154
7.1機器人動力學的幾何解釋154
7.2牛頓歐拉算法157
7.3拉格朗日方程162
7.4慣性矩陣的確定163
7.5位形流形和等距嵌入171
7.5.1度量分解和流形嵌入172
7.5.2位形流形的等距嵌入178
7.5.3組閤等距嵌入和結構矩陣180
7.5.4最小等距嵌入和等距化181
7.6簡潔動力學方程191
習題193
參考文獻193
第8章機器人係統控製196
8.1路徑規劃和軌跡跟蹤196
8.2獨立關節伺服控製199
8.3輸入/輸齣映射和係統可逆性203
8.3.1輸入/輸齣映射和相對度的概念203
8.3.2係統的可逆性及應用207
8.4精確綫性化和可綫性化理論208
8.4.1對閤性和完全可積性209
8.4.2輸入狀態綫性化過程210
8.4.3輸入/輸齣綫性化過程213
8.4.4輸入/輸齣通道的動態擴展217
8.4.5綫性子係統和內部動態220
8.4.6零動態和最小相位係統222
8.5機器人係統動態控製232
8.5.1李雅普諾夫穩定性理論233
8.5.2設定點穩定性和軌跡跟蹤控製策略237
8.6多級聯係統反推控製器設計239
8.6.1李雅普諾夫直接法控製器設計239
8.6.2反推遞推法控製器設計242
8.7機器人自適應控製係統248
8.8計算機仿真實踐260
8.8.13關節類斯坦福機器人手臂動力學建模和控製260
8.8.2欠驅動機器人係統建模和控製261
8.8.3並聯機器人動力學建模和控製262
習題263
參考文獻266
第9章數字人建模：運動學和靜力學268
9.1局部與全局運動學模型和運動類型268
9.2五點模型的局部和全局雅可比矩陣280
9.3運動範圍和力的範圍284
9.3.1人體結構體係基本概念284
9.3.2人體運動係統概述285
9.3.3運動範圍和關節舒適區287
9.3.4關節力的範圍289
9.4數字人靜力學293
9.4.1關節力矩分布和平衡法則293
9.4.2由重力産生的關節力矩分布300
9.5姿態優化準則304
9.5.1關節舒適準則305
9.5.2對接關節力矩分布準則305
9.5.3最小做功的目標312
習題312
參考文獻313
第10章數字人建模：三維實體模型和運動生成315
10.1利用MATLAB建立人體模型315
10.2手部模型和數字傳感325
10.3運動規劃和定量描述334
10.4人體基本運動分析：行走、奔跑和跳躍342
10.5數字人現實運動生成344
習題358
參考文獻358
第11章數字人建模：動力學和交互式控製360
11.1動力學模型、算法及實現360
11.2δ力激勵和步態動力學364
11.3模擬汽車碰撞中的數字人動力學運動366
11.4簡易爆炸裝置中的人體模型動力學建模和分析372
11.5車輛主動係統的動態交互式控製376
11.5.1車輛主動約束係統建模和控製377
11.5.2主動懸掛係統模型和人機交互控製383
11.6數字人建模展望384
習題386
參考文獻386
索引388

前言/序言

A Journey from Robot to Digital Human: Mathematical Principles and Applications with MATLAB Programming本書可以作為工科高年級本科生和研究生拓展數字人建模和MATLAB編程的機器人教材，也可以作為研究人員、科學傢和工程師學習和瞭解機器人係統的基本原理以及數字人建模和運動生成的基本方法的參考書。在過去的十年裏，我編寫瞭兩部講義（每年更新）：《機器人運動學、動力學與控製》，以及《現代非綫性係統與控製理論》。在奧剋蘭大學工程和計算機科學學院的機器人課程、研究生非綫性控製係統課程中，我將這些講義作為教材，教學效果很棒。本書的第一部分就是這兩部講義的係統整閤，並且進一步擴充瞭更多主題、理論和應用，以及更多的實例和MATLAB程序。
21世紀初，我曾經連續12年受邀作為剋萊斯勒公司“先進製造工程夏季培訓班”的實習教授。在汽車製造公司的工作經曆為我積纍瞭很多實際生産知識和經驗，這些是在課堂中無法獲得的。在十多年的實習過程和顧問工作當中，我親自參與到他們的虛擬裝配和産品創新的開發設計當中，並且很快成為一些主要仿真軟件方麵的專傢，從IGRIP機器人建模和Deneb Robotics （現在是Dassault/Delmia）的早期産品，到CATIA的Safework人體模型。由於這些極為難得的機會，我真正開始瞭從機器人到數字人的研究。
因此，將機器人分析和數字人建模融閤到一本書當中，與讀者分享我愉快的研究經曆和成果，是我一直以來的想法。另一方麵，盡管在很多情況下數字人建模可以藉用機器人的建模理論和運動生成算法，但是將這兩個快速發展的研究領域集成在一起的確不是一件簡單的事情。
本書中，幾乎每一章都有習題或者計算機仿真實踐，這對學生加強對每一個概念和算法的理解大有裨益。教師可根據需要，選擇本書的部分章節作為一學期的機器人學課程內容。另外，強烈建議教師安排學生依據本書中介紹的基本方法和說明，在MATLAB中寫一段程序、繪製一種機器人或人體模型，並進行實際運動控製練習。
感謝在本書的完成過程中為我提供多方麵知識、經驗、數據和編程技巧的人。首先，特彆感謝我在剋萊斯勒汽車公司先進製造工程項目工作時的前任總經理Leo Oriet博士以及虛擬裝配和産品設計組的負責人Yu Teng。他們不僅為我提供瞭一個難得的機會，讓我從事數字化的機器人係統、人體工程學建模以及産品設計驗證和審核工作，而且近年來他們也一直在給予我支持和鼓勵。還要感謝通用動力公司陸地係統部門的Michael Hicks工程師，以及幫我修改、潤色本書的奧剋蘭大學英語專業研究生Ashley Liening。
此外，感謝發那科機器人公司、機器人研究公司和法國巴黎的阿德巴蘭機器人公司的友好授權，允許我在本書中引用他們的照片。
Edward Y.L.Guguy@oakland.edu密歇根州羅徹斯特2013年4月
譯者序A Journey from Robot to Digital Human: Mathematical Principles and Applications with MATLAB Programming機器人技術及其應用目前已經從傳統的工業自動化領域發展到國民經濟的各個領域、各行各業，最近幾年，醫療機器人、康復機器人、仿人機器人、運動機器人等更是得到瞭迅猛的發展。這些機器人都與人體本身密切相關，是機器人學與醫學、生物學、仿生學等學科的進一步融閤，並將徹底改變人們的日常生活模式。數字人是生命科學和信息科學研究中的一個嶄新領域，數字人建模涵蓋從幾何形態到人體物理特性、生理特性的各個方麵。從單一的可視化模型到具有知識錶示的符號模型，最後建立可精確仿真、計算和控製的數字模型，目前還麵臨著很多難題。由於機器人研究相對成熟，因此本書藉用瞭機器人的建模理論和運動算法來實現數字人建模和運動算法，是一個大膽的嘗試和突破。
本書是美國奧剋蘭大學Edward Y.L.Gu教授在機器人學以及數字人建模技術方麵多年的研究和教學工作的總結。本書除瞭機器人運動學、靜力學、動力學和控製的理論基礎之外，還特彆對基本的數字建模過程、運動算法以及優化方法進行瞭介紹。Gu教授根據機器人學和數字人建模技術的特點，將理論分析和實際應用密切結閤，對MATLAB編程的數學基礎、剛體運動錶示的原理和定義、機器人運動學和靜力學的原理、冗餘機器人和混聯機器人係統、機器人手臂的數字樣機、機器人動力學的建模和錶示以及機器人控製係統進行瞭詳盡的描述，在此基礎上對數字人三維運動、動力學和交互式控製進行瞭描述和分析。本書語言精練，內容深入淺齣，實例簡單易懂，無絲毫玄虛造作，體現齣Gu教授在機器人學和數字人建模領域高深的造詣和紮實樸素的作風。本書是將機器人分析和數字人建模有機融閤的經典之作。
本書第2、3、4、8章由哈爾濱理工大學張永德翻譯，第5、6、7章由哈爾濱理工大學趙燕江翻譯，第1、9、10章由哈爾濱理工大學薑金剛翻譯，第11章由哈爾濱理工大學杜海艷翻譯。全書由張永德、趙燕江和薑金剛校對整理，張永德統稿。哈爾濱理工大學博士研究生梁藝、畢津滔、赫天華、賈小紅、張為璽也參與瞭大量的翻譯和整理工作。
本書可作為MATLAB編程、機器人運動分析、數字人建模等相關領域的研究參考用書，也可以作為機械電子工程、生物醫學工程和相關專業的研究生和高年級本科生的教材。
限於譯者的經驗和水平，書中難免存在缺漏和不足之處，懇請讀者批評指正！
譯者2017年4月
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