2008年在Pasadena舉辦IEEE ICRA（International Conference on Robotics and Automation）會議期間，我們決定為本科生編寫一本機器人學方面的教材。從1996年開始，F(xiàn)rank就拿自己編寫的講義為首爾國立大學的本科生教授機器人運動學的知識；到2008年，這些講義已演化為本書所涵蓋的核心內(nèi)容。Kevin也一直拿自己的講義在美國西北大學講授機器人學導論，其內(nèi)容來自論文集和教科書。
我們相信，如果對機器人機構、規(guī)劃與控制等主題進行單獨研究，或者將其作為其他更傳統(tǒng)主題的一部分，我們將失去一個獨特而統(tǒng)一的視角。在2008年的會議上，我們注意到市面上尚缺少符合下述特征的教科書：（1）使用統(tǒng)一的框架去處理這些主題，同時輔以大量練習和配圖；（2）最重要的是寫出一本適用于本科生層次（差不多也是他們?nèi)松�中第一本）的機器人課程的新教材，其中涉及的先修知識僅包括大學一年級的物理學、常微分方程、線性代數(shù)和一點兒與計算相關的內(nèi)容。當時我們認為唯一明智的做法就是自己來寫這樣一本書。（我們當時并不知道這將會用掉我們8年多的時間來完成這一項目�。�
寫這本書的第二個動因，也是我們認為一個區(qū)別于其他機器人學導論類書籍的地方，是強調(diào)現(xiàn)代幾何方法的使用。通常情況下，機器人最顯著的物理特征由幾何來描述效果最好。經(jīng)典旋量理論的實踐者對這種幾何方法的優(yōu)點已經(jīng)認識了相當長的一段時間。但這些知識尚未觸及本科生（本書的受眾目標群）的層次，原因在于需要他們掌握一套全新的概念（旋量、運動旋量、力旋量、互易性、橫貫、共軛等），以及那些經(jīng)常需要對其進行處理和轉(zhuǎn)換的復雜規(guī)則。另一方面，若采用旋量理論的代數(shù)運算方法，學生往往會最終沉浸在計算細節(jié)中，而失去那些在計算中處于中心地位的簡單而優(yōu)雅的幾何解釋。
讓經(jīng)典旋量理論惠及更多的人群，這一突破發(fā)生在20世紀80年代初。哈佛大學的Roger Brockett基于剛體運動的李群結(jié)構向讀者展示了如何以數(shù)學方式來描述運動鏈（Brockett，1983b）。該發(fā)現(xiàn)的重要性在于，只是簡單地通過線性代數(shù)與線性微分方程的基本理論來重構旋量理論。有了現(xiàn)代旋量理論這一現(xiàn)代微分幾何領域的強大工具，就可以涉及范圍更為廣泛的機器人問題，其中部分內(nèi)容將展現(xiàn)在我們這本教材中，其他更優(yōu)秀、更高級的內(nèi)容可參考Murray等（1994）的教科書。
正如本書書名所示，這本書涵蓋了我們所認為的機器人機構學基礎知識，以及與規(guī)劃和控制有關的基礎理論。將本書所有章節(jié)全部講完可能需要兩個學期，特別是再加上編程或機器人的實驗環(huán)節(jié)。不過，本書第2～6章的內(nèi)容是最低限度的必學知識，而且要按順序來學習。
接下來教師可以有選擇地從剩下的章節(jié)中選擇內(nèi)容。在首爾國立大學，本科生機器人學導論（M2794.0027）課程安排在一個學期，主要講授第2～7章，以及第10～12章部分內(nèi)容。在美國西北大學，機器人操作（ME 449）課程用11周的時間講完第2～6章和第8章，然后再根據(jù)學生和教師的興趣觸及第9～13章的部分內(nèi)容。講授有關機械臂和輪式機器人運動學的課程可以選擇第2～7章和第13章的內(nèi)容，而要開有關運動學與運動規(guī)劃的課程還需額外包括第9章和第10章的內(nèi)容。關于機器人操作原理的課程將涵蓋第2～6、8和12章，而機器人控制課程將涵蓋第2～6、8、9和11章。如果教師不希望涉及動力學的主題（第8章），有關機器人控制的基礎知識（第11章和第13章）即可涵蓋對每個執(zhí)行器的速度控制，而不是力和力矩控制。若課程只關注運動規(guī)劃，內(nèi)容可能包括第2章和第3章，更深入的知識在第10章（可能還要補充研究論文或其他參考文獻）和第13章。
為了幫助教師選擇講授的主題并幫助學生梳理所學到的知識，我們在每章最后都包含本章小結(jié)，并在附錄A中對全書中出現(xiàn)的重要概念和公式進行了總結(jié)。對于那些對章節(jié)內(nèi)容感興趣而想深入學習的讀者，我們在每章末尾提供了一套相當全面（盡管并非詳盡無遺）的推薦閱讀。每章最后都提供了大量的習題，以便延伸讀者對本章所涵蓋基本內(nèi)容的學習。本書中還包含一些較為前沿的學習材料，可用來支持獨立的研究型項目。
這本書另一重要組成部分是軟件，主要用來強化書中的概念，并使公式更具可操作性。該軟件主要由Kevin在美國西北大學選擇ME 449課程的學生開發(fā)，并可從http://modernrobotics.org免費下載。與教科書相配套的視頻講座也可在網(wǎng)站上找到。上傳視頻的初衷是幫助教師實施翻轉(zhuǎn)課堂，即學生利用課余時間觀看簡短的視頻課（可根據(jù)需求重復觀看），課上則集中更多的時間來協(xié)作解決問題。通過這種方式，當學生應用這些材料時教授可在現(xiàn)場答疑，并發(fā)現(xiàn)他們在理解上的差異。我們相信，教授在這個互動角色中能發(fā)揮最大的作用，而不是體現(xiàn)在年復一年、一成不變的講座中。這種方法在Kevin教授的機電一體化課程中得到了很好的體現(xiàn)，具體見http://nu32.org。
視頻內(nèi)容使用Lightboard（http://lightboard.info）生成，該工具由美國西北大學的Michael Peshkin創(chuàng)建而成。他分享了這個方便有效的工具制作此教學視頻，對此非常感謝！
我們還發(fā)現(xiàn)，作為本書及其軟件的補充，V-REP機器人仿真軟件也非常有價值。利用這個仿真軟件，學生可以以交互方式來探索機械臂和移動機器人的運動學，并為運動學、動力學及控制結(jié)果創(chuàng)建動畫軌跡。
雖然本書在介紹有關機器人機構、規(guī)劃和控制入門基礎知識方面充分表達了作者的觀點，但還是要對那些已經(jīng)出版和使用多年的優(yōu)秀教材表示最誠摯的敬意。其中，我們要特別提到已產(chǎn)生廣泛影響力的Murray等（1994）、Craig（2004）、Spong等（2005）、Siciliano等（2009）、Mason（2001）和Corke（2017），以及Latombe（1991）、LaValle（2006）和Choset等（2005）關于運動規(guī)劃的著作。此外，Siciliano和Khatib（2016）以及Kr?ger編輯的《機器人學手冊》的多媒體擴展（http://handbookofrobotics.org），是我們這個領域的一個里程碑，匯聚了數(shù)以百計研究人員的前沿研究，涉及與現(xiàn)代機器人相關的各個主題。
同時，我們對寫這本書時提供幫助和帶給我們靈感的人表示感謝。特別是，感謝我們的博士導師Roger Brockett和Matt Mason。Brockett是我們這本書中所講機器人幾何方法的奠基人。Mason對機器人操作分析與規(guī)劃做了開創(chuàng)性貢獻，奠定了現(xiàn)代機器人學的基石。我們也感謝很多學生對本書素材的不同版本提供了大量積極的反饋意見，包括選擇首爾國立大學M2794.0027課程和美國西北大學ME 449課程的學生。Frank特別感謝Seungghyeon Kim、Keunjun Choi、Jisoo Hong、Jinkyu Kim、Youngsuk Hong、Wooyoung Kim、Cheongjae Jang、Taeyoon Lee、Soocheol Noh、Kyumin Park、Seongjae Jeong、Sukho Yoon、Jaewoon Kwen、Jinhyuk Park、Jihoon Song，以及他在加州大學爾灣分校任教時的學生Jim Bobrow和Scott Ploen。Kevin要感謝Matt Elwin、Sherif Mostafa、Nelson Rosa、Jarvis Schultz、Jian Shi、Mikhail Todes、Huan Weng和Zack Woodruff。
我們也要感謝劍橋大學出版社的Susan Parkinson和David Tranah，向他們在本書出版過程（編輯、校正、排版等）中的勤勉、敬業(yè)精神致敬！
最后，也是最重要的，感謝我們的愛人和家人，包括Frank家庭成員中的Hyunmee、Shiyeon和Soonkyu以及Kevin家庭成員中的Yuko、Erin和Patrick，是他們?nèi)淌芪覀兊陌疽购筒唤�人情，并一如既往地支持我們，最終促成了這本書的出版。沒有愛的支持，這本書根本不會存在。我們將這本書獻給他們！

Kevin M. Lynch
美國伊利諾伊州埃文斯頓
Frank C. Park
韓國首爾
2016年11月

聲明：兩位作者對本書具有同等貢獻，作者順序按字母排列。