机器人学导论

教材及参考书

主教材：

Richard M. Murray, Zexiang Li, S. Shankar Sastry, A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation, 1st Edition, CRC Press, 1994。

参考书：

1. John J. Craig, Introduction to Robotics, Mechanics and Control, 3rd edition, Addison Wesley Longman, 2006.
2. Lynch, Kevin M. and Frank Chongwoo Park. “Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control.” (2017).
3. 熊有伦主编，机器人学：建模、控制与视觉，华中科技大学出版社，2018.

相关链接：

1. UC Berkeley 的课程主页 。注意其中的 discussion 模块，有助教讲解一些疑难问题的板书。
2. 台大林沛群教授的机器人学网课视频，其中关于旋转矩阵的理解讲解很到位，大家可以参考。不过和本课程（基于矩阵指数的）知识体系不太相符（包括正逆运动学的解法都不太一样），所以到课程后期的帮助可能不那么大了。
3. 善用网络资源，stacksoverflow、stacksexchange上有一些很好的回答，可以帮助大家理解。

课程基本内容与学时安排

理论课：（标粗的主题比较重要）

序号	教学内容	教学要求	学时
1	引言；机器人历史	1. 了解机器人与自动化的发展概况； 2. 了解机器人的应用范围； 3. 了解机器人学的研究方向； 4. 了解工业机器人的设计、控制与编程。	2
2	机器人机构	1. 了解操作臂的坐标形式与外形结构； 2. 了解手腕的传动与结构 3. 了解手爪的型式和机构 4. 了解机器人结构的基本要求 5. 了解工业机器人的示教编程	1
3	刚体的旋转和平移运动描述	1. 掌握刚体变换的定义和性质； 2. 掌握刚体的旋转运动和平移运动描述	1
4	三维空间的刚体运动	1. 掌握刚体运动的齐次变换法 2. 掌握刚体运动的指数坐标方法； 3. 掌握刚体运动的螺旋几何解释；4. 掌握刚体运动的其他参数化方法（如Euler Angles 和Fixed Angles）	3
5	刚体的速度描述	1. 掌握旋转速度描述； 2. 掌握刚体速度的描述； 3. 掌握螺旋运动的速度； 4. 掌握坐标变换。	2
6	机器人操作臂的前向运动学	1. 了解机器人运动学的概念； 2. 掌握机器人前向运动学问题 3. 掌握机器人前向运动学的指数积解法 4. 掌握机器人操作臂的参数化方法、工作空间定义和计算。	2
7	机器人操作臂的逆向运动学	1. 了解逆向运动学的概念； 2. 掌握Padan-Kahan子问题及求解 3. 利用子问题求解逆向运动学问题 4. 逆向运动学问题的一般解法	3
8	机器人的微分运动与雅克比	1. 掌握机器人末端的速度分析； 2. 掌握机器人末端的力分析； 3. 掌握机器人雅克比矩阵的定义与性质； 4. 掌握机器人的奇异性和可操作性。	3
9	机器人的轨迹规划	1. 了解路径的描述和生成的考虑因素； 2. 掌握关节空间的轨迹规划方法（重点：LFPB、Cubic，了解double S和Quintic）； 3. 掌握任务空间的轨迹规划方法； 4. 任务空间轨迹规划的几何问题。	4
10	机器人动力学	1. 拉格朗日方程； 2. 开链操作臂的动力学。主要了解即可，不考试。	3
11	机器人控制基础	1. 介绍computed torque、PD控制。了解即可，作业有仿真，不考试。对于机械臂控制，大四有一门研究生课《非线性与自适应控制》会涉及其内容。	2
12	复习与作业讲解	1. 助教进行作业讲解； 2. 公布课程设计题目。	2

实验：

序号	教学内容	教学要求	学时
1	实验1 工业机器人的示教编程与焊接实验	1. 认知商用工业机器人系统，通过示教器编程完成工业机器人的基本运动； 2. 通过示教再现，完成用机器人焊接小纪念品的实验	2
2	实验2 SCARA/并联机器人/六轴机器人的运动学实验	1. 了解机器人的开放式控制系统 2. 求解SCARA机器人/并联机器人/六轴机器人的前向运动学问题。 3. 通过编程完成SCARA机器人/并联机器人/六轴机器人的运动学控制。	2
3	实验3 正逆运动学实验	1. 利用MATLAB求解六轴机器人的逆运动学问题，并做仿真。 2. （可选）在六轴机器人进行实际验证。	2
4	实验4 机器人运动规划与控制	1. 基于SCARA、并联机器人和六轴机器人之一，完成机器人的基本运动规划，并做仿真； 2. 将上述运动规划应用于所选机器人进行实机实验，分析结果；	2

列进教学大纲但没有讲的部分：

序号	教学内容	教学要求	学时
1	机器人的DH参数	1. 了解DH参数的定义 2. 掌握DH坐标系及参数表的建立 3. 掌握DH参数前向运动学的一般解法； 4. 了解DH参数逆运动学的一般解法	2

授课教师

• 教师：楼云江
  • 会细致推导公式，但有时有现场备课的感觉。
  • 助教人很好，完不成作业可以和助教沟通，态度好的话基本不用担心扣分。但也有同学反映给分较低。最后一节课是作业讲解，选课的同学认真听。
  • PPT 完全截图自港科大李泽湘教授（建议看原版 PDF 课件，比较清晰，在本仓库中有），其中有较多 bug，不确定时是否出错时可以参考教材（上面列出的那本主教材），教材中基本上都是正确的。也欢迎制作课件勘误。
  • 比较重视课程设计，课程设计做得好对于总成绩的帮助很大。
• 实验教师：杜惠
  • 老师人很好，课上做不完不用紧张，重在分析态度认真并且能实现结果。

关于考试

• 可携带一张 A4 纸，所以不用背诵所有公式。
• 计算量较大，对于某些算不出来的矩阵指数，可以先列式，有时间再计算。

学习建议