第一章 概述

  1940年，Asimov在它的科学幻想小说《我是机器人》中，提出了机器人三原则：

（1）机器人不能伤害人类，页面不能坐视不管人类受到伤害

（2）机器人必须服从人类的命令，但不能违背（1）

（3）机器人必须保护自己，但不能违背（1）和（2）

        机器人集合可以定义为它的三个子集之并：

        {机器人}={操作臂}U{海陆空}U{人机共融}

        TBM：就是隧道掘进机

        AGV：自动导航车

        机器人学是物质科学、信息科学和生命科学交叉融合的结果。

        机动性（mobility）和操作性(manipulation)用于衡量机器人实现所要求的的运动功能和作业的能力。

        自主驾驶难题：现代控制理论，如极大值原理、动态规划、卡曼滤波等理论

        SLAM（simultaneous 同时 localization定位 and mapping建图）是机器人在未知环境试下寻位、建图、导航、运动规划的整体流程。

        所谓深度学习，是指机器人模仿人脑构建神经网络，并通过收集信息、建立模型、解释数据，形成机器学习的功能，从而具备识别、分类、推理和预测能力。基于大数据的深度学习在智能驾驶研究中已取得显著进展。

        谷歌公司正与牛津大学的两支人工智能研究小组合作，研制能够思考的类人机器人。研究领域包括：超快量子芯片，以模拟人类大脑；图像识别和语言理解能力；人工智能和机器学习；智能感知和推理；智能交互，以使机器人理解用户的想法和意图等。微软、谷歌、Facebook和苹果等公司都在大力开发人工智能。

        VR：Virtual Reality AR（增强现实）：Augmented（增广的；扩张的） Reality

 第二章 机器人机构

        运动副

运动副分为两类：低副和高副。两连杆之间通过面接触相对运动时，接触面的压强低，称为低副；若连杆之间通过线接触或者点接触相对运动，接触面的压强高，则称为高副。

低副分为六种：

旋转副，移动副，螺旋副，（1DOF）

圆柱副，（2DOF）

平面副和球面副（3DOF）。

串联机器人机构

 

 并联机器人机构

 

 

机器人手爪

夹持性手爪

多关节多指手爪

顺应手爪

 探测车悬架机构

 多足步行机器人机构

RV减速器和谐波减速器 

 

 

 

 位姿描述和齐次变换

        刚体的位置和姿态统称为刚体的位姿，其描述方法较多，如齐次变换方法、矩阵指数方法和四元数方法等。

刚体位姿描述

 

 

 

 坐标系描述 

 坐标变换

1.坐标平移

 2.坐标旋转

 3.一般刚体变换

 齐次坐标和齐次变换

齐次坐标 wiki百科

 

 

 

运动算子

  什么是算子？

        在数学领域里，算子（operator）有别于物理的算符，是一种映射，一个向量空间的元素通过此映射（或模）在另一个向量空间（也有可能是相同的向量空间）中产生另一个元素。

        算子对于线性代数和泛函分析都至关重要，它在纯数学和应用数学的许多其他领域中都有应用。 例如，在经典力学中，导数的使用无处不在，而在量子力学中，可观察量由埃尔米特算子表示。 各种算子可以具有包括线性、连续性和有界性等的重要性质。

平移算子

 旋转算子

 

 变换矩阵的运算

 变换矩阵相乘

相对于固定坐标，使用左乘

变换次序不能随意调换，只有当两变换都是平移变换，或者两变换都是饶同一轴的旋转变换时可以交换次序。

 

 变换矩阵求逆

        变换矩阵求逆：一种是直接对4×4的齐次变换矩阵求逆；另一种是利用齐次变换矩阵特点，简化矩阵求逆运算。

        

 变换方程

        

 欧拉角与RPY角

    绕固定轴x-y-z旋转（RPY角）：RPY角是描述船舶在海中航行时姿态的一种方法。将船的行驶方向取为z轴的方向，则饶z轴的旋转角称为回转（roll），饶y轴旋转称为俯仰（pitch），饶x轴旋转称为偏转（yaw）

z-y-x欧拉角：

旋转变换通式

绕过过原点的单位矢量k旋转θ角

 

等效转轴和等效转角

齐次变换通式

自由矢量变换

位姿的综合

相容性、独立性和完备性

第四章 刚体速度和静力

 微分转动和转动速度

 纯转动的质点速度

旋转矩阵的矩阵指数

 

 

微分运动与运动旋量

        

 运动旋量的螺旋坐标

力旋量

力旋量的伴随变换

 

多指抓取模型

力旋量的螺旋坐标

第五章 操作臂运动学

连杆坐标系

 连杆变换和运动学方程

 SCARA机器人：3个旋转关节，1个移动关节

PUMA560机器人 6个旋转关节：

 PUMA560机器人运动学反解

指数积公式

 

ELBOW机器人（6个旋转关节） 

 运动学方程的自动生成：

        PUMA560机器人利用D-H方法，求出六个连杆变换矩阵，自动生成运动学方程。

D-H方法的缺点是要建立各个连杆坐标系，输入的参数较多。采用指数积公式，利用线矢量表示自动生成运动学方程比较简单直观。

运动学方程自动生成算法：

        

 几种典型的反解子问题：

1.旋转综合问题

2.绕两轴旋转反解问题

 3.规定距离的旋转综合问题 

 运动学的封闭解和解的存在性、唯一性

        大多数工业机器人都满足封闭解的两个充分条件之一（称为Pieper准则）：1.三个相邻关节轴交于一点；2.三个相邻关节轴相互平行。

PUMA和Stanford机器人满足第一个条件，而ASEA和MINIMOVER机器人满足第二个条件。

        腕部位置的反解：

手腕方位的反解

 

 运动学反解的存在性和工作空间：

 驱动空间、关节空间和操作空间

并联机构运动学

结构方程

运动学反解

 位姿正解

操作臂的雅克比矩阵

 

 操作臂的速度雅可比矩阵是J（q）是关节速度矢量到操作速度矢量的线性映射。

矢量积方法

 微分变换法

 逆雅克比矩阵和奇异性

冗余度机器人

对于某一任务，当关节空间的维数大于操作空间的维数，即n>m时，该机器人称为冗余度机器人。当J是满秩的时，零空间的维数称为冗余度。

操作臂动力学

拉格朗日动力学

 

 

 操作臂的拉格朗日方程

 牛顿-欧拉递推动力学方程

 第八章 轨迹生成

三次多项式插值：

过路径点的三次多项式插值： 

高阶多项式插值

 

 笛卡尔空间轨迹规划方法

 

 轨迹的实时生成

第九章 操作臂的轨迹控制

二阶线性系统控制器：

 

 单关节的建模和控制

 

 耦合关系

机器人的力控制

  

 第十一章 运动规划

广义维罗尼图法

 人工势力场法：

 

 第十二章 协调控制

 第十三章 自适应控制

 

 鲁棒是Robust的音译，也就是健壮和强壮的意思。 它也是在异常和危险情况下系统生存的能力。 比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。 所谓“鲁棒性”，也是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。

 第十四章 视觉图像处理

 

 

 第十五章 视觉运动控制