（限选）机器人学导论
最近由 吴俊达 于 2024 年 12 月 24 日更新：更新参考书、理论课大纲内容；更新教师描述；更新考试说明
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：
- John J. Craig, Introduction to Robotics, Mechanics and Control, 3rd edition, Addison Wesley Longman, 2006.
- Lynch, Kevin M. and Frank Chongwoo Park. “Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control.” (2017).
- 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：
- 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。
- 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。
- 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
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