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机器人学入门 (刚体空间 - 正/逆运动学 - 轨迹规划) 笔记 0.1 (台大机器人学-林沛群)

backend 2025/5/9 0:37:10

1. 什么是机器人？

2. 为什么从机械手臂开始？

3. 机器人运动的两大面向

4. 课程内容框架

a. 刚体空间描述

b. 正/逆运动学

c. 轨迹规划

5. 课程适合人群

台大公开课链接：機器人學一 (Robotics (1)) - 物體在空間運動之描述 (一) - 第 1 周 | Coursera
视频链接：台大机器人学之运动学——林沛群(2019)_哔哩哔哩
在被台大-李宏毅老师圈粉后（超有趣的深度学习讲解），便顺藤摸瓜找到了台大-林沛群老师的机器人学在线课程
以下是视频课程的详细笔记（后续会持续更新）

作为机器人学系列课程的第一部分，我们将从最基础的机械手臂开始探索这个领域。

1. 什么是机器人？

机器人从问世至今已经发展了几十年，如今我们对机器人的定义已经非常广泛。简单来说，机器人就是一个人造的非生物系统，它可以有实体部分，也可以包含虚拟部分。

早期发展机器人的初衷是为了解决"3D"问题：

Dirty（肮脏的）
Dangerous（危险的）
Dull（枯燥的）

这些人类不愿意从事的工作，我们希望用机器人来替代。而近一二十年，机器人技术蓬勃发展，出现了更多面向的应用，比如：

服务型机器人（老人照护、陪伴）
导览机器人（图书馆、博物馆）
教育娱乐机器人
近年热门的无人驾驶汽车（本质上也是机器人）

可以看到，机器人的范畴不断扩大，涉及的技术也越来越多元，涵盖了机械(ME)、电机(EE)、智能工程等多个领域。

面向通用服务的机器人，会大有需求，有两个逻辑：

老龄化 / 少子化（可参考日本，老人需要照顾）
产业升级 -> 用工成本提高（保姆昂贵，可参考美日）

机器人可大幅度降低人工成本！未来5-10年，高度智能化的机器人可能不到10w元：

2. 为什么从机械手臂开始？

机器人学的核心基础是从机械手臂开始的。这是机器人领域发展最早也最成熟的部分。机械手臂的广泛应用始于工厂自动化，特别是在汽车制造业中：

替代危险的喷漆作业
搬运重型零部件
完成高重复性的组装工作

这些应用场景使得机械手臂的相关知识体系发展得最为完整，因此成为学习机器人学的理想起点

灵巧手技术指导今天还是机器人学的最前沿，是还未被人类征服、通往AGI的高峰

3. 机器人运动的两大面向

机器人与电脑最大的区别在于它能产生实际的运动。我们可以将机器人的运动分为两大类：

操作（类似人类双手的功能）
- 拿起物品
- 按压按钮
- 各种精细动作
移动（类似人类双脚的功能）
- 行走
- 导航
- 环境探索

本课程将重点放在"操作"这一部分，也就是机械手臂的相关知识。

4. 课程内容框架

我们将通过一个日常情境来学习：将一个马克杯从桌面拿起并挂到杯架上。这个过程涉及三个主要知识模块：

a. 刚体空间描述

如何描述物体在空间中的位置和姿态
需要6个参数：3个平移(x,y,z) + 3个旋转
这是操作物体的基础

b. 正/逆运动学

顺(正)运动学：已知各关节状态 (转角) → 求末端执行器的位置姿态 (末端坐标)
（类似已知肌肉如何收缩 → 手末端会到达什么位置）
逆运动学：已知末端执行器目标位置 (末端坐标) → 求各关节需要如何运动 (转角)
（类似已知手末端要到达某位置 → 需要计算肌肉如何收缩）