01-机器人学概览与核心概念
机器人学概览与核心概念
1. 机器人是什么
可以把机器人理解为：
能感知环境、能执行动作、能依据规则或策略完成任务的系统。
典型组成包括：
- 本体：机械结构，例如机械臂、底盘、夹爪
- 传感器：摄像头、编码器、力传感器、IMU 等
- 执行器：电机、舵机、液压/气动装置等
- 控制器：单片机、工控机、上位机、算法系统
2. 具身智能是什么
具身智能强调：
智能不是脱离身体和环境单独存在的，而是通过“感知—动作—反馈”闭环，在与环境交互中体现出来。
因此：
- 机器人学更偏机构、运动学、动力学、控制、规划
- 具身智能更偏感知—决策—动作闭环，以及任务层智能
两者不是对立关系，而是上下层关系。
3. 为什么先学运动学
运动学研究“怎么动”，先不考虑力。
机器人里最基本的两个问题是：
正运动学
已知关节变量，求末端位姿：
$$ q \to x $$
逆运动学
已知末端目标位姿，求关节变量：
$$ x \to q $$
这两者是机械臂控制、规划、仿真的基础。
4. 位姿的概念
- 位置（Position）：物体在空间中的平移位置
- 姿态（Orientation）：物体的朝向
- 位姿（Pose）：位置 + 姿态
二维刚体完整位姿有 3 个自由度：
$$ (x, y, \phi) $$
三维刚体完整位姿有 6 个自由度：
$$ (x, y, z, \text{orientation}) $$
其中 orientation 本质上有 3 个独立自由度。
5. 工程中的作用
前面学的理论不是纯数学，而是直接服务于工程：
- 正运动学：已知舵机角度，求机械臂手爪当前在哪
- 逆运动学：已知目标点，求每个关节应该转多少
- 坐标变换：把相机看到的目标点转换到机械臂基座坐标系
- 轨迹规划：让机器人平滑地运动过去，而不是“瞬移”
6. 当前学习地图
目前我已经学到的主线：
- 机器人与具身智能的基本概念
- 坐标系与位姿描述
- 齐次坐标与齐次变换
- 正运动学
- DH 参数
- 逆运动学
- 雅可比矩阵
- 轨迹规划入门