概念機器人學(xué)【robotics】是與機器人設(shè)計、制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)。又稱為機器人技術(shù)或機器人工程學(xué)，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關(guān)系。

機器人學(xué)涉及的科目很多，主要有：

運動學(xué)和動力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動規(guī)劃和應(yīng)用工程等。

二十世紀(jì)六十年代，隨著工業(yè)自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人開始進入大量生產(chǎn)和實際應(yīng)用階段。爾后由于自動裝備海洋開發(fā)空間探索等實際問題的需要，對機器人的智能水平提出了更高的要求。特別是危險環(huán)境，人們難以勝任的場合更迫切需要機器人，從而推動了智能機器人的研究。

機器人學(xué)的研究推動了許多人工智能思想的發(fā)展，有一些技術(shù)可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程。關(guān)于機器人動作規(guī)劃生成和規(guī)劃監(jiān)督執(zhí)行等問題的研究，推動了規(guī)劃方法的發(fā)展。此外由于機器人是一個綜合性的課題，除機械手和步行機構(gòu)外，還要研究機器視覺觸覺聽覺等信感技術(shù)，以及機器人語言和智能控制軟件等?？梢钥闯鲞@是一個設(shè)計精密機械信息傳感技術(shù)人工智能方法智能控制以及生物工程等學(xué)科的綜合技術(shù)。這一課題研究有利于促進各學(xué)科的相互結(jié)合，并大大推動人工智能技術(shù)的發(fā)展。

雖然機器人可以做非常復(fù)雜的，亞毫米級的腦部手術(shù)，比最熟練的外科手術(shù)醫(yī)生還要高明。但是在機器人能否做出一些智能決定方面，還是存在不可逾越的距離。

比如人類可以發(fā)現(xiàn)一片樹林中站著一匹馬，迅速做出反映。但是機器人卻不能這么快。這是機器人學(xué)目前遇到的難題。

斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)

本課程共16集

講師介紹：

講師：Oussama Khatib    學(xué)校：斯坦福

斯坦福大學(xué)教授，其研工作在于標(biāo)定上述系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)特性的理論和技術(shù)，提供系統(tǒng)動作和與環(huán)境交互的能力并滿足實時的要求。研究領(lǐng)域覆蓋的課題包括機器人的自行能力。

課程介紹:

該課程涉及內(nèi)容：機器人運動學(xué)、動力學(xué)、控制、運動規(guī)劃、編程及設(shè)計等。

機器人歷史及機器人的應(yīng)用_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第1集]

主題：課程概要，機器人歷史的視頻，機器人應(yīng)用，相關(guān)的斯坦福機器人課程，講座和閱讀計劃，機械臂運動學(xué)，機械臂動力學(xué)，機械臂控制，機械力臂控，前沿論題

空間描述，廣義坐標(biāo)_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第2集]

主題：空間描述，廣義坐標(biāo)，操作坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)矩陣，旋轉(zhuǎn)矩陣實例，轉(zhuǎn)化，齊次變換實例，操作方法，通用操作方法

東芝公司開發(fā)的柔性致動器_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第3集]

機器人學(xué)導(dǎo)論第三課開始的視頻介紹了東芝公司開發(fā)的柔性致動器，體積小，由氣壓驅(qū)動，可以簡單模仿手腳的運動。接著本課介紹了齊次變換的幾個功能：描述坐標(biāo)系；旋轉(zhuǎn)或平移矢量以及得到某一矢量在另外坐標(biāo)系的描述，即映射。此外，還有作為運算式的齊次變換轉(zhuǎn)換。齊次變換即為已知某個矩陣和多個坐標(biāo)系時，將它們相乘即可。如果已知所有坐標(biāo)系間的關(guān)系，基座也是固定的，于是就可以計算出末端執(zhí)行器的位置，進而得到基座的位置。如果一組變換只有一個是缺失的，就可以通過它與其它坐標(biāo)系的關(guān)系確定出來。表達式包括空間的描述和旋轉(zhuǎn)的表述，具體來說就是如何在空間中定位末端執(zhí)行器以及怎樣把它移動到某個位置。最后本課討論了如何運用三個角的表述來表示坐標(biāo)系的變換、奇異性、固定角以及歐拉參數(shù)等問題，并圍繞著這些基本問題討論了歐拉角，旋轉(zhuǎn)等具體實例。

機器人“蜂鳥”_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第4集]

機器人學(xué)第四課主要介紹了如何通過各個連桿和末端執(zhí)行器來控制一個機械手，也就是建立正運動學(xué)。本課首先播放機器人“蜂鳥”的視頻來演示機械臂的快速工作過程，然后實際地利用學(xué)過的坐標(biāo)系變換和描述來分析一個機械手。末端執(zhí)行器通過連桿連接到基座上，連桿之間接有關(guān)節(jié)軸。用DH參數(shù)描述連桿，可以精確地定義坐標(biāo)系。每一個連桿可以附著一個坐標(biāo)系，通過設(shè)置不同的參數(shù)，進行坐標(biāo)變換，最終得到一個可以用在所有坐標(biāo)系中的總的變換，接著就可以建立正運動學(xué)了。

靈長類仿生機器人_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第5集]

機器人學(xué)導(dǎo)論第五課主要介紹了懸臂運動的理論依據(jù)以及一個實際的例子。 首先通過一個短片講解了靈長類仿生機器人和懸臂運動的由來。接著通過講解一個RPRR（轉(zhuǎn)動-移動-轉(zhuǎn)動-轉(zhuǎn)動機制）的例子來告訴同學(xué)們?nèi)绾尉唧w實現(xiàn)上述 運動。課程的后半段，在一個真實的機械臂例子中，教授介紹了找到這個臂的正運動學(xué)的基本步驟，即首先要知道DH參數(shù)并計算與其相關(guān)的變換來得到機器人的變 換，進而找出末端執(zhí)行器處的XYZ，通過關(guān)節(jié)角和移動關(guān)節(jié)的位置得到末端執(zhí)行器的姿態(tài)。

瞬態(tài)運動學(xué)_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第6集]

機器人學(xué)第六課開始播放了關(guān)于鏈?zhǔn)綑C器人Polypod的視頻片段，它們是可重構(gòu)及模塊化的，由連接桿和關(guān)節(jié)點組成。它可以通過伸長和縮回模式實現(xiàn)一系列復(fù)雜的諸如搬運和轉(zhuǎn)彎的步態(tài)和運動。接下來教授開始運用之前講過的雅可比矩陣來分析瞬態(tài)運動學(xué)：定位末端執(zhí)行器，在坐標(biāo)系中描述其位置和姿態(tài)。雅可比矩陣的模型在建立運動學(xué)的過程中非常重要。用一個簡單的有兩個自由度的例子可以說明上述的討論過程。接著教授講述了另一個例子：斯坦福沙因曼機械臂是如何伸展的，通過微分運算求得關(guān)于位置和姿態(tài)的雅可比矩陣，從而得到機器人的線速度和角速度。接著討論了物體繞某一固定軸轉(zhuǎn)動的時候，距離軸的遠近與其速度之間的關(guān)系。最后教授講述了如何進行速度的傳遞：選擇一個坐標(biāo)系，從一個連桿傳遞到下一個，直到達到最后的速度，這樣就可以得到總速度的雅可比矩陣。此過程包含線速度和角速度。然后通過一個小例子讓學(xué)生理解速度的傳遞過程。

雅可比矩陣顯式_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第7集]

機器人學(xué)第七課開始的視頻片段介紹了東芝公司發(fā)明的會打排球的機器人，用日常用語指令就可以讓它進行擊球，撿球等一系列動作，還能與人握手，人機友好做得十分出色。接著回到課堂上雅可比矩陣的理論部分，討論了移動、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的線速度、角速度對末端執(zhí)行器的影響。得出了線速度和角速度，就可以提煉出雅可比矩陣，得到一個通式，然后運用到具體的坐標(biāo)系中，最后通過變換，將其變換的坐標(biāo)系0中。接著教授開始討論如何把上面的理論運用到具體的例子當(dāng)中，即找出斯坦福沙因曼機械臂的雅可比矩陣。建立好坐標(biāo)系后，就可以一次性計算正運動學(xué)和雅可比公式了。最后的三分鐘教授補充了關(guān)于運動學(xué)奇異點的問題。

沙因曼機械臂_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第8集]

機器人學(xué)第八課首先播放了一個關(guān)于平行停車的視頻片段。駕駛員想停車時，啟動自動停車模式，離開車，車輛就可以自動?？康街付ㄎ恢谩．?dāng)需要取車時，汽車可以自動開出來，并準(zhǔn)備好手動駕駛模式。接下來教授展示了斯坦福沙因曼的機械臂，說明了之前課上講到的各個關(guān)節(jié)是如何移動的?；氐秸n堂，教授講解了運動學(xué)奇異點的定義以及如何計算。讓雅可比矩陣的行列式為0，就可以得到奇異構(gòu)型。接下來教授舉了一個簡單的例子：如何得到雅可比矩陣，如何得到運動學(xué)奇異點，并在機器人PUMA上演示了同樣的問題。通常的機器人問題超出了二維平面，因此雅可比矩陣可能不是方陣，接下來就討論了這樣的情況?？梢酝ㄟ^消去某些行得到約化的矩陣（方陣）進行分析，得到奇異值。接著教授繼續(xù)講解斯坦福沙因曼的性質(zhì)，關(guān)節(jié)5。然后解釋了一下關(guān)于最后一個坐標(biāo)系的一些疑問，有關(guān)末端執(zhí)行器的雅可比矩陣。要注意不同的坐標(biāo)系中，叉積算子需要進行轉(zhuǎn)換，不要弄錯。最后教授舉了一個腕關(guān)節(jié)點計算雅可比矩陣的例子。 雅可比矩陣不僅用來分析速度，也可控制機器人。教授詳細講述了這一過程。課程的最后討論了靜力的問題（包含虛功原理和一個實例）。

客座講座：立體視覺--斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第9集]

本課主要講述了在機器人領(lǐng)域內(nèi)的感知和傳感方面的知識。在理論方面，首先介紹了計算機立體幾何的一些基本概念，接著講到特征檢測和特征匹配的問題并以SIFT特征為例講述了該問題基本步驟，最后詳細介紹了運動跟蹤和視覺反饋的有關(guān)知識。同時，在機器人應(yīng)用方面，著重介紹了障礙物檢測，物體定位，物體識別，三維地圖映射，圖像配準(zhǔn)，機器人操控物體等鄰域的知識，主要是從應(yīng)用場景入手，重點演示了當(dāng)前算法得到的一些好的結(jié)果，并提出一些未來的方向。

客座講座：軌跡生成_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第10集]

機器人學(xué)第10課是由客座教授Krasimir Kolarov來上的，主要的內(nèi)容是軌跡的生成。教授首先介紹了基本的問題：為機械手設(shè)計一個移動的方案。然后討論了在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中的軌跡規(guī)劃問題，并用一些例子說明設(shè)計中的難點。實際情況中，需要用三次或更高階多項式來建模運動的軌跡，只要根據(jù)條件求解出相應(yīng)的未知數(shù)即可。接著教授講到了用直線運動（帶有拋物線過渡）建模的情況，并用一個稍微復(fù)雜的情況實際講解了如何利用已知條件來求解運動的各個參數(shù)（時間，速度等）。本課最后討論了一下實時路徑和障礙的問題。

關(guān)節(jié)空間動力學(xué)_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第11集]

機器人學(xué)11課開始的視頻片段介紹了偵查機器人和漫步者機器人。偵查機器人用于探測并傳回數(shù)據(jù)，漫步者機器人用于部署偵查機器人。本課開始講解動力學(xué)然和控制方面的知識。首先學(xué)習(xí)單個剛體的動力學(xué)，然后把不同的動力學(xué)結(jié)合起來，最后考慮整個鉸鏈?zhǔn)蕉囿w系統(tǒng)。為此，就需要研究牛頓-歐拉公式和拉格朗日方程。基于以上的公式，就可以使我們得到鉸鏈體系統(tǒng)的動力學(xué)的顯式形式。接下來教授通過兩個例子進行具體講解，然后逐步將上面的幾個問題細化講解。

拉格朗日方程_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第12集]

機器人學(xué)12課在開始的視頻片段介紹了一種有攀爬能力的空間探測機器人，展示了機器人在地形規(guī)則和不規(guī)則的地方的運動情況。 本節(jié)課的主要內(nèi)容就是完成動力學(xué)部分的講解（動力學(xué)與控制）。首先教授講解了一下拉格朗日方程、運動方程和動能方面的知識。接著來求解多體鉸接系統(tǒng)的動力方程式。在已知D-H參數(shù)的前提下，就可以利用上面講的公式計算質(zhì)量矩陣了。簡單分析了一下質(zhì)量矩陣后，教授通過幾個基本的例子進行具體講解（其中涉及到克里斯托弗爾符號，對重力問題的應(yīng)對方法等）。

控制學(xué)綜述--斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第13集]

機器人學(xué)13課開始播放了一個有關(guān)雜耍機器人的算法，通過與外界環(huán)境的不斷交互，完成復(fù)雜的雜耍運動。 今天的課堂內(nèi)容是有關(guān)機器人的基本控制問題，這主要是通過一個自然系統(tǒng)（即像視頻里那樣的機器人）來分析的；然后分析了PD控制，比例微分控制等控制方法，將其運動到關(guān)節(jié)空間中來控制機器人；最后討論了如何將控制技術(shù)直接運用到機器人任務(wù)中。

PD控制_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第14集]

機器人學(xué)第14課首先分析了制造觸覺傳感器可能遇到的問題，帶著這個問題，教授以視頻的形式給我們介紹了人們利用光學(xué)現(xiàn)象制造出來的觸覺傳感器，詳細介紹了它的工作原理及其擴展產(chǎn)品。接著上節(jié)課的內(nèi)容我們一起繼續(xù)討論一個自由度的問題，講解了其動態(tài)模型，探討并且仿真測試了kp、kv以及質(zhì)量m對閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)頻率、阻尼系數(shù)的影響。然后講解了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的產(chǎn)生原因及消除的方法PI控制。最后介紹了齒輪傳動比給系統(tǒng)帶來的慣量影響。

機械臂控制_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第15集]

在這節(jié)課的開始教授給我們播放了一段非常有意思的視頻《On The Run》，其次著重介紹了兩個自由度連桿的控制原理,詳細分析了其控制方程，闡述了該系統(tǒng)非線性動態(tài)耦合的構(gòu)成及其處理方法。以機械臂為例詳細介紹了面向任務(wù)控制策略，介紹了機械臂在關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間中的能量控制的關(guān)系，重點分析了兩種空間的軌跡規(guī)劃，最后提出了面向任務(wù)控制方案。

順應(yīng)性_斯坦福大學(xué)公開課：機器人學(xué)[第16集]

首先機器人給我們打開了一段視頻，視頻介紹了一些順應(yīng)性控制的實例。在此基礎(chǔ)上引入了順應(yīng)性控制矩陣方程，闡述了力的控制和運動控制結(jié)合的重要性，進一步介紹了順應(yīng)性控制動態(tài)和閉環(huán)方程，通過球體模型詳細介紹了各個方向上的運動和力的控制方法。其次介紹了以人類為中心的機器人學(xué)發(fā)展，闡述了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)、技術(shù)、友好性問題，DM2機器人為例，介紹了機械臂的驅(qū)動器、安全性以及它所面臨的挑戰(zhàn)，以斯坦福大學(xué)的Romeo和Juliet機械臂機器人為例介紹了機器人與人的互動性。之后介紹了人形機器人的結(jié)構(gòu)、控制、任務(wù)/位姿控制動態(tài)模型，以及將人的運動特性應(yīng)用到機器人上的思路，最后介紹了人的生理機能在機器人中的應(yīng)用、約束限制和整體控制。