如何系统地学习机器人

Question

如题所述

Answer 1

作者：郑帆
链接：http://www.zhihu.com/question/22390802/answer/21350061
来源：知乎
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作为在校工科生，只回答问题中关于如何自学机器人方面的问题。

1. 基础知识入门
教材大同小异，推荐常用的两本：
克莱格：机器人学导论 (豆瓣)
蔡自新：机器人学 (豆瓣)

配合教材可以看斯坦福大学的公开课：斯坦福大学公开课：机器人学

以上内容，帮助在脑海中建立机器人学的大概图景和基本概念。当然，不必尽看，实际上认真钻研一套足矣。通常机器人学基础讨论都基于机械臂，需要弄懂的几个问题：机械臂的空间描述和坐标变换；机械臂运动学；机械臂逆运动学；机械臂动力学；轨迹规划；机械臂的控制；其他如机械设计、传感器、图像处理etc。

基础内容中，个人认为最重要的必须掌握的几个概念：
①刚体位姿的坐标描述和变换：机器人模型的基础，于机器人学的重要性犹如英文字母至于英文；
②D-H坐标变换：机械臂建模的重要方法，以简洁的数学语言描述由一连串刚体组成的机械臂；
③雅克比矩阵：机械臂运动学的核心，用于关节速度和末端速度的换算；
④拉格朗日动力学：力和速度加速度之间换算的桥梁。

最重要的工具：数学，尤其是线性代数。

2. 基础动手入门
工科不动手，学过也没有。如果你觉得上述基础内容很枯燥（实际上确实很枯燥），不放自己动手增加趣味性。

软件上，可以使用万能的matlab。实际上，克莱格的《机器人学导论》里就有大量matlab习题，可以参考。当然这里不得不提Perter Corke编写的robotics toolbox for matlab :http://petercorke.com/Robotics_Toolbox.html。

安装这个toolbox之后，你可以在matlab上通过D-H方法建立机器人模型，并避开底层繁琐的矩阵运算，通过简单的函数进行一些运动学计算——不过逆运动学求解经常不收敛，毕竟不涉及底层嘛。更多的细节题主可以自己摸索。贴一个自己开始瞎捣腾时弄的模型图（害羞>.<）：
<img src="https://pic1.zhimg.com/2dd7c44a9d18bd8601ebb3a7c6f8a2e4_b.jpg" data-rawwidth="744" data-rawheight="352" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="744" data-original="https://pic1.zhimg.com/2dd7c44a9d18bd8601ebb3a7c6f8a2e4_r.jpg">
硬件上，个人DIY机器人的话成本是很高的，定位为科教功能的nao机器人（此著名萌货见下图，为什么我要贴这个无关紧要的图因为它实在是太萌了），一台就卖十几万呢。
<img src="https://pic2.zhimg.com/86625bb6615cb19e7a9d9b487301ec29_b.jpg" data-rawwidth="3264" data-rawheight="2448" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="3264" data-original="https://pic2.zhimg.com/86625bb6615cb19e7a9d9b487301ec29_r.jpg">
但是学生党个人DIY相对简陋的机械臂也是可行的。买几个几十块钱的电机，精度虽低，能转起来就行。买几块控制板。如果你电路够牛逼，也可以自行设计电路画电路图送加工然后自行焊接，但总还是买现成的板子方便嘛。对于初级选手，控制板可以选择学生党最常用的单片机，这里我推荐自己捣腾过的开源项目arduino：Arduino - HomePage
<img src="https://pic4.zhimg.com/1acab177ab8c1b12554f37fc43e9ee8b_b.jpg" data-rawwidth="926" data-rawheight="400" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="926" data-original="https://pic4.zhimg.com/1acab177ab8c1b12554f37fc43e9ee8b_r.jpg">（图片来自arduino官网首页）（图片来自arduino官网首页）

arduino的好处是，编程语法简单，只要能理解基础的C语言即可，几乎零入门；编辑器自带很多sample可以参考；编程模板通用性强，很多时候编程只需要在模板上改动设计实现功能的语句即可；作为开源项目，google一下就可找到很多国外强人做的狂拽酷炫的DIY项目，比如：DIY Robotic Hand Controlled by a Glove and Arduino 很多DIY的人愿意将程序公开，可以拿来参考；还有就是，价格不贵。

不管买电机还是控制板，可以求助万能的淘宝。一个简单的机械臂搭起来，几百块钱够了。

贴一张我使用arduino板子和简单电机瞎倒腾的机械臂：
<img src="https://pic3.zhimg.com/6ebe0575e365054c2743eadaefc9837e_b.jpg" data-rawwidth="2000" data-rawheight="3552" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="2000" data-original="https://pic3.zhimg.com/6ebe0575e365054c2743eadaefc9837e_r.jpg">用它在纸上画线，因为精度低，所以直线抖成那副挫样（害羞&gt;.&lt;）。用它在纸上画线，因为精度低，所以直线抖成那副挫样（害羞>.<）。

3. 进阶
进阶就没法在知乎里讲了。首先方向太多，在学习完基础知识以后，你要做什么（工业机械手臂，运动型仿人机器人，etc），你要做哪一块（机械设计，电路，图像处理，控制算法，步态规划etc）。再者，成本太高，你懂的。最后，进阶的机器人DIY没有必要，财力成本高是一回事，更甚的是时间精力成本高。如果不以机器人为专业，那么到1、2阶段，自己玩玩即可。如果有志于从事机器人相关研究或工作，那么在大学里参与相关研究项目即可。