（限选）机器人学导论

大三·春

（限选）机器人学导论

最近由 Jiao Ziang 于 2026 年 3 月 14 日更新：Migrate to new lecturers schema (#31)

本课程主要采用基于旋量理论（Product of Exponentials / Matrix Exponential）的数学体系，与传统的 DH 参数法体系不同，参考外部资料时请务必注意区分。
考核方式（21 级）：作业 15% + 实验 15% + 课程设计 20% + 期末考试 50%。
考试允许携带一张 A4 纸作为参考资料参加考试，所以不用背诵所有公式。
考试计算量较大，对于某些算不出来的矩阵指数，可以先列式，有时间再计算。

授课教师

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。
杜惠
- 实验课教师。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。

教材与在线资源

A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation（Richard M. Murray, Zexiang Li, S. Shankar Sastry / CRC Press / 1st Edition (1994) / textbook）
Introduction to Robotics, Mechanics and Control（John J. Craig / Addison Wesley Longman / 3rd edition / 参考书）
Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control（Lynch, Kevin M. and Frank Chongwoo Park / 2017 / 参考书）
机器人学：建模、控制与视觉（熊有伦 / 华中科技大学出版社 / 2018 / 参考书）
UC Berkeley EE106A 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：关于旋转矩阵的理解讲解很到位。但请注意：该课程使用 DH 参数体系，与本课程（基于矩阵指数/旋量）的知识体系不太相符，正逆运动学解法不同，后期帮助可能有限。

课程内容

1. 理论教学课程大纲

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。（注：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

2. 实验教学大纲

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/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

3. 列进大纲但未讲授部分

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

资料下载

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