机器人学导论—机器人相关术语

一 说在前头

最近在学习《机器人学导论》（‘Introduction to ROBOTICS’-JOHN CRAIG）,文章内容为学习过程中的摘抄或者感悟，方便今后查阅。

二 机器人相关术语

1. 位置和位姿（Position and Orientation）

描述在三维空间中物体可以用两个特性来描述：位置和位姿。
为了描述空间物体的位置和位姿，我们一般先在物体上设置一个坐标系（或位姿）。
位置和姿态的组合称为位姿。

2. 操作臂正运动学（Forward Kinematics of Manipulators）

在不考虑引起操作臂运动的力的情况下，运动学研究物体的运动。研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间或者其他变量的高阶微分。
操作臂的研究对象：运动的全部几何和时间特性。
正运动学是一个计算操作臂末端执行器位置和位姿的静态几何问题。

给定一组关节角的值，正运动学问题是计算工具坐标系相对于基坐标系的位置和姿态（也称为从关节空间描述到笛卡尔空间描述的操作臂位置表示）
在笛卡尔空间中，我们用三个变量来描述空间一个点的位置，而用另外三个变量描述物体的姿态，有时成此为任务空间或者操作空间。

Link：连杆——操作臂由刚性连杆组成
Joint：关节——相邻连杆由关节连接起来
Joint angles：关节角——转动关节产生的位移
Sliding (or prismatic) joint：滑动关节（或称移动关节）——两个相邻连杆的相对位移是直线运动
Joint offset：关节偏移量——滑动关节产生的位移
Degrees of freedom(DOF)：自由度——自由度的个数是操作臂中具有独立位置变量的数目，如6DOF即6自由度
End-effector：末端执行器——组成操作臂的运动链的自由端，如机械臂的夹爪
Tool frame：工作坐标系——位于末端执行器上的坐标系
Base frame：基坐标系——位于操作臂固定底座的坐标系
Joint value：关节变量

3. 操作臂逆运动学（Inverse Kinematics of Manipulators）

给定操作臂末端执行器的位置和姿态，计算所有可达到给定位置和姿态的关节角。

4. 速度，静力，奇异点

Jacobian：雅克比矩阵——定义了从关节空间速度向笛卡尔空间速度的映射，进行机构的速度分析
Singularities：奇异点——所有机械装置都有这个问题，当操作臂处于奇异点上时，其中一个或者多个转动关节却失效了，好像只有一个自由度（如机械臂运动到垂直向上时，仅有仰角），这种情况叫机构的局部退化（locally degenerate），由结构奇异点造成（singularity of the mechanism）
Joint torques：关节力矩

5. 动力学（Dynamics）

6. 轨迹生成（Trajectory generation）

7. 操作臂设计与传感器（Manipulator design and sensors）

8. 线性位置控制（Linear position coutrol）和非线性位置控制（Nonlinear position coutrol）
9. 力控制（Force control）

三 符号

1. 大写字母的变量表示矢量或者矩阵，小写字母表示标量。
2. 左下标和左上标表示变量所在的坐标系。 ^AP表示坐标系{A}中的位置矢量，_B^AR是确定坐标系{A}和坐标系{B}相对关系的旋转矩阵。