機器人相關基礎知識

機器人簡介

下面給出一份機器人方向“從入門到進階”的極簡知識地圖，按「數學 → 硬件 → 軟件 → 算法 → 應用」五層展開，配合常用開源資源。你可以把它當作“字典”隨時查閱。

🔹 1. 數學層（所有算法的地基）

概念	一句話解釋	常用庫
線性代數	4×4 齊次矩陣 = 旋轉+平移一次搞定	Eigen, numpy.linalg
李群/李代數	把“旋轉+平移”變成可求導的向量	Sophus, ceres::Lie
概率 & 估計	卡爾曼/粒子濾波 = 帶噪聲的最優估計	filterpy, robot_localization
最優化	非線性最小二乘 = 把誤差平方和壓到最小	ceres-solver, g2o

🔹 2. 硬件層（機器人身體）

模塊	關鍵指標	典型器件
處理器	實時性 + 算力	x86（ROS 主站）、STM32/ESP32（底層 MCU）
執行器	力矩、精度、速度	伺服電機（Dynamixel）、無刷直驅、舵機
傳感器	頻率、噪聲、視場	LiDAR（A2/RPlidar）、IMU（MPU9250）、RGB-D（RealSense）
通信	延遲、帶寬	CAN-FD、EtherCAT、Wi-Fi、ROS 2 DDS

🔹 3. 軟件層（讓硬件動起來）

層級	作用	代表工具/框架
底層驅動	電機電流環、IMU采樣	HAL庫、PlatformIO
中間件	進程通信 + 時鐘同步	ROS 2（rclcpp）、DDS
實時系統	微秒級控制	FreeRTOS、Xenomai、PREEMPT_RT
上層應用	SLAM、路徑規劃、人機交互	ROS Navigation2、MoveIt2、Qt/PyQt

🔹 4. 算法層（讓機器人“有腦子”）

任務	算法族	關鍵詞
狀態估計	卡爾曼、擴展卡爾曼、UKF、粒子濾波	robot_localization
建圖（SLAM）	激光 SLAM：Gmapping、Cartographer	回環檢測、圖優化
路徑規劃	全局：A、Dijkstra、RRT	move_base、move_base_flex
運動控制	PID、前饋、MPC	ros2_control、moveit2
機器視覺	目標檢測（YOLO）、位姿估計（PnP）	OpenCV、OpenVINO

🔹 5. 應用層（真實落地場景）

場景	技術棧示例
移動機器人	ROS 2 + Cartographer + DWA + RealSense
機械臂	MoveIt2 + OMPL + ros2_control + Dynamixel
無人機	PX4 + MAVROS + VINS-Fusion
AGV/AMR	ROS Navigation2 + LiDAR + SLAM Toolbox

🧪 零基礎“1-2-3 步”上手路線

跑通 Hello Robot
買一臺 TurtleBot3 / 樹莓派小車 → 燒錄 Ubuntu + ROS 2 → 鍵盤遙控移動。
做一個小 SLAM
激光雷達 + slam_toolbox → RViz 實時建圖 → 保存 .pgm 地圖。
加自主導航
使用 Navigation2 → 設定目標點 → 小車自動避障前往。

📚 常用開源資源速查表

名稱	一句話	地址
ROS 2 官方教程	機器人軟件事實標準	docs.ros.org
MoveIt2	機械臂運動規劃	moveit.ros.org
PX4 開發者指南	無人機固件	docs.px4.io
book《Probabilistic Robotics》	SLAM 圣經	PDF 可搜
課程《Modern Robotics》	李群+運動學	Northwestern 公開課

? 一句話總結

機器人 = 數學（矩陣/優化） + 硬件（電機/傳感器） + 軟件（ROS 2） + 算法（SLAM/規劃） 的交叉系統。
先跑通“小車建圖 + 導航”這個小閉環，再按上面地圖逐層深挖，就能在機器人領域穩步升級。

工業機器人簡介

工業機器人（Industrial Robot）= 機械臂 + 控制器 + 示教器 + 現場總線 + 工藝軟件
下面按“1 張總覽圖 + 6 大模塊 + 3 條上手路線”給你速通工業機器人的必備基礎知識。

🔧 1. 總覽圖（記住這張圖，就能定位任何知識點）

┌────────────┐    ┌────────────┐    ┌────────────┐
│   機械本體 │?──?│  控制器    │?──?│ 示教器/PC │
│ (6 軸/SCARA│    │(柜/驅控一體)│    │(TP/UI)    │
└────┬───────┘    └────┬───────┘    └────┬───────┘│                 │                 ││  IO/總線        │  運動指令        │  工藝程序
┌────▼───────┐    ┌────▼───────┐    ┌────▼───────┐
│ 末端執行器│    │ 現場總線  │    │ 工藝算法  │
│(焊槍/吸盤)│    │(EtherCAT)│    │(焊接/碼垛)│
└───────────┘    └───────────┘    └───────────┘

📚 2. 六大知識模塊

表格

復制

模塊	關鍵概念	一句話速記
① 機械本體	6 軸串聯、SCARA、Delta、協作機器人	“軸數越多，靈活度越高，剛性越低”
② 運動學	正解（笛卡爾→關節）、逆解（關節→笛卡爾）、DH 參數	“FK 易，IK 難”
③ 控制器	實時操作系統、伺服環 1 kHz、軌跡插補、動力學補償	“控制器=工業機器人的大腦”
④ 示教與編程	示教器（TP）、在線/離線編程、Rapid/TP 語言、G-Code	“先示教，再自動運行”
⑤ 現場通訊	EtherCAT、Profinet、Modbus-TCP、IO-Link	“實時性：EtherCAT < 1 ms”
⑥ 工藝應用	焊接、搬運、噴涂、打磨、碼垛、3C 裝配	“工藝包 = 機器人+末端+工藝算法”

🧮 3. 必須記住的 5 個公式

表格

復制

公式	場景
齊次變換 T = [R t; 0 1]	4×4 矩陣一次完成旋轉+平移
逆運動學 θ = IK(x,y,z,rx,ry,rz)	把笛卡爾目標變成關節角
雅可比 J = ?x/?θ	速度與力映射
軌跡插補 S-curve	平滑啟停，減少機械沖擊
動力學 τ = M(θ)θ? + C(θ,θ?) + G(θ)	計算關節力矩

🛠? 4. 主流品牌速覽

表格

復制

品牌	特色	控制器語言
ABB	協作機器人 + RobotStudio 離線	RAPID
FANUC	高可靠性 + iRVision	TP/Karel
KUKA	開放平臺 + ROS 驅動	KRL
YASKAWA	高速搬運 + Sigma7 伺服	INFORM
埃斯頓/匯川	國產高性價比	ESTUN/INOVANCE 語言

🚀 5. 三條上手路線（按投入時間）

表格

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路線	0-1 周	1-4 周	1-3 月
📱 仿真路線	RobotStudio / RoboDK 離線	創建虛擬工作站	完整搬運/焊接 demo
🧪 開源機器人	ROS-Industrial + MoveIt + Gazebo	驅動 UR5 虛擬	真實 UR 協作臂
🏭 現場路線	示教器點動 + 簡單示教	編寫 TP 程序	集成 PLC + 視覺

📦 6. 工具/資源清單

類別	名稱	一句話
仿真	RobotStudio, RoboDK, Gazebo	零成本試錯
離線編程	ABB RobotStudio, FANUC ROBOGUIDE	真機 1:1 復現
學習資料	《工業機器人技術基礎》教材、ABB 官方 eLearning	免費視頻
開源驅動	`ros-industrial/universal_robots`,?`ros-industrial/fanuc`	即插即用 ROS
證書	ABB IRC5、FANUC CRX 認證	求職加分