机器人相关基础知识

机器人简介

下面给出一份机器人方向“从入门到进阶”的极简知识地图，按「数学 → 硬件 → 软件 → 算法 → 应用」五层展开，配合常用开源资源。你可以把它当作“字典”随时查阅。

🔹 1. 数学层（所有算法的地基）

概念	一句话解释	常用库
线性代数	4×4 齐次矩阵 = 旋转+平移一次搞定	Eigen, numpy.linalg
李群/李代数	把“旋转+平移”变成可求导的向量	Sophus, ceres::Lie
概率 & 估计	卡尔曼/粒子滤波 = 带噪声的最优估计	filterpy, robot_localization
最优化	非线性最小二乘 = 把误差平方和压到最小	ceres-solver, g2o

🔹 2. 硬件层（机器人身体）

模块	关键指标	典型器件
处理器	实时性 + 算力	x86（ROS 主站）、STM32/ESP32（底层 MCU）
执行器	力矩、精度、速度	伺服电机（Dynamixel）、无刷直驱、舵机
传感器	频率、噪声、视场	LiDAR（A2/RPlidar）、IMU（MPU9250）、RGB-D（RealSense）
通信	延迟、带宽	CAN-FD、EtherCAT、Wi-Fi、ROS 2 DDS

🔹 3. 软件层（让硬件动起来）

层级	作用	代表工具/框架
底层驱动	电机电流环、IMU采样	HAL库、PlatformIO
中间件	进程通信 + 时钟同步	ROS 2（rclcpp）、DDS
实时系统	微秒级控制	FreeRTOS、Xenomai、PREEMPT_RT
上层应用	SLAM、路径规划、人机交互	ROS Navigation2、MoveIt2、Qt/PyQt

🔹 4. 算法层（让机器人“有脑子”）

任务	算法族	关键词
状态估计	卡尔曼、扩展卡尔曼、UKF、粒子滤波	robot_localization
建图（SLAM）	激光 SLAM：Gmapping、Cartographer	回环检测、图优化
路径规划	全局：A、Dijkstra、RRT	move_base、move_base_flex
运动控制	PID、前馈、MPC	ros2_control、moveit2
机器视觉	目标检测（YOLO）、位姿估计（PnP）	OpenCV、OpenVINO

🔹 5. 应用层（真实落地场景）

场景	技术栈示例
移动机器人	ROS 2 + Cartographer + DWA + RealSense
机械臂	MoveIt2 + OMPL + ros2_control + Dynamixel
无人机	PX4 + MAVROS + VINS-Fusion
AGV/AMR	ROS Navigation2 + LiDAR + SLAM Toolbox

🧪 零基础“1-2-3 步”上手路线

跑通 Hello Robot
买一台 TurtleBot3 / 树莓派小车 → 烧录 Ubuntu + ROS 2 → 键盘遥控移动。
做一个小 SLAM
激光雷达 + slam_toolbox → RViz 实时建图 → 保存 .pgm 地图。
加自主导航
使用 Navigation2 → 设定目标点 → 小车自动避障前往。

📚 常用开源资源速查表

名称	一句话	地址
ROS 2 官方教程	机器人软件事实标准	docs.ros.org
MoveIt2	机械臂运动规划	moveit.ros.org
PX4 开发者指南	无人机固件	docs.px4.io
book《Probabilistic Robotics》	SLAM 圣经	PDF 可搜
课程《Modern Robotics》	李群+运动学	Northwestern 公开课

✅ 一句话总结

机器人 = 数学（矩阵/优化） + 硬件（电机/传感器） + 软件（ROS 2） + 算法（SLAM/规划） 的交叉系统。
先跑通“小车建图 + 导航”这个小闭环，再按上面地图逐层深挖，就能在机器人领域稳步升级。

工业机器人简介

工业机器人（Industrial Robot）= 机械臂 + 控制器 + 示教器 + 现场总线 + 工艺软件
下面按“1 张总览图 + 6 大模块 + 3 条上手路线”给你速通工业机器人的必备基础知识。

🔧 1. 总览图（记住这张图，就能定位任何知识点）

┌────────────┐    ┌────────────┐    ┌────────────┐
│   机械本体 │◄──►│  控制器    │◄──►│ 示教器/PC │
│ (6 轴/SCARA│    │(柜/驱控一体)│    │(TP/UI)    │
└────┬───────┘    └────┬───────┘    └────┬───────┘│                 │                 ││  IO/总线        │  运动指令        │  工艺程序
┌────▼───────┐    ┌────▼───────┐    ┌────▼───────┐
│ 末端执行器│    │ 现场总线  │    │ 工艺算法  │
│(焊枪/吸盘)│    │(EtherCAT)│    │(焊接/码垛)│
└───────────┘    └───────────┘    └───────────┘

📚 2. 六大知识模块

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模块	关键概念	一句话速记
① 机械本体	6 轴串联、SCARA、Delta、协作机器人	“轴数越多，灵活度越高，刚性越低”
② 运动学	正解（笛卡尔→关节）、逆解（关节→笛卡尔）、DH 参数	“FK 易，IK 难”
③ 控制器	实时操作系统、伺服环 1 kHz、轨迹插补、动力学补偿	“控制器=工业机器人的大脑”
④ 示教与编程	示教器（TP）、在线/离线编程、Rapid/TP 语言、G-Code	“先示教，再自动运行”
⑤ 现场通讯	EtherCAT、Profinet、Modbus-TCP、IO-Link	“实时性：EtherCAT < 1 ms”
⑥ 工艺应用	焊接、搬运、喷涂、打磨、码垛、3C 装配	“工艺包 = 机器人+末端+工艺算法”

🧮 3. 必须记住的 5 个公式

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公式	场景
齐次变换 T = [R t; 0 1]	4×4 矩阵一次完成旋转+平移
逆运动学 θ = IK(x,y,z,rx,ry,rz)	把笛卡尔目标变成关节角
雅可比 J = ∂x/∂θ	速度与力映射
轨迹插补 S-curve	平滑启停，减少机械冲击
动力学 τ = M(θ)θ̈ + C(θ,θ̇) + G(θ)	计算关节力矩

🛠️ 4. 主流品牌速览

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品牌	特色	控制器语言
ABB	协作机器人 + RobotStudio 离线	RAPID
FANUC	高可靠性 + iRVision	TP/Karel
KUKA	开放平台 + ROS 驱动	KRL
YASKAWA	高速搬运 + Sigma7 伺服	INFORM
埃斯顿/汇川	国产高性价比	ESTUN/INOVANCE 语言

🚀 5. 三条上手路线（按投入时间）

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路线	0-1 周	1-4 周	1-3 月
📱 仿真路线	RobotStudio / RoboDK 离线	创建虚拟工作站	完整搬运/焊接 demo
🧪 开源机器人	ROS-Industrial + MoveIt + Gazebo	驱动 UR5 虚拟	真实 UR 协作臂
🏭 现场路线	示教器点动 + 简单示教	编写 TP 程序	集成 PLC + 视觉

📦 6. 工具/资源清单

类别	名称	一句话
仿真	RobotStudio, RoboDK, Gazebo	零成本试错
离线编程	ABB RobotStudio, FANUC ROBOGUIDE	真机 1:1 复现
学习资料	《工业机器人技术基础》教材、ABB 官方 eLearning	免费视频
开源驱动	`ros-industrial/universal_robots`, `ros-industrial/fanuc`	即插即用 ROS
证书	ABB IRC5、FANUC CRX 认证	求职加分