这页不是摘要,而是一组检索练习。先只看问题,必须开口说或落笔写;「看着熟」不算会。每张卡答完再展开核对。全章共 33 张卡(定义 9 / 结论 8 / 公式 8 / 陷阱 8),一轮约 40 分钟。
用法:遮住答案,在空白纸上写;写完再展开对照。每张卡末尾用三种记号标记自己:✓ 能完整写出 / △ 有关键词但缺条件 / × 完全想不起。下一轮只重做 △ 与 ×。公式卡请手写默写(C 组),不要只在心里过。
写出旋转矩阵的列是什么、两条代数性质,以及 SO(3) 的定义式。
A1 核对
把 9 个方向余弦按列排成 R=[x′y′z′],每一列就是固连系对应轴在参考系中的表示(故又称方向余弦阵)。两条性质:正交性 RTR=I3(等价 R−1=RT)、行列式 detR=+1(右手系;det=−1 是含镜像的左手系,不属于 SO(3))。SO(3)={R∈R3×3:RTR=I3, detR=1}。(定义 2.2.1、定义 2.2.2)
写出这本账的三步,并指出它是哪些表示的出发点。
A2 核对
R 表面 9 个元素;三列模长为 1 给 3 个约束、三列两两垂直再给 3 个约束 ⇒ 一共 6 个约束压掉 6 个自由度,独立参数只剩 3 个。这本账是 ZYZ / RPY 欧拉角(3 参数)、角和轴(4 参数 − 1 约束 = 3)、单位四元数(4 − 1 = 3)以及操作空间取最简表示的共同出发点。(9 个量、6 个约束、3 个独立参数)
同一个 R 有哪三种读法?各配一个工程例子。
A3 核对
① 姿态描述(两坐标系之间的相对指向,列 = 动系轴在参考系中的方向余弦);② 坐标变换(同一点在两系原点重合时坐标之间的关系,p=Rp′);③ 旋转算子(同一坐标系内把向量转到新方向的算子)。例:报工具相对法兰的朝向 / 把相机系坐标搬到基座系 / 把刀尖向量绕刀轴转 30°。注意 例 2.1 与 例 2.2 形式完全相同而语义不同——读公式先问「同一点还是同一个系」。(定理 2.2.B)
分别写出两种欧拉角的旋转序列、各绕哪一族轴、乘法的方向。
A4 核对
ZYZ:绕参考系 z 转 φ → 绕新 y′ 转 ϑ → 绕新 z′′ 转 ψ;三步都绕当前轴 ⇒ 依次右乘 Rz(φ)Ry′(ϑ)Rz′′(ψ),机器人学惯用。RPY(ZYX):绕固定 z 转 φ(偏航)→ 绕固定 y 转 ϑ(俯仰)→ 绕固定 x 转 ψ(滚转);全绕固定轴 ⇒ 依次左乘 Rz(φ)Ry(ϑ)Rx(ψ),航空航海惯用。两者互为左 / 右乘对偶。(2.4.2、2.4.5)
写出四参数表示、单位约束与不唯一性。
A5 核对
任一旋转由旋转轴的单位向量 r 与旋转角 ϑ(绕 r 逆时针为正)共同表示,记 R(ϑ,r);共 4 个参数,超出最简的 3 个,故为非最简表示,但 r 受 rx2+ry2+rz2=1 约束,扣掉后独立参数仍为 3。表示不唯一:R(−ϑ,−r)=R(ϑ,r)——「绕 −r 转 −ϑ」与「绕 r 转 ϑ」是同一旋转,两组参数都留在表示里、无人裁决。(定义 2.5.1、定理 2.5.A)
写出齐次坐标、A 的分块结构,并说明 A 还正交吗。
A6 核对
p~=[p1];A10=[R100To101],属于特殊欧几里得群 SE(3)=R3×SO(3)。分块职责:左上 3×3 管指向、右上 3×1 管位置、底行占位(当两系原点重合时退化为纯旋转)。A 不再保持正交性:一般地 A−1=AT。(定义 2.7.1)
写出四个参数的几何含义、哪些恒为常数、变量怎么定。
A7 核对
| 参数 |
含义 |
属性 |
| ai |
杆件长度(公垂线长度,沿 xi) |
恒为常数 |
| di |
关节距离(oi′ 沿 zi−1 的坐标) |
移动关节时为变量 |
| αi |
杆件扭角(zi−1 与 zi 的夹角,绕 xi 逆时针为正) |
恒为常数 |
| ϑi |
关节转角(xi−1 与 xi 的夹角,绕 zi−1 逆时针为正) |
转动关节时为变量 |
3 常 1 变:ai,αi 永远常数;di 与 ϑi 中恰有一个是关节变量 qi,由关节类型决定。相邻坐标系本来需要 6 个量,DH 建系规则把它压到 4 个。注意约定不止一种:本编与原书用标准(经典)DH(zi−1 沿关节 i 的轴),Craig《机器人学导论》用改进 DH(zi 沿关节 i 的轴、次序「先转 α 后转 ϑ」)——两套各自自洽、混用必错;读文献遇 DH 表对不上时,先查约定再怀疑自己(勘误 E2.4)。(定义 2.8.3)
写出四条难点,并给出解存在的判据。
A8 核对
① 非线性(三角函数的复合,闭合形式解未必存在);② 多重解(同一末端位姿可对应多组关节变量;无穷位限的 6 自由度机械手可多达 16 组解);③ 无穷多解(运动学冗余);④ 可能无解(位姿超出可达 / 灵活工作空间)。存在性判据:位姿落在灵活工作空间内,解就必然存在。解法版图:正运动学不管什么臂都能算,逆运动学没有通用解析法,只能针对特殊构型。解不出来先查三件事:① 是否扣了 d6(pw=pe−d6ae);② 是否落在工作空间内(容许性条件 ∣c2∣≤1、∣c3∣≤1、pwx2+pwy2≥d22 是否满足);③ 是否处在奇点(s5=0 时腕 4、6 轴共线、解不唯一甚至无穷多)。(定理 2.12.A)
写出闭式逆解的两个充分条件与腕心公式,并说明 d6 的角色。
A9 核对
6 自由度结构具有闭合形式逆解的充分条件(满足其一):① 三个连续转动关节的轴交于一点(球形腕);② 三个连续转动关节的轴平行。解耦点:腕心 pw=pe−d6ae——沿接近向量从末端原点回退 d6(工具长度)即得。d6 的角色:它是腕心到末端原点的「外移长度」,不扣掉它就分不清解出的是腕心的角还是工具端的角。(定理 2.12.B、解耦五步)
写出两条规则,并说明「先 z 后 y′」与「先 y 后 z」的关系。
B1 核对
绕当前轴(每次绕上一个旋转产生的新坐标系)⇒ 按发生顺序依次右乘:Rn0=R10R21⋯Rnn−1;绕固定轴 ⇒ 依次左乘(前乘),先转的落在右边。两条规则的时序互为镜像:当前轴「先 z 后 y′」与固定轴「先 y 后 z」给出同一个终态,且乘积写出来完全相同。所以「固定轴按序 (ϑ1,ϑ2)」=「当前轴按序 (ϑ2,ϑ1)」。(原理 2.3.A、原理 2.3.B、例 2.3.C)
写出一句记忆法,并指出哪一个矩阵的 sin 项符号与另两个不同。
B2 核对
绕谁转,谁那一行 / 列就是 [0 0 1] 型的「钉住」结构,其余 2×2 是平面内的 c,s 旋转块(符号按右手准则)。三条常用关系:Rk(−ϑ)=RkT(ϑ)。Ry 的 sin 项符号与 Rx,Rz 相反(Ry(β) 的 (1,3) 元为 +sβ、(3,1) 元为 −sβ)——这是默写最常翻车的一处,2.2 的默写点专门提示过。
说明取舍机制,并指出 ZYZ 与 RPY 的奇点各在什么条件。
B3 核对
三个轴共有 27 种排列,其中只有 12 种可行:若序列中出现「连续绕同一轴」(如 XXX、或 ZXX 里的相邻同轴段),两次同轴旋转可以合并成一次,三个角实际只贡献两个独立转动方向,任意的终态姿态就「转不出来」了。奇点:ZYZ 在 sϑ=0(ϑ=0,π,进动轴与自转轴重合)时只能确定 φ±ψ 的和或差;RPY 在 cϑ=0(俯仰 ±90°)时只能确定 φ 与 ψ 的和或差。(2.4.1、定理 2.4.B)
写出两条理由,并给出两个反函数的导数。
B4 核对
① 不唯一:arccos 只在 [0,π] 取值,无法覆盖 (−π,π] 内的完整角度;② 精度不均匀:(arccosx)′=−1/1−x2 在 x→±1(即 ϑ→0 或 π)处无界,微小输入误差被无限放大;而 (arctanx)′=1/(1+x2)∈(0,1] 处处有界且不超过 1。改用双变量 φ=Atan2(y,x),用 x,y 各自的符号判定象限,在 (−π,π] 内唯一确定角度。(原理 2.4.A)
写出连乘公式,并说明「为什么 A−1=AT」。
B5 核对
p~0=A10A21⋯Ann−1p~n——一串坐标系对应一串矩阵连乘,这正是 DH 正运动学 Tn0=A10⋯Ann−1 的地基。写 A 的逆按分块公式:旋转块取转置、平移块先反向再左乘转置。非正交的根源:正交性只在旋转块内成立,右上角的平移块使整个 4×4 矩阵不再满足 ATA=I。(原理 2.7.A、2.7.3)
举出「接口一致」与「接口不一致」各一例,并说明不一致时怎么办。
B6 核对
接口一致:斯坦福机械手 = 球形臂 ⊕ 球形腕,而两者的坐标系 3 一致,故 T60=T30T63 可以直接连乘(当 d6=0 时位置向量与单一球形臂相同)。接口不一致:带球形腕的拟人臂——拟人臂的系 3 与球腕的系 3 不一致(x3 相差 π/2、原点相差 a3),不能直接连乘。出路两条:插入常值变换把接口对齐,或者整体重建系(原书走的是后一条,参数表第 3、4 行随之改变)。(2.9.6、2.9.7)
写出标定的三步,并说明「一轮线性化」为什么不够。
B7 核对
三步:① 线性化 Δx=ΦΔξ(Φ 为 m×4n 的运动学标定矩阵,即参数空间到操作空间的雅可比);② 超定量测 + 最小二乘 Δξ=(Φ∗TΦ∗)−1Φ∗TΔx∗,量测条件 tm≥4n(且建议 tm≫4n 以免 Φ∗TΦ∗ 病态);③ 修正 + 迭代 ξ′=ξ+Δξ。为什么迭代:xe=k(ξ) 是非线性的,一步线性化只在小偏差假定下成立;每轮都要用新参数同时刷新三样——参数、线性化矩阵 Φ、以及新的偏差 Δx。(标定三步法)
写出两个工作空间的包含关系,以及两种冗余的判据。
B8 核对
可达工作空间(至少能从一个方向到达的点的集合)⊇ 灵活工作空间(能从任意方向到达的点的集合)。可达工作空间是 pe(q) 在关节限位盒子下的像,作为连续函数的像有界、闭合、连通,边界由平面 / 球形 / 环形 / 圆柱形曲面元素拼成;厂商手册的俯视 + 侧视图画的就是它(不含末端执行器)。冗余:本质冗余 m<n(关节空间维数超过任务位形空间维数);功能冗余 即便 m=n,特定任务只用 r<m 个操作分量时也冗余——冗余总是相对任务而言。(定义 2.10.2、定义 2.10.3)
写出 Rx,Ry,Rz 与负角关系。
C1 核对
Rx(γ)=1000cγsγ0−sγcγ,Ry(β)=cβ0−sβ010sβ0cβ,Rz(α)=cαsα0−sαcα0001;
Rk(−ϑ)=RkT(ϑ),k=x,y,z.
约定逆时针方向为正。默写完先自查两件事:被绕的那一行 / 列是否「钉住」;Ry 的符号是否与另两个相反。
写出两种表示的正解乘积顺序与逆解三式(ZYZ 给第一支,RPY 给 ϑ∈(−π/2,π/2) 一支)。
C2 核对
ZYZ 正解:R=Rz(φ)Ry′(ϑ)Rz′′(ψ)(第三列 = [cφsϑ, sφsϑ, cϑ]T)。ZYZ 逆解(第一支,设 sϑ=0):
φ=Atan2(r23,r13),ϑ=Atan2(r132+r232,r33),ψ=Atan2(r32,−r31);
第二支三个宗量整体变号(在 (−π,0) 中选 ϑ)。
RPY 正解:R=Rz(φ)Ry(ϑ)Rx(ψ)。RPY 逆解(ϑ∈(−π/2,π/2)):φ=Atan2(r21,r11)、ϑ=Atan2(−r31,r112+r212)、ψ=Atan2(r32,r33)。
反解策略口诀:挑只含单个角度的元素——先 φ 后 ϑ 再 ψ(ZYZ 用第三列定 φ,ϑ、第三行定 ψ)。(2.4.4、2.4.5)
写出紧凑形式、两个幂次关系、exp 闭式,以及由 R 求 (ϑ,r) 的两式。
C3 核对
紧凑形式:R(ϑ,r)=cϑI+(1−cϑ)rrT+sϑS(r)。幂次三循环:S2=rrT−I、S3=−S。指数映射:exp(ϑS)=I+sinϑS+(1−cosϑ)S2,即 R(ϑ,r)=exp(ϑS(r))。逆解:取迹求角 cosϑ=2r11+r22+r33−1;取反对称部分求轴 r=2sinϑ1r32−r23r13−r31r21−r12(sϑ=0)。失效点:ϑ=0 轴完全任意;ϑ=π 反对称部分为零,须由对称部分 ri2=(rii+1)/2 恢复。(定义 2.5.1、定理 2.5.D–定理 2.5.E)
写出四组公式。
C4 核对
换算与约束:η=cos2ϑ、ϵ=sin2ϑr、η2+ϵx2+ϵy2+ϵz2=1。正解:R=(2η2−1)I+2ϵϵT+2ηS(ϵ)。逆解(取 η≥0):η=21r11+r22+r33+1,ϵi=21sgn(rkj−rjk)rii−rjj−rkk+1(i,j,k 互异)。逆:Q−1={η,−ϵ}(单位四元数的共轭就是逆)。乘:Q1⊗Q2={η1η2−ϵ1Tϵ2, η1ϵ2+η2ϵ1+ϵ1×ϵ2}——含叉积项 ⇒ 不可交换。(定义 2.6.1、式 2.33–2.37)
写出分块公式,并用一句话说明它为什么正确。
C5 核对
A01=(A10)−1=[R10T0T−R10To101]=[R010T−R01o101].
读法:旋转块取转置,平移块先反向、再左乘转置。一句话验证:分块乘一次即得单位阵(左上用 RTR=I,右上两项恰好相消)。边界:方向向量(自由向量)的变换只用左上块 R——自由向量不吃平移。
默写 4×4 矩阵,并指出第 4 列三个元素各对应哪个参数。
C6 核对
Aii−1(qi)=cϑisϑi00−sϑicαicϑicαisαi0sϑisαi−cϑisαicαi0aicϑiaisϑidi1.
第 4 列 =(aicϑi, aisϑi, di, 1)T——三个参数的「肉身」:di 躺在转轴上原样保留,ai 的方向被 ϑi 旋转。旋转块 = 「绕 z 转 ϑ⊕ 绕 x 转 α」的复合。两个退化自检:ai=αi=di=0 退化为 Rotz(ϑi);ϑi=αi=ai=0 退化为 Transz(di)。(Aii−1:从建系几何直接读出两步分解)
各写一行位置部分,并指出球形腕旋转块的特别之处。
C7 核对
三连杆平面臂:p=[a1c1+a2c12+a3c123, a1s1+a2s12+a3s123, 0]T,且 z3∥z0(三个关节只决定末端在平面内的位置)。拟人臂:p=[c1(a2c2+a3c23), s1(a2c2+a3c23), a2s2+a3s23]T。球形腕:旋转块 R63 与 ZYZ 合成矩阵完全一致——(ϑ4,ϑ5,ϑ6) 恰是相对系 3 的 ZYZ 角。这是全章最重要的一次结构观察:正运动学里看出来的东西,直接变成了 2.12.6 的「腕逆解 = ZYZ 反解」。(2.9.1、2.9.4、2.9.5)
写出线性化方程、最小二乘解与量测条件。
C8 核对
Δx=ΦΔξ,Δξ=(Φ∗TΦ∗)−1Φ∗TΔx∗,tm≥4n (宜 tm≫4n).
Φ 是 m×4n 的运动学标定矩阵(参数空间到操作空间的雅可比);tm 是一组位姿量测给出的方程总数,4n 是未知数个数;(Φ∗TΦ∗)−1Φ∗T 即 Φ∗ 的左广义逆。追一句读数:量测位姿过于集中 ⇒ Φ∗TΦ∗ 接近奇异 ⇒ 必须铺满工作空间并留余量。(标定三步法)
D1 核对
错。 zi−1 表示在基坐标系下,只有 z0 才是 [0,0,1]T;表示在它自己的坐标系下才是 [0,0,1],表示在基坐标系下要乘很复杂的旋转矩阵。正确做法:zi−1=Ri−1(即 Ti−10 左上 3×3 块)的第三列,随位形变化。连带提醒:pi−1 是 Ti−10 第四列前三行、pe 是 Tn0 第四列前三行——所需量全部来自正运动学。(3.1.3)
D2 核对
错。 detR=−1 是左手系(含镜像翻转),不属于 SO(3),用它算出来的是「照镜子」的假姿态。理由:正交性只给出 (detR)2=1;而右手系的固连坐标系总可以连续转回与参考系重合,det 是元素的连续函数、途中不可能从 +1 跳到 −1,故右手系必为 detR=+1。(2.2.1)
D3 核对
错。 正交性只在旋转块内成立(原书式 2.46 明确 A−1=AT)。正确做法:按分块公式装配——旋转块取转置、平移块 −RTo。顺手的误读:把 o10 读成「系 0 原点在系 1 中的坐标」(上下标读反)——记住口令「右上块 = 动系原点用固定系的话说」。(2.7.3)
D4 核对
错。 角度集合只是打包记号——旋转不满足交换律(R1R2=R2R1),所以它没有向量加法:ϕ1+ϕ2 不对应任何有意义的姿态合成,也不能线性插值(4.3.3 的旋转矩阵插值问题同源)。正确的合成方式:把每个角写成矩阵(或四元数)再相乘。(2.3 常见错误 1)
D5 核对
省事但不准。 两个问题:不唯一(值域只有 [0,π])、精度均匀性最差(导数 1/1−x2 在 x→±1 处无界)。正确做法:凡反解一律 Atan2(y,x)(第一参数是分子),它用两参数的符号定象限、在 (−π,π] 内唯一。量级感:数值实验里 ∣sinϑ∣≤10−2 的组别,偏差会被放大 105 倍——这不是「多算几位」能解决的。(原理 2.4.A)
D6 核对
错,它们表示同一旋转。 双重覆盖来自 ϑ∼ϑ+2π:转角多加满一整圈时 η→−η、ϵ→−ϵ,于是同一个物理旋转对应两个四元数。逆解用 η≥0 约定(ϑ∈[−π,π])为每个 R 选定唯一一个 Q——「锁定符号」是人为却合法的约定。这与角和轴的表示不唯一(定理 2.5.A)不是一回事:那里的两组参数都留在表示里、无人裁决。(2.6)
D7 核对
错。 奇点解耦(把参考点从末端挪到腕心)得到的下三角矩阵 [p˙wωe]=[J11J210J22][q˙aq˙w] 只保行列式、用于奇点分析:它不再是「关节速度→末端速度」的映射(参考点已经不是末端了)。合法性的来源:运动学奇点是机械结构固有的特性,与坐标系建在哪里无关,所以可以为了简化计算而重选参考系;但做完判断就必须换回末端参考再谈速度传递。(定理 3.3.A 的适用边界)
D8 核对
先查三件事再怀疑算法。 ① 是否扣了 d6:pw=pe−d6ae——手腕偏置没扣,解出来的就是错的关节角;② 是否落在可达 / 灵活工作空间内:超出则方程无解(判据:∣c2∣≤1、∣c3∣≤1、pwx2+pwy2≥d22 一类容许性条件不满足);③ 是否处在奇点:s5=0 时腕第 4、6 轴共线、转 ϑ4 与 ϑ6 效果相同,解不唯一甚至无穷多。正确做法:先用容许性条件筛掉工作空间外的点,再按「肘上 / 肘下 × 肩左 / 肩右」整理多支解,最后做回代验证。(2.12.1、2.12.4)
建卡组与录入:Anki → 新建卡组「ROBOT-第 2 章」(与「ROBOT-全书」并列,勿混入默认卡组);正面放「编号 + 题干」、背面放「核对答案 + 依据([@def-…] / 章节链接)」,纯文本导入用 Tab 分隔正反面、一行一张(本页 33 张按 A1–A9 / B1–B8 / C1–C8 / D1–D8 顺序录入)。
2. 复习节点(1 / 3 / 7 天)与加保险:当天 → 第 1 天(隔天)→ 第 3 天 → 第 7 天,共四轮,每轮只重做标 △ 与 × 的卡;四轮后仍未「✓」的卡抄进 errata.md 的待核实条目单独跟踪。加一道保险:C 组公式卡必须手写默写(尤其 C1 三个基本旋转、C6 的 Aii−1、C7 的三条位置式),写完拍照贴回卡背;建模类卡片(A7 DH 表、C7 三种结构)建议把 DH 表在空白纸上重画一遍。