Keyboard shortcuts

Press ← or → to navigate between chapters

Press S or / to search in the book

Press ? to show this help

Press Esc to hide this help

闭卷回忆卡 · 第二章:运动学

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。

A. 定义卡

A1 · 旋转矩阵与 SO(3)SO(3)

写出旋转矩阵的列是什么、两条代数性质,以及 SO(3)SO(3) 的定义式。

A1 核对

把 9 个方向余弦按列排成 R=[x′y′z′]R=\begin{bmatrix}\boldsymbol x'&\boldsymbol y'&\boldsymbol z'\end{bmatrix},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=I3R^{\mathrm T}R=I_3(等价 R−1=RTR^{-1}=R^{\mathrm T})、行列式 det⁡R=+1\det R=+1(右手系;det⁡=−1\det=-1 是含镜像的左手系,不属于 SO(3)SO(3))。SO(3)={R∈R3×3:RTR=I3, det⁡R=1}SO(3)=\{R\in\mathbb R^{3\times3}:R^{\mathrm T}R=I_3,\ \det R=1\}。(定义 2.2.1、定义 2.2.2)

A2 · 9 量、6 约束、3 独立

写出这本账的三步,并指出它是哪些表示的出发点。

A2 核对

RR 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)

A3 · 旋转矩阵的三重几何身份

同一个 RR 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′\boldsymbol p=R\boldsymbol p');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°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)

A4 · ZYZ 与 RPY 的序列与轴族

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 zz 转 φ\varphi → 绕新 y′y' 转 ϑ\vartheta → 绕新 z′′z'' 转 ψ\psi;三步都绕当前轴 ⇒ 依次右乘 Rz(φ)Ry′(ϑ)Rz′′(ψ)R_z(\varphi)R_{y'}(\vartheta)R_{z''}(\psi),机器人学惯用。RPY(ZYX):绕固定 zz 转 φ\varphi(偏航)→ 绕固定 yy 转 ϑ\vartheta(俯仰)→ 绕固定 xx 转 ψ\psi(滚转);全绕固定轴 ⇒ 依次左乘 Rz(φ)Ry(ϑ)Rx(ψ)R_z(\varphi)R_y(\vartheta)R_x(\psi),航空航海惯用。两者互为左 / 右乘对偶。(2.4.2、2.4.5)

A5 · 角和轴表示与表示不唯一

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\boldsymbol r 与旋转角 ϑ\vartheta(绕 r\boldsymbol r 逆时针为正)共同表示,记 R(ϑ,r)R(\vartheta,\boldsymbol r);共 4 个参数,超出最简的 3 个,故为非最简表示,但 r\boldsymbol r 受 rx2+ry2+rz2=1r_x^2+r_y^2+r_z^2=1 约束,扣掉后独立参数仍为 3。表示不唯一:R(−ϑ,−r)=R(ϑ,r)R(-\vartheta,-\boldsymbol r)=R(\vartheta,\boldsymbol r)——「绕 −r-\boldsymbol r 转 −ϑ-\vartheta」与「绕 r\boldsymbol r 转 ϑ\vartheta」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)

A6 · 齐次坐标与齐次变换矩阵

写出齐次坐标、AA 的分块结构,并说明 AA 还正交吗。

A6 核对

p~=[p1]\tilde{\boldsymbol p}=\begin{bmatrix}\boldsymbol p\\1\end{bmatrix};A10=[R10o100T1]A_1^0=\begin{bmatrix}R_1^0&\boldsymbol o_1^0\\ \boldsymbol 0^{\mathrm T}&1\end{bmatrix},属于特殊欧几里得群 SE(3)=R3×SO(3)SE(3)=\mathbb R^3\times SO(3)。分块职责:左上 3×33\times3 管指向、右上 3×13\times1 管位置、底行占位(当两系原点重合时退化为纯旋转)。AA 不再保持正交性:一般地 A−1≠ATA^{-1}\neq A^{\mathrm T}。(定义 2.7.1)

A7 · DH 参数与“3 常 1 变“

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
aia_i 杆件长度(公垂线长度,沿 xix_i) 恒为常数
did_i 关节距离(oi′o_i' 沿 zi−1z_{i-1} 的坐标) 移动关节时为变量
αi\alpha_i 杆件扭角(zi−1z_{i-1} 与 ziz_i 的夹角,绕 xix_i 逆时针为正) 恒为常数
ϑi\vartheta_i 关节转角(xi−1x_{i-1} 与 xix_i 的夹角,绕 zi−1z_{i-1} 逆时针为正) 转动关节时为变量

3 常 1 变:ai,αia_i,\alpha_i 永远常数;did_i 与 ϑi\vartheta_i 中恰有一个是关节变量 qiq_i,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−1z_{i-1} 沿关节 ii 的轴),Craig《机器人学导论》用改进 DH(ziz_i 沿关节 ii 的轴、次序「先转 α\alpha 后转 ϑ\vartheta」)——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)

A8 · 逆运动学的四难点与存在性判据

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 d6d_6(pw=pe−d6ae\boldsymbol p_w=\boldsymbol p_e-d_6\boldsymbol a_e);② 是否落在工作空间内(容许性条件 ∣c2∣≤1|c_2|\le1、∣c3∣≤1|c_3|\le1、pwx2+pwy2≥d22p_{wx}^2+p_{wy}^2\ge d_2^2 是否满足);③ 是否处在奇点(s5=0s_5=0 时腕 4、6 轴共线、解不唯一甚至无穷多)。(定理 2.12.A)

A9 · 解耦的充分条件与腕心

写出闭式逆解的两个充分条件与腕心公式,并说明 d6d_6 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\boldsymbol p_w=\boldsymbol p_e-d_6\boldsymbol a_e——沿接近向量从末端原点回退 d6d_6(工具长度)即得。d6d_6 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)

B. 结论卡

B1 · 右乘当前轴、左乘固定轴(以及两者为什么互为镜像)

写出两条规则,并说明「先 zz 后 y′y'」与「先 yy 后 zz」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−1R_n^0=R_1^0R_2^1\cdots R_n^{n-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 zz 后 y′y'」与固定轴「先 yy 后 zz」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)(\vartheta_1,\vartheta_2)」=「当前轴按序 (ϑ2,ϑ1)(\vartheta_2,\vartheta_1)」。(原理 2.3.A、原理 2.3.B、例 2.3.C)

B2 · 三个基本旋转的记忆结构

写出一句记忆法,并指出哪一个矩阵的 sin⁡\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][0\ 0\ 1] 型的「钉住」结构,其余 2×22\times2 是平面内的 c,sc,s 旋转块(符号按右手准则)。三条常用关系:Rk(−ϑ)=RkT(ϑ)R_k(-\vartheta)=R_k^{\mathrm T}(\vartheta)。RyR_y 的 sin⁡\sin 项符号与 Rx,RzR_x,R_z 相反(Ry(β)R_y(\beta) 的 (1,3)(1,3) 元为 +sβ+s_\beta、(3,1)(3,1) 元为 −sβ-s_\beta)——这是默写最常翻车的一处,2.2 的默写点专门提示过。

B3 · 27 种组合里为什么只剩 12 种

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 XXXXXX、或 ZXXZXX 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=0s_\vartheta=0(ϑ=0,π\vartheta=0,\pi,进动轴与自转轴重合)时只能确定 φ±ψ\varphi\pm\psi 的和或差;RPY 在 cϑ=0c_\vartheta=0(俯仰 ±90°\pm90°)时只能确定 φ\varphi 与 ψ\psi 的和或差。(2.4.1、定理 2.4.B)

B4 · 为什么反解一律用 Atan2(两条理由)

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⁡\arccos 只在 [0,π][0,\pi] 取值,无法覆盖 (−π,π](-\pi,\pi] 内的完整角度;② 精度不均匀:(arccos⁡x)′=−1/1−x2(\arccos x)'=-1/\sqrt{1-x^2} 在 x→±1x\to\pm1(即 ϑ→0\vartheta\to0 或 π\pi)处无界,微小输入误差被无限放大;而 (arctan⁡x)′=1/(1+x2)∈(0,1](\arctan x)'=1/(1+x^2)\in(0,1] 处处有界且不超过 1。改用双变量 φ=Atan2⁡(y,x)\varphi=\operatorname{Atan2}(y,x),用 x,yx,y 各自的符号判定象限,在 (−π,π](-\pi,\pi] 内唯一确定角度。(原理 2.4.A)

B5 · 齐次链式变换与非正交性

写出连乘公式,并说明「为什么 A−1≠ATA^{-1}\neq A^{\mathrm T}」。

B5 核对

p~0=A10A21⋯Ann−1p~n\tilde{\boldsymbol p}^0=A_1^0A_2^1\cdots A_n^{n-1}\tilde{\boldsymbol p}^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−1T_n^0=A_1^0\cdots A_n^{n-1} 的地基。写 AA 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 4×44\times4 矩阵不再满足 ATA=IA^{\mathrm T}A=I。(原理 2.7.A、2.7.3)

B6 · 接口一致才能连乘

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=T30T63T_6^0=T_3^0T_6^3 可以直接连乘(当 d6=0d_6=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(x3x_3 相差 π/2\pi/2、原点相差 a3a_3),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)

B7 · 标定为什么必须迭代

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\Delta\boldsymbol x=\Phi\Delta\boldsymbol\xi(Φ\Phi 为 m×4nm\times4n 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∗\Delta\boldsymbol\xi=(\Phi^{*\mathrm T}\Phi^*)^{-1}\Phi^{*\mathrm T}\Delta\boldsymbol x^*,量测条件 tm≥4ntm\ge4n(且建议 tm≫4ntm\gg4n 以免 Φ∗TΦ∗\Phi^{*\mathrm T}\Phi^* 病态);③ 修正 + 迭代 ξ′=ξ+Δξ\boldsymbol\xi'=\boldsymbol\xi+\Delta\boldsymbol\xi。为什么迭代:xe=k(ξ)\boldsymbol x_e=k(\boldsymbol\xi) 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\Phi、以及新的偏差 Δx\Delta\boldsymbol x。(标定三步法)

B8 · 工作空间与两种冗余

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)\boldsymbol p_e(\boldsymbol 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<nm&lt;n(关节空间维数超过任务位形空间维数);功能冗余 即便 m=nm=n,特定任务只用 r<mr&lt;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)

C. 公式卡

C1 · 三个基本旋转(默写)

写出 Rx,Ry,RzR_x,R_y,R_z 与负角关系。

C1 核对

Rx(γ)=[1000cγ−sγ0sγcγ],Ry(β)=[cβ0sβ010−sβ0cβ],Rz(α)=[cα−sα0sαcα0001];R_x(\gamma)=\begin{bmatrix}1&amp;0&amp;0\\ 0&amp;c_\gamma&amp;-s_\gamma\\ 0&amp;s_\gamma&amp;c_\gamma\end{bmatrix},\quad R_y(\beta)=\begin{bmatrix}c_\beta&amp;0&amp;s_\beta\\ 0&amp;1&amp;0\\ -s_\beta&amp;0&amp;c_\beta\end{bmatrix},\quad R_z(\alpha)=\begin{bmatrix}c_\alpha&amp;-s_\alpha&amp;0\\ s_\alpha&amp;c_\alpha&amp;0\\ 0&amp;0&amp;1\end{bmatrix}; Rk(−ϑ)=RkT(ϑ),k=x,y,z.R_k(-\vartheta)=R_k^{\mathrm T}(\vartheta),\qquad 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」;RyR_y 的符号是否与另两个相反。

C2 · ZYZ / RPY 的正解与逆解(第一支)

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)\vartheta\in(-\pi/2,\pi/2) 一支)。

C2 核对

ZYZ 正解:R=Rz(φ)Ry′(ϑ)Rz′′(ψ)R=R_z(\varphi)R_{y&#x27;}(\vartheta)R_{z&#x27;&#x27;}(\psi)(第三列 = [cφsϑ, sφsϑ, cϑ]T[c_\varphi s_\vartheta,\ s_\varphi s_\vartheta,\ c_\vartheta]^{\mathrm T})。ZYZ 逆解(第一支,设 sϑ≠0s_\vartheta\ne0): φ=Atan2⁡(r23,r13),ϑ=Atan2⁡ ⁣(r132+r232, r33),ψ=Atan2⁡(r32,−r31);\varphi=\operatorname{Atan2}(r_{23},r_{13}),\quad \vartheta=\operatorname{Atan2}\!\big(\sqrt{r_{13}^2+r_{23}^2},\,r_{33}\big),\quad \psi=\operatorname{Atan2}(r_{32},-r_{31}); 第二支三个宗量整体变号(在 (−π,0)(-\pi,0) 中选 ϑ\vartheta)。 RPY 正解:R=Rz(φ)Ry(ϑ)Rx(ψ)R=R_z(\varphi)R_y(\vartheta)R_x(\psi)。RPY 逆解(ϑ∈(−π/2,π/2)\vartheta\in(-\pi/2,\pi/2)):φ=Atan2⁡(r21,r11)\varphi=\operatorname{Atan2}(r_{21},r_{11})、ϑ=Atan2⁡(−r31,r112+r212)\vartheta=\operatorname{Atan2}(-r_{31},\sqrt{r_{11}^2+r_{21}^2})、ψ=Atan2⁡(r32,r33)\psi=\operatorname{Atan2}(r_{32},r_{33})。 反解策略口诀:挑只含单个角度的元素——先 φ\varphi 后 ϑ\vartheta 再 ψ\psi(ZYZ 用第三列定 φ,ϑ\varphi,\vartheta、第三行定 ψ\psi)。(2.4.4、2.4.5)

C3 · Rodrigues 紧凑形式、指数映射与逆解

写出紧凑形式、两个幂次关系、exp⁡\exp 闭式,以及由 RR 求 (ϑ,r)(\vartheta,\boldsymbol r) 的两式。

C3 核对

紧凑形式:R(ϑ,r)=cϑI+(1−cϑ)rrT+sϑS(r)R(\vartheta,\boldsymbol r)=c_\vartheta I+(1-c_\vartheta)\boldsymbol r\boldsymbol r^{\mathrm T}+s_\vartheta S(\boldsymbol r)。幂次三循环:S2=rrT−IS^2=\boldsymbol r\boldsymbol r^{\mathrm T}-I、S3=−SS^3=-S。指数映射:exp⁡(ϑS)=I+sin⁡ϑ S+(1−cos⁡ϑ)S2\exp(\vartheta S)=I+\sin\vartheta\,S+(1-\cos\vartheta)S^2,即 R(ϑ,r)=exp⁡(ϑS(r))R(\vartheta,\boldsymbol r)=\exp(\vartheta S(\boldsymbol r))。逆解:取迹求角 cos⁡ϑ=r11+r22+r33−12\cos\vartheta=\dfrac{r_{11}+r_{22}+r_{33}-1}{2};取反对称部分求轴 r=12sin⁡ϑ[r32−r23r13−r31r21−r12]\boldsymbol r=\dfrac{1}{2\sin\vartheta}\begin{bmatrix}r_{32}-r_{23}\\ r_{13}-r_{31}\\ r_{21}-r_{12}\end{bmatrix}(sϑ≠0s_\vartheta\neq0)。失效点:ϑ=0\vartheta=0 轴完全任意;ϑ=π\vartheta=\pi 反对称部分为零,须由对称部分 ri2=(rii+1)/2r_i^2=(r_{ii}+1)/2 恢复。(定义 2.5.1、定理 2.5.D–定理 2.5.E)

C4 · 四元数正解 / 逆解 / 逆 / 乘

写出四组公式。

C4 核对

换算与约束:η=cos⁡ϑ2\eta=\cos\frac\vartheta2、ϵ=sin⁡ϑ2r\boldsymbol\epsilon=\sin\frac\vartheta2\boldsymbol r、η2+ϵx2+ϵy2+ϵz2=1\eta^2+\epsilon_x^2+\epsilon_y^2+\epsilon_z^2=1。正解:R=(2η2−1)I+2ϵϵT+2ηS(ϵ)R=(2\eta^2-1)I+2\boldsymbol\epsilon\boldsymbol\epsilon^{\mathrm T}+2\eta S(\boldsymbol\epsilon)。逆解(取 η≥0\eta\ge0):η=12r11+r22+r33+1\eta=\frac12\sqrt{r_{11}+r_{22}+r_{33}+1},ϵi=12sgn⁡(rkj−rjk)rii−rjj−rkk+1\epsilon_i=\frac12\operatorname{sgn}(r_{kj}-r_{jk})\sqrt{r_{ii}-r_{jj}-r_{kk}+1}(i,j,ki,j,k 互异)。逆:Q−1={η,−ϵ}Q^{-1}=\{\eta,-\boldsymbol\epsilon\}(单位四元数的共轭就是逆)。乘:Q1⊗Q2={η1η2−ϵ1Tϵ2, η1ϵ2+η2ϵ1+ϵ1×ϵ2}Q_1\otimes Q_2=\{\eta_1\eta_2-\boldsymbol\epsilon_1^{\mathrm T}\boldsymbol\epsilon_2,\ \eta_1\boldsymbol\epsilon_2+\eta_2\boldsymbol\epsilon_1+\boldsymbol\epsilon_1\times\boldsymbol\epsilon_2\}——含叉积项 ⇒ 不可交换。(定义 2.6.1、式 2.33–2.37)

C5 · 齐次变换的逆

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=[R10T−R10To100T1]=[R01−R01o100T1].A_0^1=(A_1^0)^{-1}=\begin{bmatrix}R_1^{0\mathrm T}&amp;-R_1^{0\mathrm T}\boldsymbol o_1^0\\ \boldsymbol 0^{\mathrm T}&amp;1\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}R_0^1&amp;-R_0^1\boldsymbol o_1^0\\ \boldsymbol 0^{\mathrm T}&amp;1\end{bmatrix}.

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=IR^{\mathrm T}R=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 RR——自由向量不吃平移。

C6 · DH 关节变换 Aii−1A_i^{i-1}

默写 4×44\times4 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)=[cϑi−sϑicαisϑisαiaicϑisϑicϑicαi−cϑisαiaisϑi0sαicαidi0001].A_i^{i-1}(q_i)=\begin{bmatrix} c_{\vartheta_i}&amp;-s_{\vartheta_i}c_{\alpha_i}&amp;s_{\vartheta_i}s_{\alpha_i}&amp;a_ic_{\vartheta_i}\\ s_{\vartheta_i}&amp;c_{\vartheta_i}c_{\alpha_i}&amp;-c_{\vartheta_i}s_{\alpha_i}&amp;a_is_{\vartheta_i}\\ 0&amp;s_{\alpha_i}&amp;c_{\alpha_i}&amp;d_i\\ 0&amp;0&amp;0&amp;1\end{bmatrix}.

第 4 列 =(aicϑi, aisϑi, di, 1)T=(a_ic_{\vartheta_i},\ a_is_{\vartheta_i},\ d_i,\ 1)^{\mathrm T}——三个参数的「肉身」:did_i 躺在转轴上原样保留,aia_i 的方向被 ϑi\vartheta_i 旋转。旋转块 = 「绕 zz 转 ϑ⊕\vartheta\oplus 绕 xx 转 α\alpha」的复合。两个退化自检:ai=αi=di=0a_i=\alpha_i=d_i=0 退化为 Rotz(ϑi)\mathrm{Rot}_z(\vartheta_i);ϑi=αi=ai=0\vartheta_i=\alpha_i=a_i=0 退化为 Transz(di)\mathrm{Trans}_z(d_i)。(Aii−1A_i^{i-1}:从建系几何直接读出两步分解)

C7 · 平面臂、拟人臂、球形腕的正运动学(结果默写)

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\boldsymbol p=[a_1c_1+a_2c_{12}+a_3c_{123},\ a_1s_1+a_2s_{12}+a_3s_{123},\ 0]^{\mathrm T},且 z3∥z0z_3\parallel z_0(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\boldsymbol p=[c_1(a_2c_2+a_3c_{23}),\ s_1(a_2c_2+a_3c_{23}),\ a_2s_2+a_3s_{23}]^{\mathrm T}。球形腕:旋转块 R63R_6^3 与 ZYZ 合成矩阵完全一致——(ϑ4,ϑ5,ϑ6)(\vartheta_4,\vartheta_5,\vartheta_6) 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)

C8 · 标定方程与量测条件

写出线性化方程、最小二乘解与量测条件。

C8 核对

Δx=Φ Δξ,Δξ=(Φ∗TΦ∗)−1Φ∗TΔx∗,tm≥4n (宜 tm≫4n).\Delta\boldsymbol x=\Phi\,\Delta\boldsymbol\xi,\qquad \Delta\boldsymbol\xi=(\Phi^{*\mathrm T}\Phi^*)^{-1}\Phi^{*\mathrm T}\Delta\boldsymbol x^*,\qquad tm\ge4n\ (\text{宜}\ tm\gg4n).

Φ\Phi 是 m×4nm\times4n 的运动学标定矩阵(参数空间到操作空间的雅可比);tmtm 是一组位姿量测给出的方程总数,4n4n 是未知数个数;(Φ∗TΦ∗)−1Φ∗T(\Phi^{*\mathrm T}\Phi^*)^{-1}\Phi^{*\mathrm T} 即 Φ∗\Phi^* 的左广义逆。追一句读数:量测位姿过于集中 ⇒ Φ∗TΦ∗\Phi^{*\mathrm T}\Phi^* 接近奇异 ⇒ 必须铺满工作空间并留余量。(标定三步法)

D. 陷阱卡(先指出错在哪,再给正确说法)

D1 · 「zi−1z_{i-1} 就是 [0,0,1]T[0,0,1]^{\mathrm T}」

D1 核对

错。 zi−1z_{i-1} 表示在基坐标系下,只有 z0z_0 才是 [0,0,1]T[0,0,1]^{\mathrm T};表示在它自己的坐标系下才是 [0,0,1][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−1z_{i-1}=R_{i-1}(即 Ti−10T_{i-1}^0 左上 3×33\times3 块)的第三列,随位形变化。连带提醒:pi−1p_{i-1} 是 Ti−10T_{i-1}^0 第四列前三行、pep_e 是 Tn0T_n^0 第四列前三行——所需量全部来自正运动学。(3.1.3)

D2 · 「det⁡R\det R 取 ±1\pm1 无所谓」

D2 核对

错。 det⁡R=−1\det R=-1 是左手系(含镜像翻转),不属于 SO(3)SO(3),用它算出来的是「照镜子」的假姿态。理由:正交性只给出 (det⁡R)2=1(\det R)^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⁡\det 是元素的连续函数、途中不可能从 +1+1 跳到 −1-1,故右手系必为 det⁡R=+1\det R=+1。(2.2.1)

D3 · 「ATA^{\mathrm T} 就是 AA 的逆」

D3 核对

错。 正交性只在旋转块内成立(原书式 2.46 明确 A−1≠ATA^{-1}\neq A^{\mathrm T})。正确做法:按分块公式装配——旋转块取转置、平移块 −RTo-R^{\mathrm T}\boldsymbol o。顺手的误读:把 o10\boldsymbol o_1^0 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 · 「角度集合 ϕ=[φ ϑ ψ]T\boldsymbol\phi=[\varphi\ \vartheta\ \psi]^{\mathrm T} 是向量,可以相加」

D4 核对

错。 角度集合只是打包记号——旋转不满足交换律(R1R2≠R2R1R_1R_2\neq R_2R_1),所以它没有向量加法:ϕ1+ϕ2\boldsymbol\phi_1+\boldsymbol\phi_2 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 · 「arccos⁡\arccos 反解角度最省事」

D5 核对

省事但不准。 两个问题:不唯一(值域只有 [0,π][0,\pi])、精度均匀性最差(导数 1/1−x21/\sqrt{1-x^2} 在 x→±1x\to\pm1 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](-\pi,\pi] 内唯一。量级感:数值实验里 ∣sin⁡ϑ∣≤10−2|\sin\vartheta|\le10^{-2} 的组别,偏差会被放大 10510^5 倍——这不是「多算几位」能解决的。(原理 2.4.A)

D6 · 「四元数 QQ 与 −Q-Q 是漏了一个解」

D6 核对

错,它们表示同一旋转。 双重覆盖来自 ϑ∼ϑ+2π\vartheta\sim\vartheta+2\pi:转角多加满一整圈时 η→−η\eta\to-\eta、ϵ→−ϵ\boldsymbol\epsilon\to-\boldsymbol\epsilon,于是同一个物理旋转对应两个四元数。逆解用 η≥0\eta\ge0 约定(ϑ∈[−π,π]\vartheta\in[-\pi,\pi])为每个 RR 选定唯一一个 QQ——「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 · 「解耦矩阵可以拿去做逆解 / 速度控制」

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]=[J110J21J22][q˙aq˙w]\begin{bmatrix}\dot{\boldsymbol p}_w\\ \boldsymbol\omega_e\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}J_{11}&amp;0\\ J_{21}&amp;J_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\dot{\boldsymbol q}_a\\ \dot{\boldsymbol q}_w\end{bmatrix} 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 · 「逆解解不出来就是算法有 bug」

D8 核对

先查三件事再怀疑算法。 ① 是否扣了 d6d_6:pw=pe−d6ae\boldsymbol p_w=\boldsymbol p_e-d_6\boldsymbol a_e——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|c_2|\le1、∣c3∣≤1|c_3|\le1、pwx2+pwy2≥d22p_{wx}^2+p_{wy}^2\ge d_2^2 一类容许性条件不满足);③ 是否处在奇点:s5=0s_5=0 时腕第 4、6 轴共线、转 ϑ4\vartheta_4 与 ϑ6\vartheta_6 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)

导出到 Anki / CSV

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−1A_i^{i-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。