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Beihang University

机器人学的现代数学基础

Beihang University via XuetangX

Overview

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“机器人学的现代数学基础”课程是面向机械工程类等硕、博士研究生开设的一门专业核心课,主要讲述李群&李代数、旋量理论等现代数学工具及其在机器人学中的典型应用。涉及到的核心知识点包括:群与李群、微分流形、位移子群与位移子流形、李代数、指数映射与对数映射、伴随变换、典型刚体运动群、运动旋量、力旋量与反旋量,旋量系与反旋量系、运动旋量系与约束旋量系、自由度分析、构型综合、指数积(POE)运动学建模、运动学性能分析与评价、静力学与静刚度分析等,涵盖的对象包括串联机器人、并联机器人和柔性体机器人等。

通过理论学习与项目实践,帮助学生掌握一种有效的现代数学工具,实现对复杂现代机械系统(以机器人为代表)的分析与设计,并为向其在现代机器人控制与导航等技术拓展应用奠定理论基础。



Syllabus

  • 课程简介
    • 第一章 绪论
      • 1.1 机器人发展简史
      • 1.2 机构学发展简史
      • 1.3 数学在机器人研究中的重要作用
      • 1.4 习题
    • 第二章 预备知识
      • 2.1 机器人与数学
      • 2.2 习题
    • 第三章 李群与李子群
      • 3.1 群与李群的定义
      • 3.2 几种典型的群
      • 3.3 群的映射与作用
      • 3.4 李子群及其运算
      • 3.5 SE(3)及其子群
      • 3.6 位移子流形
      • 3.7 应用实例:构造运动链
      • 3.8 习题
    • 第四章 李代数
      • 4.1 李代数的定义
      • 4.2 几种特殊的李代数
      • 4.3 SE(3)在其李代数上的伴随表示
      • 4.4 指数映射
      • 4.5 习题
    • 第五章 李群与刚体运动
      • 5.1 刚体运动与刚体变换
      • 5.2 刚体的位姿描述
      • 5.3 刚体运动的指数坐标
      • 5.4 习题
    • 第六章 旋量
      • 6.1 旋量的定义与运算
      • 6.2 旋量的物理意义
      • 6.3 运动旋量与螺旋运动
      • 6.4 刚体速度的旋量表示
      • 6.5 力旋量
      • 6.6 反旋量
      • 6.7 习题
    • 第七章 旋量系与反旋量系
      • 7.1 旋量系
      • 7.2 反旋量系
      • 7.3 运动旋量系与约束旋量系
      • 7.4 自由度与过约束分析
      • 7.5 少自由度并联机构的构型综合
      • 7.6 习题
    • 第八章 线几何
      • 8.1 线几何
      • 8.2 旋量系与其反旋量系之间的几何关系
      • 8.3 自由度空间与约束空间
      • 8.4 自由度分析的图谱法
      • 8.5 构型综合的图谱法
      • 8.6 习题
    • 第九章 机器人运动学基础
      • 9.1 D-H参数法与串联机器人正向运动学
      • 9.2 串联机器人正向运动学的指数积公式
      • 9.3 串联机器人反向运动学的指数积公式
      • 9.4 串联机器人的速度雅可比矩阵
      • 9.5 基于螺旋运动方程的串联机器人速度雅可比求解
      • 9.6 并联机器人的速度雅可比矩阵求解
      • 9.7 习题
    • 第十章 机器人运动性能分析
      • 10.1 机器人运动学性能概述
      • 10.2 基于雅可比的运动性能分析与评价
      • 10.3 基于运动/力交互特性的性能分析与评价
      • 10.4 习题
    • 第十一章 机器人静力学与静刚度分析
      • 11.1 静力雅可比
      • 11.2 基于旋量理论的空间柔度矩阵建模
      • 11.3 刚性机器人机构的静刚度建模
      • 11.4 柔性机器人机构的静刚度建模
      • 11.5 柔性机器人机构的自由度分析
      • 11.6 习题
    • 期末考试

      Taught by

      Robert and Jinjun Yu

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