21|机器人控制:从机械臂到自动驾驶(上)
H 博士 & 袁从德

你好!欢迎来到强化学习的第二十一讲。在前几讲中,我们学习了 DDPG 等适用于连续控制的强化学习算法,而今天我们将花三节课,把这些技术落地到两大核心应用场景:工业领域的机械臂控制与交通领域的自动驾驶。这两者看似场景迥异,却共享“感知 - 决策 - 规划 - 控制”的核心逻辑——机械臂在结构化环境中追求毫米级操作精度,自动驾驶在动态交通中需平衡安全与效率,而强化学习正是打通两者技术壁垒、实现智能化控制的关键纽带。
这节课我们聚焦机械臂,通过本节课的学习,你将能够:
掌握机械臂控制的核心原理:理解正向运动学(从关节角度推导末端位姿)与逆运动学(从目标位姿反求关节配置)的数学逻辑,以及 DDPG 等强化学习算法如何解决力反馈、轨迹优化等实操问题。
一、从机械臂到自动驾驶的介绍
机械臂与自动驾驶虽分属不同应用领域,但在机器人控制技术的发展脉络中,存在着紧密的技术传承与演进关系。这种从机械臂到自动驾驶的跨越,不仅是应用场景的拓展,更是控制技术在复杂性、动态性和智能化程度上的升级。
从技术演进的角度来看,机械臂控制是机器人控制技术的早期探索和实践载体。在工业自动化的需求驱动下,机械臂控制技术率先实现了从简单重复动作到高精度、高可靠性操作的突破。其对运动学、动力学的深入研究,以及对 PID 等经典控制算法的成熟应用,为后续更复杂的机器人控制场景奠定了坚实的理论和技术基础。例如,机械臂逆运动学求解中对冗余自由度的处理方法,为自动驾驶路径规划中多约束条件下的优化问题提供了借鉴思路;基于动力学模型的计算力矩(computed torque)控制策略,其核心思想在自动驾驶车辆动力学控制中也得到了延伸和发展。
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1. 机械臂控制和自动驾驶共享核心逻辑,强化学习是实现智能化控制的关键纽带。 2. 机械臂控制技术为后续更复杂的机器人控制场景奠定了理论和技术基础,为自动驾驶路径规划提供了借鉴思路。 3. 机械臂的传感器融合技术为自动驾驶中多传感器融合感知提供了技术参考。 4. 机械臂控制的核心目标是使机械臂的末端执行器能够按照期望的轨迹运动,并实现精确的定位和力控制。 5. 强化学习可助力机械臂在与环境交互时动态调整动作以优化性能,特别适用于力反馈的操作任务. 6. 模拟训练与真实训练是机械臂强化学习训练的两种方式,各有优劣,但迁移学习成为缓解两者矛盾的核心技术手段. 7. 在机械臂强化学习中,奖励函数是引导模型学习的核心,稀疏奖励和稠密奖励是两种主要类型,各有局限. 8. 强化学习算法原理与应用场景,包括DQN、PPO、DDPG和SAC等,构建完整的算法知识框架. 9. Reacher机械臂模拟器的环境组成和连续控制任务中DDPG算法的选择对于实现最佳性能至关重要. 10. 策略网络(Actor)和价值网络(Critic)是强化学习中的核心组件,通过稳定性优化机制和经验回放机制实现稳定收敛。
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