微分几何在机器人抓取中的应用(一)

时间:2022-09-25作者:佚名

微分几何基础

微分几何是现代数学领域中的重要分支,在理论探索和实际应用中都是重要学科。大名鼎鼎的高斯、欧拉是微分几何学派的创建者(是否记得多少公式和定理以这两人的名字命名)。20世纪是微分几何发展迅猛的100年,中国的数学家也做出过重要贡献,如陈省身、邱成桐(菲尔兹奖得主)。在计算机领域,微分几何是计算机图形学的基础,逼真酷炫的电脑游戏、电影等,都是在微分几何基础上的产业化。在机器人领域,核心控制系统需要合适的传感器(如相机)获取信息,并理解环境信息,属于计算机视觉的范畴;如需完成复杂动作,如抓取、放置等操作,则需要理解物体的几何信息,需要用几何特征描述来决策机器人要执行的动作。

完成机器人抓取需要如下两个过程:
·识别过程,属于视觉和深度学习的范畴,在此不再赘述。
·获取物体的三维空间描述,微分几何。
三维空间中的物体有哪些特征呢?

曲率

为理解曲率,首先回到二维平面。什么是曲率?简答说来,是几何体的不平坦程度。平面曲线的曲率定义为其密切圆的倒数。采用微分的定义,密切圆在很小的范围内同曲线重合。故平面中的圆所有点曲率一直,为半径的倒数,密切圆为其本身。直线曲率处处为0,因其密切圆半径无穷大。


曲线的密切圆和密切圆半径。曲率为半径的倒数。


三维空间中可用曲率描述曲面。包括两个主曲率、高斯曲率、平局曲率等。点的主曲率是通过此点曲线大和小曲率。高斯曲率为两个曲率之积,平均曲率则是两个主曲率之平均。

一些特殊情况,如负曲率,如马鞍型,常见使用:冷却塔,广州塔。

二次曲线(Conics)和二次曲面(Quadrics)

二次曲线也称圆锥曲线,其在数学上的定位为一个正圆锥面和一个平面的相切形成的曲线。其公司可表述为:


其中A,B,C不得皆等于0。故常见的圆、椭圆、抛物线等皆属于二次曲线。

二次曲面则是三维空间中 zui常见的曲面,其一般公式为:

常见的二次曲面包括:


·椭球(Ellipsoid),形如

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