机器人技术基础.pptx

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1、机器人技术基础机器人技术基础 西安理工大学工程训练中心西安理工大学工程训练中心2008-102008-102走直线精确转弯计算运动距离 内容提要内容提要3 未来的机器人将使目前信息科技革命的贡献相形见绌，机器人市场将超越信息产业，成为全球最大的工业。-卡内基梅隆 机器人工业即将面临着一场爆炸性发展。现在的情形就好比我和我的创业伙伴保罗艾伦在上个世纪70年代计算机工业刚刚起步的时候创立微软公司一样，其影响之深远丝毫不逊于过去30年间个人电脑给我们带来的改变机器人时代正朝我们走来，不远的将来，家家都会有机器人。-比尔盖茨第一节第一节 机器人基本动作机器人基本动作4 未来的机器人将使目前信息科技革命

2、的贡献相形见绌，机器人市场将超越信息产业，成为全球最大的工业。-卡内基梅隆 机器人工业即将面临着一场爆炸性发展。现在的情形就好比我和我的创业伙伴保罗艾伦在上个世纪70年代计算机工业刚刚起步的时候创立微软公司一样，其影响之深远丝毫不逊于过去30年间个人电脑给我们带来的改变机器人时代正朝我们走来，不远的将来，家家都会有机器人。-比尔盖茨第一节第一节 机器人基本动作机器人基本动作5什么是机器人机器人的意义机器人的过去机器人的现在机器人的将来内容提要内容提要6什么是机器人什么是机器人 机器人是机器，但又比一般机器灵活、聪明，有的还具有一定程度的感觉和智能。机器人是一种廉价、高效的“劳动力”，可以代替人

3、在各种环境中工作，外形可以像人，也可以完全不像人，重在其功能，其大规模应用是从工业生产的搬运、喷漆、焊接、装配等方面开始的。机器人是一种高度复杂的自动化装置，综合运用了机械、电子电气、计算机、检测、通信、自动控制、语音和图形图象处理等技术。7什么是机器人什么是机器人源于源于HollywoodHollywood创作创作R2-D2Star Wars3PO8 机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如：l感知能力:获取环境信息和知识的能力 l执行能力:移动和操作物质对象的能力l适应能力:完成不同任务的可编程能力l自主能力:独立或人机协作运行的能力总之:有一定感知、思考能力

4、,能行动的机器。什么是机器人什么是机器人9机器人的分类机器人的分类按代替人的器官分类:操作、移动、视觉机器人；按用途分类：工业、探索、服务、军事、娱乐机器人；按机器智能分类：一般、智能机器人；按移动性分类：固定、轮式、履带、步行机器人；10l机械臂相当于手臂l机械手相当于手指举例操作机器人举例操作机器人六自由度机械手动作演示11 工业机器人是工业生产用自动化装置，能够在工业生产线中自动完成点焊、弧焊、喷漆、切割、装配、搬运、包装、码垛等作业，广泛应用于机械加工、汽车制造、家用电器生产以及钢铁、化工等行业。举例工业机器人举例工业机器人12举例工业机器人举例工业机器人汽车装配13举例移动机器人举例

5、移动机器人轮式：独轮、两轮、三轮、四轮腿式：两足、多足履带躯干1314举例移动机器人举例移动机器人仿人机器人足式机器人水下机器人轮式移动机器人飞行机器人15移动机器人实例移动机器人实例Hilare II演示演示NASAandJPL,NASAandJPL,火星探索火星探索httphttp:/www.laas.fr/matthieu/robots/:/www.laas.fr/matthieu/robots/Sojourner Rover16移动机器人实例移动机器人实例 1997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火

6、星车在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。17举例军用机器人举例军用机器人机器警察机器警察 英国研制的履带式“手推车”（上图）、“土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物。18举例军用机器人举例军用机器人德国的排爆机器人我国沈阳自动化所研制的排爆机器人19举例军用机器人举例军用机器人德国研制的Minebreaker 2000机器人扫雷车 20举例保

7、安机器人举例保安机器人美国研制的MDARS-E型室外保安机器人 MPR-800 MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作。21举例侦察机器人举例侦察机器人 美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成 美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人22举例视觉机器人举例视觉机器人产品检测人脸检测人脸识别物体识别23举例自主机器人举例自主机器人24举例自主机器人举例自主机器人自主直升机演示l目标:研制视觉制导的飞行机器人,其能够全天候利用机载资源自主完成诸如搜救,侦察,勘测等任务http:/www-2.cs.cmu.edu/afs/

8、cs/project/chopper/www/haughton-do.html25举例举例微型飞行机器人微型飞行机器人26举例举例微型飞行机器人微型飞行机器人精工爱普生的全精工爱普生的全球最轻微型飞行球最轻微型飞行机器人机器人FR-FR-27举例举例微操作机器人微操作机器人华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统28举例娱乐机器人举例娱乐机器人机器人足球赛 相扑机器人 29举例娱乐机器人举例娱乐机器人机器狗与机器昆虫日本新能源和产业技术开发组织展出研制的“HRP-2 Promete”30举例类人机器人举例类人机器人富士通公司研制的“HOAP

9、-2”人型机器人各种动作演示；那波利大学和德国航天局共同研制的贾斯丁31什么是机器人机器人的意义机器人的过去机器人的现在机器人的将来内容提要内容提要32机器人的意义机器人的意义机器人到底能干些什么？为什么机器人是人类的梦想？机器人对人类有什么意义？33意义科学研究平台意义科学研究平台各种爬虫动作演示人工智能方面的研究人工生命方面的研究控制论方面的研究系统论方面的研究传感器与感知系统驱动、建模与控制自动化通讯34意义生产生活的助手意义生产生活的助手应用意义：生产、生活、军事、教育节省劳动力搬运机器人、清扫机器人进行极限作业喷漆机器人、空间机器人、海底机器人用于医疗、福利外科手术、智能轮椅与人协调

10、作业机器宠物35意义意义生产生活的助手生产生活的助手4D4D环境驱动环境驱动Dangerous-危况Dirty恶劣Dull-枯燥Difficult-困境 4A4A任务驱动任务驱动Automation-自动化Augmentation-增强Assistance-辅助Autonomous-自主36意义意义生产生活的助手生产生活的助手3I3I需求驱动需求驱动2R2R需求驱动需求驱动Increase product quality-提升产品质量-绝对精度/重复精度Increase efficiency提升可用性-无疲劳/无休假（耐劳）Increase safety-提升安全性-恶劣/危险环境（吃苦）Re

11、duce cost-Reduce cost-降低成本-废品率/库存率/劳动力成本Reduce manufacturing lead timeReduce manufacturing lead time缩短生产周期-小批量/多品种：敏捷制造37什么是机器人机器人的意义机器人的过去机器人的现在机器人的将来内容提要内容提要38机器人的过去机器人的过去 木牛流马传说就是诸葛亮发明的一种自动装置。它可以不用牲畜做动力，而是使用类似弹簧的装置来提供动力，帮助蜀国的军队运送战略物资。木牛流马木牛流马39机器人的过去机器人的过去 十八世纪末制造出了端茶玩偶。它是木质的，发条和弹簧则是用鲸鱼须制成的。它双手捧着

12、茶盘，如果把茶杯放在茶盘上，它便会向前走，把茶端给客人，客人取茶杯时，它会自动停止行走，客人喝完茶把放回茶盘上时，它就又转回原来的地方。端茶玩偶端茶玩偶40机器人的过去机器人的过去19611961第一个美国机器人专利 George C.Devol,No.2,998,237 第一个机器人产品 Joe Engelberger,Unimation(Universal Automation)第一个机器人应用：铸造19621962机器人首次商业化 Unimation,Inc.成立19201920捷克作家卡雷尔卡佩克在科幻剧本罗萨姆的万能机器人中定义了“机器人”41机器人的过去机器人的过去19681968

13、Unimation 的第一笔定单来自通用汽车公司 1966196619721972第一个使用AI的智能移动机器人“Shakey,”Stanford Research Institute,Californiahttp:/www.frc.ri.cmu.edu/hphttp:/www.frc.ri.cmu.edu/hpm/book98/fig.ch2/p027.htmlm/book98/fig.ch2/p027.html19691969机器视觉出现:视觉制导的移动机器人the Stanford Research Institute19701970通用成为第一个使用机器视觉的公司42机器人的过去机器人

14、的过去1973197319791979Stanford小车装配立体视觉，能够从不同角度成像计算机能够测量出路径上障碍物到车体的距离HansMoravecHansMoravechttp:/www.frc.ri.cmu.edu/users/hpm/http:/www.frc.ri.cmu.edu/users/hpm/43机器人的过去机器人的过去19791979IBM进入机器人领域 7535 and 7565 制造系统19831983机器人产业全球化Unimation,Inc.多次易主 Westinghouse Electric/Staubli of Switzerland19781978现代工业机

15、器人应用在通用汽车 The first PUMA(Programmable Universal Machine for Assembly),Unimation44机器人的过去机器人的过去19951995Intuitive Surgical 公司推出外科手术机器人45机器人的过去机器人的过去19971997NASA的探险者登陆火星，并由旅行者将所拍摄的照片发回地球46机器人的过去机器人的过去19971997Honda推出人形机器人P319991999Sony推出机器狗Aibo47机器人的过去机器人的过去20002000Honda推出第二代人形机器人Asimo,Sony推出人形机器人Qiro48什

16、么是机器人机器人的意义机器人的过去机器人的现在机器人的将来内容提要内容提要49机器人的机器人的现在现在当前机器人发展特点与趋势当前机器人发展特点与趋势当前机器人的研究热点机器人的组成50机器人的现在机器人的现在当前机器人发展特点：当前机器人发展特点：多学科交叉中发展与控制学科同步发展与IT技术同步发展51w传感器w控制与规划w电子与电气w计算机与信息处理w通讯w能源w系统工程通讯电池视觉控制优化电机传感器材料Humanoid RobotHumanoid Robot在多学科交叉中发展在多学科交叉中发展机器人的现在机器人的现在52 w非结构复杂环境下的信息综合和处理信息反馈、优化与集成w复杂任务的

17、规划与协调控制系统优化与控制 控制学科以其综合集成和系统优化的优势，必将在智能机器人中发挥主导作用。与控制学科同步发展与控制学科同步发展机器人的现在机器人的现在53 开环控制确定性反馈控制最优控制 随机控制自适应控制 鲁棒控制自学习控制 智能控制机器人的现在机器人的现在控制科学的发展过程控制科学的发展过程 54与与ITIT技术同步发展技术同步发展机器人的现在机器人的现在高性能计算机高速通讯网络高性能电子器件模式识别与信号处理人工智能55机器人的现在机器人的现在例：多移动机器人协调系统例：多移动机器人协调系统56机器人的现在机器人的现在用于制造生产线非结构化环境下规则工作具有简单智能的工业机器人

18、工程、社会服务、人类生活工程、社会服务、人类生活等等各个领域各个领域适应非结构环境下的适应非结构环境下的各种各种灵活需求灵活需求具有综合和集成能力的具有综合和集成能力的智能机器人智能机器人当前机器人发展趋势：当前机器人发展趋势：57机器人的机器人的现在现在当前机器人发展特点与趋势当前机器人的研究热点当前机器人的研究热点机器人的组成58机器人的现在机器人的现在规划移动机器人遥感操作机器人视觉传感服务机器人多机器人协调与协作当前机器人的研究热点：当前机器人的研究热点：59机器人的机器人的现在现在当前机器人发展特点与趋势当前机器人的研究热点机器人的组成机器人的组成60机器人的现在机器人的现在60传感

19、器驱动伺服单元机械本体控制系统能源供给组成组成61机器人的机器人的现在现在三菱装配机器人系统三菱装配机器人系统 62机器人的组成：机器人的组成：机器人的现在机器人的现在传感模块机构模块执行模块控制模块63传感器材料：传感器材料：机器人的现在机器人的现在光敏材料：电荷耦合器件CCD压电材料：气敏电阻：嗅敏仪磁阻材料应变片、热敏电阻 64w位置传感器w速度/加速度传感器w力/力矩传感器w触觉传感器w接近传感器w测距仪w嗅觉传感器w视觉系统w语音识别和语音合成编码器传感器：传感器：机器人的现在机器人的现在65传感器实例：传感器实例：机器人的现在机器人的现在Memic加速度计Sensirion温湿度传

20、感器SSIR红外传感器组热电偶套件66传感器实例：传感器实例：机器人的现在机器人的现在指南针温度探测器QTI 线跟踪套件(红外传感器组)线跟踪模块HM55B 指南针模块67传感器实例：传感器实例：机器人的现在机器人的现在Boe-Bot CMUcam 摄像头柔性力传感器TCS230 颜色传感器教学套件HexCrawler TiltPan S3 (传感器安装套件)68计算机视觉计算机视觉机器人的现在机器人的现在全向视觉全向视觉：也称全维视觉，可将周围环境内360度范围的物体成像并采集进行处理，全维视觉主要依靠全向反广镜来实现全向图像采集；69例：全维视觉系统例：全维视觉系统机器人的现在机器人的现在

21、70双目视觉传感器双目视觉传感器机器人的现在机器人的现在 用两个摄像机得出距离数据通常称为立体测距、用两个摄像机得出距离数据通常称为立体测距、立体视差、或双目视觉；立体视差、或双目视觉；71云台视觉传感器云台视觉传感器机器人的现在机器人的现在 顾名思义就是由旋转云台加视觉摄像头构成的顾名思义就是由旋转云台加视觉摄像头构成的传感器，也叫云台摄像机。传感器，也叫云台摄像机。72激光测距传感器激光测距传感器机器人的现在机器人的现在 通过激光的发射通过激光的发射和返回的检测，得到和返回的检测，得到与目标的距离或灰度与目标的距离或灰度图像，常用的设备有图像，常用的设备有激光雷达，每秒生成激光雷达，每秒生

22、成上百万的像素，测量上百万的像素，测量范围达范围达3030米，精度可米，精度可达毫米级达毫米级.73机器人的组成：机器人的组成：机器人的现在机器人的现在传感模块机构模块执行模块控制模块74机器人的现在机器人的现在框架式机体75机器人的现在机器人的现在底盘式机体76机器人的现在机器人的现在77机器人的现在机器人的现在78机器人的现在机器人的现在79机器人的组成：机器人的组成：机器人的现在机器人的现在传感模块机构模块执行模块控制模块80w电动机伺服电机步进电机直流电机w液压驱动器w气动驱动器w形状记忆金属驱动器w磁致伸缩驱动器驱动器：驱动器：机器人的现在机器人的现在81w轮式驱动（主动轮位置、启动

23、）w履带式驱动：运动平稳、防滑、越障w“足式”驱动（双足、多足）：可观赏性移动方式的选择：移动方式的选择：机器人的现在机器人的现在82w直流减速电机（驱动能力强，适用于多种驱动场合）w舵机（内置控制电路，驱动力弱于直流电机）w步进电机（驱动力很小，主要用于精确的位置控制）电机的种类：电机的种类：机器人的现在机器人的现在83直流减速电机选择：直流减速电机选择：机器人的现在机器人的现在机器人运行速度额定电压额定功率主轴转速减速比84机器人的组成：机器人的组成：机器人的现在机器人的现在传感模块机构模块执行模块控制模块85控制与控制与驱动模块驱动模块机器人的现在机器人的现在86智能机器人慎思反应混合系

24、统框图智能机器人慎思反应混合系统框图机器人的现在机器人的现在执行层伺服电机伺服电机其它执行元件本能控制层本能控制层（反应层反应层）控制单元1控制单元2控制单元n智能控制层智能控制层（慎思层）慎思层）决策单元通讯单元视觉处理单元听觉视觉感感知知层层触觉力觉测距测速社会自社会自然环境然环境87反应型智能机器人演示反应型智能机器人演示机器人的现在机器人的现在宝贝车触须避障表演宝贝车跟踪光源宝贝车循迹步行机器人同步表演88什么是机器人机器人的意义机器人的过去机器人的现在机器人的将来内容提要内容提要89机器人的将来机器人的将来信息处理速度计算机视觉、听觉多机器人协作90多机器人协作的信息流多机器人协作的信息流机器人的现在机器人的现在网络通讯数据维护数据通讯层数据通讯层任务指派路径规划团队配置角色分配决策融合任务规划层任务规划层人机交互人机交互操作者操作者传感控制运动控制层运动控制层机器人机器人驱动与反馈驱动与反馈驱动输出