让机器人动起来

第一章让智能机器人动起来课程名称：智能机器人（选修课）班级：计算机专业2002级1-4班地点：20幢智能机器人实验室上课时间：2003-3班：周五上午4-5节（10:30-12:00)2003-4班：周五下午8-9节(15:40-17:10)授课方式:边讲课边实验、提问及课程设计主讲人：金永贤教学重点机器人基本概念智能机器人ASU-II的连接与检测1.1什么是机器人机器人一词不仅会在科幻小说、动画片里看到和听到，有时也会在电视上看到在工厂进行作业的机器人，在实际中也有机会看到机器人的展示。今天，说不定机器人就在我们身边，但这里我们要讨论的是什么是机器人学研究的机器人。机器人（robot）一词来源于1920年捷克作家雷尔·查培克(KapelCapek)所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚拟的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚拟的机器人加以区别，称其为工业机器人。1.1什么是机器人工业机器人的兴起促进了大学及研究所展开机器人的研究。随着计算机的普及，又积极地开展了带有智能的机器人的研究。到70年代，机器人作为工程对像已经被确认，机器人学一词也受到公认。目前，机器人学的研究对像已不仅仅是机器人了。即便是实际存在的机器人，也很难把它定义为机器人，而且其定义也随着时代在变化。1.1什么是机器人这里简单地把具有下述性质的机械看作是机器人：①代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。②有通用性：既可简单地变换所进行的作业，又能按照工作状况的变化相应地进行工作。一般的玩具机器人不能说有通用性。③直接对外界工作：不仅是像计算机那样进行计算，而且能依据计算结果对外界产生作用。1.1什么是机器人机器人定义：机器人是一种自动化机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。智能机器人是高度综合的学科，涉及机械设计制造、传感器、控制与规划、电子电气、计算机与信息处理、通信、能源、材料等。1.2机器人种类机器人的分类方法很多，这里我们依据三个有代表性的分类方法列出机器人的种类。首先，由于机器人要代替人进行作业，因此可根据代替人的哪一个器官来分类：操作机器人（手）：利用相当于手臂的机械手、相当于手指的手爪来使物体动作。移动机器人（腿）：虽然已开发出了2足步行和4足步行机器人，但实用的却是用车轮进行移动的机器人。多器官机器人。进行视觉和操作的机器人上述三种机器人看作是带有最低思考机能的机器人。其次，按机器人的应用来分类：工业机器人：可分为搬送、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于工厂内。极限作业机器人：主要用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间等进行作业的机器人。也包括建筑、农业机器人等。娱乐机器人：有弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、宠物机器人等，具有某种程度的通用性。也有适应环境而改变行动的宠物机器人。此外，也还有正在开发中的福利机器人、医疗机器人、灾害救助机器人、乒乓球机器人一类的机器人。在上述的分类当中，工业机器人最早开始普及，极限作业机器人及娱乐机器人多是由工业机器人改进的。近来正在积极开展拟人（人形）机器人的研究。最后则是按照基于什么样的信息进行动作来分类。由于这种分类特别重要，所以汇集成表1.1。虽然它是针对工业机器人的分类，但也适用于工业机器人以外的机器人。表1.1机器人的分类机器人的种类特征操纵机器人人在一定距离处直接操作机器人进行作业程序机器人机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业示教再现机器人由人操纵机器人进行示教后，机器人就重复进行这个作业数值控制机器人通过数字和语言给定作业的顺序、条件、位置等信息，机器人依据这一信息进行作业智能机器人机器人依据智能（感觉信息的识别、作业规划、学习等能力）确定作业⑴操纵机器人这是一种在核电站处理放射性物质时，远距离操纵的机器人。在这种场合，相当于人手操纵的部分称为主动机械手，进行类似动作的部分称为从动机械手。两者多半是类似的，但从动机械手要大些，是用增大了的力进行作业的机器人，主动机械手要小些。也有一方面进行精密作业的机器人。⑵程序机器人若只从预先设定的程序进行作业这一点来讲，装有发条的玩具也可以说是程序机器人，但它不能更换作业，而程序机器人则可用某些方法更换作业。例如，在压力机制做零件时，设置收到压制完成信号决定取出零件的场所，把新的零件送入压力机。并依据零件的种类改变夹持零件的位置及放置位置。由于设定的部分被限制，所以不能设定自由动作。⑶示教再现机器人示教再现同盒式磁带的录放意思一样。开始为了示教作业，如图1.1(a)所示那样，人一面操纵机器人，一面在各重要位置按下示教盒的按扭，记忆其位置（相当于录音）。而进行作业时再把它再现，机器人顺次追寻记忆的位置。图1.1(b)表示的是在远距离操作示教装置使机器人动作的示教方式。由于示教再现机器人能自由地示教动作，所以能进行各式各样的作业。而且要能够自由地动作，就需要具有多个类似人手臂的关节的机械手，这样才能在形态和机能上与机器人的称谓相符。示教再现机器人的出现可以说是工业机器人的开始。在汽车厂进行点焊的机器人大多是这种类型的机器人。⑷数值控制机器人这是一种用计算机控制机器人的动作，来代替人操纵机器人进行动作的工作方式。例如，使机器人手爪沿着圆周动作时，用计算机给出轨迹比人进行操作要方便得多，但必须编制计算机程序。⑸智能机器人不仅可以进行事先设定的动作，还可以按照工作状况相应地进行动作。例如把导线焊接在LSI（大规模集成电路）的电极上时，要用机器人的眼确认电极的位置，在装配作业时又要判断零件的正反面位置。虽然实用化的智能机器人还不太多，但各种智能机器人正在被研究。例如，对传送带上多个物体的识别、回避障碍物的移动、作业次序的规划、有效的动态学习，多个机器人的协调作业等等。1.3机器人有什么用处我们讨论一下机器人有什么用处。通过上一节的介绍，归纳为以下几点：⑴节省劳动力这是工业机器人的最主要功能。即便在人员工资便宜的国家，也需要准确高速作业的机器人，东南亚国家已引进了机器人。机器人汽车焊接生产线⑵进行极限作业在工厂的喷漆及铸造那样的恶劣条件下已使用了工业机器，现在像精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底那样人难以进入的场所，进行作业的机器人正在增多，甚至在农业上，在温室内移动喷撒农药的机械也可以称为机器人。自治潜水器美国火星探测器机器人“机遇”号⑶用于医疗、福利脑外科手术、由于要求准确地定位手术部位，因此一些医院正在进行用机器人协助手术的试验。在福利方面，辅助步行训练、饮食等的搬运工作正在机器人化。在假手和假腿中也在利用机器人技术（参看图1.3）⑷与人协调作业在处理重物的场合，用机器人支撑重量、由人进行仔细定位。为了使老年人及残疾人具有生活能力，不仅要协助进行体力劳动，而且在观看细小的地方，要使手准确地动作等诸多方面都需要机器人的协助。机器狗⑸制作宠物在计算机内生成人物和动物已成为一种娱乐方式。在机器人方面，向着亮光移动的微型机器人，以及像小狗样动作的宠物机器人。（1）机器人的大脑（2）机器人的手（3）机器人的眼睛（4）机器人的鼻子（5）机器人的耳朵1.4机器人器官机器人的大脑机器人的大脑是是机器人的核心，一般采用计算机控制系统（PC机、嵌入式计算机系统等），简单的可采用单片机系统。嵌入式系统:对于嵌入式系统，至今没有确切的定义，多指置于电子设备内部，完成某种特定功能的计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。20世纪60年代，嵌入式计算机技术首先应用于国防系统中；20世纪70至80年代，逐渐应用于工业控制领域；目前该技术已广泛应用于国防、工业、科研、家电等领域。为了适应不断变化的市场需求，嵌入式微处理器的各项性能指标不断提高，位数从4位-64位，寻址空间从64kB-16MB甚至更大，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，封装从8引脚到144个引脚，功耗逐渐降低、集成度逐步提高。嵌入式计算机系统有如下特点：采用专用的嵌入式CPU，通常具有体积小、功耗低、集成度高的特点，为特定的用户群设计。专用性和算法唯一性，一般设计为完成一定的任务，一旦设计完成就不再改变，进入市场后具有较长的生命周期。软硬件相互依赖，软件和硬件在设计初期就相互配合，具有很强的依赖性，尽量提高效率、减少对资源的浪费。结构紧凑、资源有限，在相当有限的硅片容量上实现特定的功能，结构尽可能的简洁紧凑。多为实时控制系统，一般用于军工产品、通信设备、工业控制，要求实时性高。机器人的手机器人要模仿动物的一部分行为特征，自然应该具有动物脑的一部分功能。机器人光有电脑发号施令还不行，最基本的还得给机器人装上各种感觉器官。机器人必须有“手”和“脚”，这样它才能根据电脑发出的“命令”动作。“手”和“脚”不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，这就是我们通常所说的“触觉”。由于动物和人的听觉器官和视觉器官并不能感受所有的自然信息，所以触觉器官就得以存在和发展。动物对物体的软，硬，冷，热等的感觉就是靠的触觉器官。在黑暗中看不清物体时，往往要用手去摸一下，才能弄清楚。大脑要控制手，脚去完成指定的任务，也需要由手和脚的触觉所获得的信息反馈到大脑里，以调节动作，使动作适当。因此，我们给机器人装上的手应该是一双会“摸”的、有识别能力的灵巧的“手”。机器人的手一般由方形的手掌和节状的手指组成。为了使它具有触觉，在手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件（如灵敏的弹簧测力计）。如果要感知冷暖，还可以装上热敏元件。当触及物体时，触敏元件发出接触信号，否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器（一种利用转动来改变电路的电阻因而输出电流信号的元件），它能把手指的弯曲角度转换成“外形弯曲信息”。把外形弯曲信息和各指节产生的“接触信息”一起送入电子计算机，通过计算就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。现在，机器人的手已经具有了灵巧的指，腕，肘和肩胛关节，能灵活自如的伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的东西的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。机器人的眼睛人的眼睛是感觉之窗，人有80%以上的信息是靠视觉获取，能否造出“人工眼”让机器也能象人那样识文断字，看东西，这是智能自动化的重要课题。关于机器识别的理论，方法和技术，称为模式识别。所谓模式是指被判别的事件或过程，它可以是物理实体，如文字，图片等，也可以是抽象的虚体，如气候等。机器识别系统与人的视觉系统类似，由信息获取，信息处理与特征抽取，判决分类等部分组成。机器认字大家知道，信件投入邮筒需经过邮局工人分拣后才能发往各地。一人一天只能分拣2-3千封信，现在采用机器分拣，可以提高效率十多倍。机器认字的原理与人认字的过程大体相似。先对输入的邮政编码进行分析，并抽取特征，若输入的是个6字，其特征是底下有个圈，左上部有一直道或带拐弯。其次是对比，即把这些特征与机器里原先规定的0到9这十个符号的特征进行比较，与哪个数字的特征最相似，就是哪个数字。这一类型的识别，实质上叫分类，在模式识别理论中，这种方法叫做统计识别法。机器人认字的研究成果除了用于邮政系统外，还可用于手写程序直接输入，政府办公自动化，银行合计，统计，自动排版等方面。机器识图现有的机床加工零件完全靠操作者看图纸来完成。能否让机器人来识别图纸呢？这就是机器识图问题。机器识图的方法除了上述的统计方法外，还有语言法，它是基于人认识过程中视觉和语言的联系而建立的。把图像分解成一些直线、斜线、折线、点、弧等基本元素，研究它们是按照怎样的规则构成图像的，即从结构入手，检查待识别图像是属于哪一类“句型”，是否符合事先规定的句法。按这个原则，若句法正确就能识别出来。机器识图具有广泛的应用领域，在现代的工业，农业，国防，科学实验和医疗中，涉及到大量的图象处理与识别问题。机器识别物体机器识别物体即三维识别系统。一般是以