1机器人绪论

教学要求考试课36课时总评成绩=考试成绩×70%+平时成绩×30%平时成绩包括作业和考勤机器人技术基础课程介绍机器人课程内容1、概论：机器人的概念、发展历史与趋势、分类和应用概况2、机器人应用实例：军事、工业、医用、服务等领域3、机械结构：机械组成、分类、设计原则4、机器人运动学与动力学：位置描述、正逆运动方程、雅可比矩阵5、机器人控制基础：控制方式、传感器、编程语言一、机器人的发展史二、机器人的概念三、机器人的基本结构与分类四、机器人的研究领域和未来展望人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作抓鼠木人《梦溪笔谈》身高三尺，能左手扼鼠，右手持铁简毙之，动作灵活歌舞机器人《列·汤问》西周偃师送给周穆王“千变万化，唯意所适”守卫克里特岛的青铜巨人泰洛斯《阿鲁哥探险船》希腊神话传说一、机器人的发展史1、古代机器人年代发明发明人春秋后期《墨经》记载，制造木鸟，能在空中飞行三日鲁班公元前2世纪自动机，它是会动和唱歌的雕像，气压驱动希腊人1800年前的汉代计里鼓车。车行1里/车上木人击鼓一下，车行10里/击钟一下张衡1662年日本用钟表技术发明了自动机器玩偶，在大皈演出竹田近江18世纪末端茶玩偶，它可为客人端送茶水若井源大卫门1738年法国发明会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会排泄的机器鸭杰克·戴·瓦克逊1773年瑞士利用齿轮和发条原理驱动的高级玩偶玩具，具有绘画和演奏动作道罗斯指南车东汉张衡2、近代机器人用于压铸的五轴液压驱动机器人用于物料间的运输Unimation公司推出的UnimateAMF公司推出Verstran（万能搬运）Versatile被认为是世界上最早的机器人1965年，麻省理工学院的Robots为第一个具有视觉传感器的，能识别与定位简单积木的机器人1970年后机器人迅速发展与普及2012年6月27日，中国载人深潜器“蛟龙”号7000米级海试最大下潜深度达7062米“机器人”一词的发明：1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克的科幻剧本《罗萨姆的万能机人:罗萨姆公司把机器人作为工业产品推向市场,从事繁重的劳动。后来,公司使机器人具有了感情,机器人成了人类生活中必不可少的成员。该剧预告了机器人的发展对社会的影响。剧中把捷克语“Robota”(农奴)写成“Robot”(机器人)。二、机器人的概念1950年美国科幻小说家阿西莫夫的《我是机器人》中提出著名的机器人三原则：•机器人必须不危害人类，也不能看人类受害而袖手旁观•机器人必须服从与第一条不矛盾的指令•在与第一二条原则不矛盾的前提下，机器人应维护自己不受伤害。日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器的能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。中国(原机械工业部)：工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，它能搬运材料零件或夹持工具，用以完成各种作业．三、机器人的基本结构与分类1、机器人的组成机器人的机械结构、控制方式、驱动方式或传感器千差万别，但多数机器人由4个主要部件：机械部分，传感器，控制器，液压/气压/电力驱动装置机械系统是具有传动执行装置的机械，由臂、关节和末端执行装置组成驱动系统为个部分提供动力，有4种感知系统收集机器人内部状态和外部环境信息控制系统从计算机接收指令，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息协调机器人运动工业机器人-环境交互系统实现工业机器人与外部环境的设备互相连接和协调的系统人机交互系统是使操作人员参与计算机控制并与机器人进行联系的装置、指令给定装置和信息显示装置2、机器人的分类按照从低级→高级的发展程度可分为三类•可编程机器人•感知机器人•智能机器人按照结构形态、负载能力分•超大型机器人：负载能力1000kg以上•大型机器人：100-1000kg之间•中型机器人：10-100kg之间•小型机器人：0.1-10kg之间•超小型机器人：0.1kg以下按照应用领域工业机器人、农业机器人、军事机器人、医用机器人、空间机器人、水下机器人按照驱动方式•液压驱动：机构紧凑、力大、运行平稳，密封要求高•气压驱动：结构简单造价低，负荷能力小•电动驱动：结构简单紧凑，控制灵活•新型：记忆合金、人工肌肉、压电按控制方式分类(4种)伺服控制机器人：用伺服手段，包括位置、力等伺服方法进行控制的机人非伺服控制机器人：采用伺服以外的手段，如顺序控制、定位开关控制等进行控制的机器人，机器人无法确定自身位置CP控制机器人（连续轨迹伺服控制机器人）除了对起点和终点的要求以外，还对运动轨迹的中间各点有要求的控制方式，如弧焊机器人就是典型的CP控制机器人。PTP控制机器人（点位控制机器人）只对手部末端的起点和终点位置有要求，而对起点和终点的中间过程无要求的控制方式，如点焊机器人就是典型的PTP控制机器人．程序机器人操纵机器人示教再现机器人智能机器人按机器人控制器的信息输入方式来分遥控操作机器人视觉机器人移动机器人按代替人的器官方式来分按坐标形式分四、机器人的研究领域与发展机器人学具有极其广泛的研究领域，这些领域体现出广泛的学科交叉．涉及到机器人的体系结构、机构理论、控制理论与策略、人工智能、传感技术、通讯技术、机器人语言等。机器人学研究的目的是开发适用各种工作要求的机器人。传感器与感知系统传感器与感知系统包括视觉、触觉、听觉、接近感、力觉、临场感等各种新型传感器的开发；多传感系统与传感器融合；传感数据集成：主动视觉与高速运动视觉的研发；传感器硬件模块化；恶劣工况下的传感技术；连传感系统软件：虚拟现实技术等驱动、建模与控制自动规划与调度自动规划与调度包括环境模型的描述；控制知识的表示；路径规划；任务规划；非结构环境下的规划；合有不确定性时的规划；协调操作(运动)规划：装配规划；基于传感信息的规划；任务协商与调度；制造系统中机器人的调度等计算机系统计算机系统包括智能机器人控制计算机系统的体系结构；通用与专用计算机语言；标准化接口；神经计算机与并行处理；人机通迅；多智能体系统等1机器人研究的基础内容空间机构学机器人运动学机器人动力学机器人静力学机器人控制机器人传感器机器人语言2、机器人的发展趋势技术上的发展趋势生物及微机器人人类的更高追求1）社会进步的需求社会的现代发展不在满足于仅要求机器人适应自动化的工业生产场所和无人的环境，而是需要“她”具有人的运动方式和更强大的能力，能更好的融入到人类的生活，在与一般人（不仅是专家）的交互和合作的各种活动中，替代人完成一些需要人来完成的工作，而不会给人的生活带来突兀的感觉。2）发展中的不足目前的机器人，特别是已实用化的工业机器人，完全不具有人的形状和结构，其智能水平与人类相比仅在婴幼儿阶段，还没有摆脱“机器”的“阴影”，走近“人”的世界，它们与人之间的相似性太小。3）更高的追求机器人的智能化、机动性、高度的可靠和安全性、以及与人类环境的完美的融入性和协调性是人类的更高追求。因此，无论在科幻小说还是人们对机器人的第一意识中，都把像人一样的机器人作为机器人研究的最高境界，机器人研究者也一直把实现类人的行为作为梦寐以求的目标。类人机器人ASIMO日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3米，体重48公斤，它的行走速度是0-9km/h。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。目前全球唯一具备人类双足行走能力的类人型机器人阿西莫(ASIMO，AdvancedStepInnovativeMobility，高级步行创新移动机器人)，ASIMO利用其身上安装的传感器，拥有360度全方位感应，可以辨识出附近的人和物体。配合特别的视觉感应器，他可以阅读人类身上的识别卡片，甚至认出从背后走过来的人，真正做到眼观六路。当他识别出合法人员后，还可以自动转身，与之并肩牵手前进。在行进中，ASIMO还能自动调节步行速度配合同行者。和人握手时，能通过手腕上的力量感应器，测试人手的力量强度和方向，随时按照人类的动作变化作出调整，避免用力太大捏伤人类。ASIMO装载的大量传感器，既包括传统人类的传感器，也拥有一些超越人类的特殊感应器，能够迅速地了解周围情况，在复杂的环境下也能快速顺畅地移动。ASIMO现在已被投放应用，如日本的IBM等七家企业就租用了ASIMO作为接待员。