智能機(jī)器人及其應(yīng)用

1、 田海波田海波 西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2013.1. 主要內(nèi)容 1.什么是機(jī)器人什么是機(jī)器人 2.機(jī)器人的發(fā)展歷史和趨勢(shì)機(jī)器人的發(fā)展歷史和趨勢(shì) 3.機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類 4.機(jī)器人的組成和涉及的技術(shù)機(jī)器人的組成和涉及的技術(shù) 5.智能機(jī)器人智能機(jī)器人 6.機(jī)器人競(jìng)賽機(jī)器人競(jìng)賽 什么是機(jī)器人（robot） 機(jī)器人問世已有幾十年，但對(duì)這一問 題一直沒有統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器 人學(xué)科還在發(fā)展，另一原因主要是因?yàn)闄C(jī) 器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回 答的哲學(xué)問題。正是由于機(jī)器人定義的模 糊，人們才會(huì)有充分的想象和創(chuàng)造空間。 什么是機(jī)器人（robot） 日本： l森

2、政弘與合田周平： 機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能性、 通用性、半機(jī)械半人性、自動(dòng)性、奴隸性等7個(gè) 特征的柔性機(jī)器 l加藤一郎：具有如下3個(gè)條件的機(jī)器 具有腦、手、腳等三要素的個(gè)體； 具有非接觸傳感器（如，用眼、耳接受遠(yuǎn)方信 息）和接觸傳感器； 具有平衡覺和固有覺的傳感器。 什么是機(jī)器人（robot） 美國(guó)： l美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA)：一種用于移動(dòng)各種材料、 零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動(dòng)作來執(zhí)行各 種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī) （Manipulator）。 l美國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局：一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下 完成某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)或動(dòng)作的機(jī)械裝置。 什么是機(jī)器人（robot

3、） 中國(guó)： l機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器 l這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智 能能力，如 感知能力 規(guī)劃能力 動(dòng)作能力 協(xié)同能力 什么是機(jī)器人（robot） 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義 （1987年） l工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作 和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程 操作機(jī)。 機(jī)器人的功能 節(jié)省勞動(dòng)力 l搬運(yùn)機(jī)器人、清掃機(jī)器人 進(jìn)行極限作業(yè) l噴漆機(jī)器人、空間機(jī)器人、海底機(jī)器人、救 援機(jī)器人 用于醫(yī)療、福利 l外科手術(shù)機(jī)器人、智能輪椅 與人協(xié)調(diào)作業(yè) 機(jī)器寵物，如日本的機(jī)器狗，機(jī)器貓。 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1920年，捷克作家卡雷爾卡佩克在科幻劇本 羅薩姆的萬能機(jī)器人中定義了“rob

4、ota” 1954年，George Deval開發(fā)出第一臺(tái)可編程 機(jī)器人 1962年，Unimation公司成立，出現(xiàn)了最早了 工業(yè)機(jī)器人，第一位用戶是GM（美國(guó)通用機(jī) 械公司） 1964年，MIT，Stanford University 等成立 人工智能研究所 1965年，Carnegie Mellon University 建立 機(jī)器人研究所 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1967年，第一臺(tái) Unimation公司的噴涂 用機(jī)器人出口到日本 1968年，第一臺(tái)智能 機(jī)器人Shakey在斯坦 福研究所(SRI)誕生 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1972，IBM公司開發(fā)出內(nèi)部使用的制 造機(jī)器人，并發(fā)展成為IBM75

5、65商用 機(jī)器人 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1978年，第一臺(tái)PUMA機(jī)器人由 Unimation裝運(yùn)到GM公司 機(jī)器人的發(fā)展歷史 80年代開始，各種機(jī)器 人公司陸續(xù)成立，并不 斷出現(xiàn)兼并和調(diào)整 1983年，美國(guó)開始將機(jī) 器人學(xué)列入教學(xué)計(jì)劃。 1994年，CMU利用 Dante機(jī)器人探測(cè) Alaska spurr火山采集 火山氣體樣本 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1995年，Intuitive Surgical 公司推出外科手術(shù)機(jī)器人。 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1997年，NASA的探險(xiǎn)者登陸火星，并由旅行者 （Sojourner ）將所拍攝的照片發(fā)回地球 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1997年，Honda推出 人形機(jī)器人P3

6、 1999年，Sony推出機(jī) 器狗Aibo 機(jī)器人的發(fā)展歷史 2000年，Honda推出第二代 人形機(jī)器人Asimo, Sony推 出人形機(jī)器人Qiro。 ASIMO 會(huì)拉提琴, 曾經(jīng)登臺(tái)指揮交響 樂團(tuán)。QRIO身高54cm，重 5kg，可以跳舞打拳。 機(jī)器人的發(fā)展歷史 2001年，加拿大MD機(jī)器人公司建造的“空 間站遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)”發(fā)射進(jìn)入太空軌道 機(jī)器人的發(fā)展歷史 2004年，美國(guó)的“機(jī)遇號(hào)”登上火星。 機(jī)器人的發(fā)展歷史 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 用于制造生產(chǎn)線用于制造生產(chǎn)線 結(jié)構(gòu)化環(huán)境下結(jié)構(gòu)化環(huán)境下 規(guī)則工作規(guī)則工作 具有簡(jiǎn)單智能的具有簡(jiǎn)單智能的 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 工程、社會(huì)服務(wù)、人類生活工程、

7、社會(huì)服務(wù)、人類生活 等各個(gè)領(lǐng)域等各個(gè)領(lǐng)域 適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的 各種靈活需求各種靈活需求 具有綜合和集成能力的具有綜合和集成能力的 智能機(jī)器人智能機(jī)器人 功 能 工作 環(huán)境 智能 程度 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的科學(xué)家預(yù)測(cè)： l未來的機(jī)器人將使目前信息科技革命的 貢獻(xiàn)相形見絀，機(jī)器人市場(chǎng)將超越信息 產(chǎn)業(yè)，成為全球最大的工業(yè)。 日本： l擁有世界上58的機(jī)器人 l大力發(fā)展機(jī)器人教育和機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 機(jī)器人的分類 按所替代的人體器官分類 按智能水平分類 按機(jī)器人的應(yīng)用分類 分類1按所替代的人體器官分類 操作機(jī)器人-手 移動(dòng)機(jī)器人-腿 視覺機(jī)器人-眼 聽覺機(jī)器人-耳 操作機(jī)器人

8、 機(jī)械臂相當(dāng)于手臂 機(jī)械手相當(dāng)于手指 移動(dòng)機(jī)器人 輪式：獨(dú)輪、兩輪、三輪、四輪、六輪等 腿式：兩足、多足 履帶式 視覺機(jī)器人 產(chǎn)品檢測(cè) 人臉檢測(cè) 人臉識(shí)別 物體識(shí)別 分類2按智能水平分類 分分 類類 名名 稱稱簡(jiǎn)簡(jiǎn) 要要 解解 釋釋 人工操作裝置 有幾個(gè)自由度，有操作員操縱，能實(shí)現(xiàn)若干預(yù)定的功能。 固定順序機(jī)器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 可變順序機(jī)器人 按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。但順 序和條件可作適當(dāng)改變。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人 通過手動(dòng)或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄下工作程 序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人 不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值

9、、語言等為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng) 程序，能進(jìn)行可編程伺服控制。 感知型機(jī)器人 利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人對(duì)環(huán)境 有一定的適應(yīng)性。如揀蛋機(jī)器人。 智能機(jī)器人 機(jī)器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變 化，也能夠成功的完成任務(wù)。如火星探測(cè)車。 第一代第一代 第二代第二代 第三代第三代 分類3按機(jī)器人的應(yīng)用分類 工業(yè)機(jī)器人 特種機(jī)器人 l服務(wù)機(jī)器人 l娛樂機(jī)器人 l軍用機(jī)器人 l水下機(jī)器人 l農(nóng)業(yè)機(jī)器人 l 機(jī)器人的組成 機(jī)械臂或移動(dòng)車（運(yùn)動(dòng)平臺(tái)） 末端執(zhí)行器 驅(qū)動(dòng)器 傳感器 控制器 軟件 驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)機(jī) l伺服電機(jī) l步進(jìn)電機(jī) l直流電機(jī) 液壓驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 形狀記憶金屬驅(qū)

10、動(dòng) 器 磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器 傳感器 位置傳感器 速度/加速度傳感器 力/力矩傳感器 觸覺傳感器 接近覺傳感器 測(cè)距儀 嗅覺傳感器 視覺系統(tǒng) 語音識(shí)別和語音合成編碼器 所涉及的研究領(lǐng)域 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué) 傳感器 人工智能 通訊 材料 能源 人工智能 規(guī)劃和配置 l機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃、路徑規(guī)劃 機(jī)器感知 l計(jì)算機(jī)視覺 l語義識(shí)別 l信息融合 機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)發(fā)現(xiàn)（深藍(lán)機(jī)器人） 分布式人工智能 l分布式問題求解 l多智能體行為協(xié)調(diào) 新型智能機(jī)器人 護(hù)士助手 智能輪椅 家用及辦公機(jī)器人 水下機(jī)器人 空間機(jī)器人 軍用機(jī)器人 類人機(jī)器人 護(hù)士助手 它可以完成以下各項(xiàng)任務(wù)：運(yùn)送醫(yī)療器材和設(shè) 備，為病人送

11、飯，送病歷、報(bào)表及信件，運(yùn)送 藥品，運(yùn)送試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)結(jié)果，在醫(yī)院內(nèi)部 送郵件及包裹。 智能輪椅 奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)的電動(dòng)輪椅“WATSON”。攝像頭安裝在輪椅前面，可以捕捉坐在椅 子上的人的表情。一點(diǎn)頭輪椅就開始活動(dòng)，向左右看的話輪椅就向看的方向轉(zhuǎn)彎，搖頭就停下來， 這樣不用手足僅靠頭部的運(yùn)動(dòng)與視線就能控制輪椅。 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制的一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅。 美國(guó)公司開發(fā)一種iBot自動(dòng)平衡輪椅 家用伙伴型機(jī)器人 家用清潔機(jī)器人 辦公/商務(wù)服務(wù)機(jī)器人 清洗機(jī)器人 清洗機(jī)器人 清洗機(jī)器人 水下機(jī)器人 水下機(jī)器人 空間機(jī)器人 軍用機(jī)器人 微型飛

12、行機(jī)器人 類人機(jī)器人 在跌倒后還 可以站起來 機(jī)器人競(jìng)賽 主要的機(jī)器人競(jìng)賽 足球機(jī)器人比賽 機(jī)器人競(jìng)賽的意義 為相關(guān)理論和技術(shù)提供一個(gè)實(shí)踐平臺(tái)和檢 驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有效促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。 培養(yǎng)多學(xué)科交叉的綜合性人才、機(jī)器人工 業(yè)發(fā)展的后備人才 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、理論與實(shí)踐相結(jié)合 能力、動(dòng)手能力和協(xié)作精神 主要的機(jī)器人競(jìng)賽 機(jī)器人足球賽 機(jī)器人相撲賽 空中機(jī)器人比賽 滅火機(jī)器人比賽 創(chuàng)新性機(jī)器人大賽 機(jī)器人足球比賽 1992年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的 教授Alan Mackworth在論文On Seeing Robots中提出設(shè)想 由硬件或仿真機(jī)器人進(jìn)行的足球賽，比 賽規(guī)則與人類正規(guī)的足球比賽規(guī)則類似 最終目標(biāo)：到2050年，一支全自主的 類人型機(jī)器人足球隊(duì)，戰(zhàn)勝人類的足球 世界杯冠軍隊(duì)