機(jī)器人概論課件

1、機(jī)器人概論王建飛機(jī)器人分類軍用機(jī)器人民用機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人類人機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)器人飛行機(jī)器人爆破機(jī)器人偵查機(jī)器人戰(zhàn)車娛樂機(jī)器人美國機(jī)器人發(fā)展上世紀(jì)60年代，美國誕生第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人BigDog四腿軍用機(jī)器人，能夠在負(fù)重100kg的情況下以5km的時(shí)速在各種地形上行走。2011年，美國Petman仿人軍用機(jī)器人，時(shí)速7公里的步行，即使側(cè)面受到大力沖擊也不會(huì)摔倒。2011年2月，美國Robonaut 2機(jī)器人乘坐航天飛機(jī)進(jìn)入太空，進(jìn)行行星探索。在無人車船以及無人飛行器方面，2011年10月，美國研制的“納米蜂鳥”無人駕駛偵察機(jī)已經(jīng)成功完成精準(zhǔn)試飛，翼展只有16cm寬，能像小鳥一樣拍打翅膀前后飛

2、行。2011年11月，美國的四艘Wave Glider無人駕駛船開始了自主跨太平洋之旅。在機(jī)器人相關(guān)傳感器方面也引領(lǐng)了世界的潮流。美國微軟公司的Kinect體感游戲外設(shè)通過紅外測距和模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比的人體動(dòng)作識(shí)別，引起一股新的人機(jī)“自然交互”浪潮。日本機(jī)器人發(fā)展為了解決勞動(dòng)力不足問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量，著力開發(fā)機(jī)器人技術(shù)。20世紀(jì)80年代超過美國成為“機(jī)器人王國”。日本在傳感器、電機(jī)、精密加工、能源以及材料等機(jī)器人的關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)均是世界領(lǐng)先。日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO, 高1.3m,行走速度達(dá)6km/h, 可完成“8”字形行走、上下臺(tái)階、彎腰等動(dòng)作, 還可與人握手

3、、揮手、語音對(duì)話, 識(shí)別出人和物體等. 日本川田公司的仿人機(jī)器人HRP-2 高1.5m, 可模仿人的舞蹈動(dòng)作. 索尼公司開發(fā)了0.6m高的小型娛樂仿人機(jī)器人QIRO.2011年，日本福島第一核電站事故爆發(fā)，本大力開展了對(duì)核事故處理機(jī)器人的研究。同年11月，由千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的“ROSEMARY”核事故處理機(jī)器人面世，能夠在負(fù)重50公斤的情況下連續(xù)工作5小時(shí)，并可進(jìn)行遙控充電。歐洲機(jī)器人新發(fā)展在歐洲，英國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步最早。英國不僅大力研制和廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，其在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域也頗有建樹，例如，赫特福德大學(xué)設(shè)計(jì)出一款管家機(jī)器人“Greta”，能夠從主人那里接收命令，然后向下級(jí)機(jī)器人安排任務(wù)，

4、并回答主人相關(guān)的問題。德國是擁有工業(yè)機(jī)器人最多的歐洲國家，其機(jī)器人數(shù)量在世界范圍內(nèi)也僅次于日本。德國KUKA公司開發(fā)的輕型機(jī)械臂，不僅高效靈活，而且具有模塊化結(jié)構(gòu)，具有廣闊的工業(yè)和服務(wù)應(yīng)用前景。德國在航天機(jī)器人領(lǐng)域也頗有建樹，其航空航天局研制的RollinJustin機(jī)器人，不僅能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的遙操作，而且能泡咖啡能接棒球12。另外，在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，德國的Care-0-Bot移動(dòng)家庭看護(hù)機(jī)器人能夠幫助老年人獨(dú)立生活的系統(tǒng)，功能十分豐富實(shí)用。法國在機(jī)器人擁有量以及機(jī)器人應(yīng)用上也居于世界前列。目前，法國Aldebaran公司生產(chǎn)的 “Nao”已成為世界上銷售量最大的小型類人機(jī)器人。Nao高0.57

5、m，仿人機(jī)器人, 集成了視覺、聽覺、壓力、紅外、聲納、接觸等傳感器, 可用于控制、人工智能等研究.我國機(jī)器人新進(jìn)展工業(yè)機(jī)器人目前，國內(nèi)在弧焊、點(diǎn)焊、噴涂、搬運(yùn)、裝配和特種機(jī)器人（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人）領(lǐng)域，掌握了完整的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。2008年9月，哈工大研制完成國內(nèi)首臺(tái)165公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。新松機(jī)器人公司開發(fā)出RH6弧焊機(jī)器人，其焊接質(zhì)量達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。同樣由新松公司設(shè)計(jì)制造的LGV（激光自動(dòng)導(dǎo)引車）也已達(dá)到國際的一流水平。多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、自診斷和安全保護(hù)技術(shù)等方面均已取得了突破，掌握了工業(yè)機(jī)器人所有關(guān)鍵技術(shù)。在基礎(chǔ)元件

6、制造方面，我國在諧波減速器、高效電機(jī)的制造領(lǐng)域也有了突破。已研制出了交、直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、液壓（氣動(dòng)）元部件、滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、諧波減速器、RV減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等。我國機(jī)器人新進(jìn)展工業(yè)機(jī)器人2機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制方向：智能化、重載、高精度、高速、網(wǎng)絡(luò)化FANUC 公司的并聯(lián)六軸結(jié)構(gòu)的機(jī)器人3iA 具有很高的柔性, 集成iRVision 視覺系統(tǒng)、Force Sensing力覺系統(tǒng)、Robot Link 通信系統(tǒng)和Collision Guard碰撞保護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)智能功能, 可對(duì)工件進(jìn)行快速識(shí)別, 利用視覺跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)完成作業(yè).哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中

7、國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)、上海大學(xué)等。沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、上海沃迪公司、奇瑞公司等企業(yè)。我國機(jī)器人新進(jìn)展空間機(jī)器人在未來的空間活動(dòng)中，將有大量的空間加工、空間生產(chǎn)、空間裝配、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間維修等工作要做，必須充分利用空間機(jī)器人等自動(dòng)化智能設(shè)備。在月球車研制領(lǐng)域，2008年1月，北京工業(yè)大學(xué)率先研制了月球車原理樣機(jī)。緊接著，中國航天科技集團(tuán)公司領(lǐng)銜研制的中國首輛月球車工程樣機(jī)于同年4月通過項(xiàng)目驗(yàn)收。同年6月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的月球車樣

8、機(jī)通過了模擬月球地形環(huán)境試驗(yàn)，在功能上具備探月工程所需的月球車基本功能和基本組成部分。移動(dòng)機(jī)器人-輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人主要有智能輪椅、導(dǎo)游機(jī)器人、野外偵查機(jī)器人, 以及大型智能車輛等。研究重點(diǎn)：定位、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、自主控制、服務(wù)作業(yè)等技術(shù)和方法.機(jī)器人利用航跡推算、計(jì)算機(jī)視覺、路標(biāo)識(shí)別、無線定位、SLAMsimultaneous localization and mapping 等技術(shù)進(jìn)行定位; 基于地圖完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制; 結(jié)合語音識(shí)別、圖像識(shí)別, 實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互, 提供引導(dǎo)、解說、物品遞送等服務(wù)。Willow Garage 公司的PR2 機(jī)器人, 具有全向移動(dòng)功能、雙機(jī)械

9、臂和夾持器、立體視覺和激光測距系統(tǒng), 夾持器上裝有視覺傳感器和力覺傳感器陣列,通過視覺和力覺的感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制, 已實(shí)現(xiàn)打開冰箱、拿取不同物品等作業(yè).移動(dòng)機(jī)器人-仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人研究主要集中于步態(tài)生成、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制和機(jī)器人設(shè)計(jì)等方面. 步態(tài)生成有離線生成方法和在線生成方法. 離線生成方法為預(yù)先規(guī)劃的數(shù)據(jù)用于在線控制, 可完成如行走、舞蹈等動(dòng)作,但無法適應(yīng)環(huán)境變化; 在線規(guī)劃則實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)規(guī)劃、確定各關(guān)節(jié)的期望角. 在穩(wěn)定性控制方面, 零力矩點(diǎn)(Zero moment point, ZMP) 方法雖廣泛應(yīng)用, 但該方法僅適合于平面情況.日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO日本川田公司的

10、仿人機(jī)器人HRP-2 索尼公司開發(fā)了0.6m 高的小型娛樂仿人機(jī)器人QIRO. Aldebaran Robotics 公司開發(fā)的高0.57m 的小仿人機(jī)器人Nao, 波士頓動(dòng)力公司在液壓四足仿生機(jī)器人基礎(chǔ)上開發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人Petman, 顯示出良好的柔性和抗外力干擾性, 可完成上下臺(tái)階、俯臥撐等動(dòng)作.ASIMO移動(dòng)機(jī)器人-仿人機(jī)器人2國內(nèi)：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制開發(fā)了KDW 系列雙足機(jī)器人,研制了仿人機(jī)器人“先行者”. 北京理工大學(xué)研制的BRH 系列仿人機(jī)器人, 高1.58 m, 32 個(gè)自由度, 行走速度lkm/h, 實(shí)現(xiàn)了太極拳表演、刀術(shù)表演、騰空行走等復(fù)雜動(dòng)作. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)

11、研制開發(fā)了HIT系列雙足步行機(jī)器人.清華大學(xué)研制開發(fā)了仿人機(jī)器人THBIP-I.在小型仿人機(jī)器人方面, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開展了大量研究和研制工作. 北京理工大學(xué)與中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、南開大學(xué)等單位合作開展了乒乓球的高速識(shí)別與軌跡預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)研究, 實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)仿人機(jī)器人、人與機(jī)器人的多回合乒乓球?qū)Υ? 浙江大學(xué)等單位研制的仿人機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人、人與機(jī)器人的乒乓球?qū)Υ?。移?dòng)機(jī)器人-空間探索機(jī)器人美國開發(fā)的用于火星探測的移動(dòng)機(jī)器人探路者、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào) 和好奇號(hào)“都成功登陸火星開展科研探測. 好奇號(hào) 火星車采用了六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu), 長3 m, 寬2.7 m, 高2.2 m, 自重9

12、00 公斤, 具有一個(gè)2.2m 的作業(yè)臂和攝像頭等多種探測設(shè)備, 在45 度傾角狀態(tài)下不會(huì)傾翻, 最高速度4 cm/s. 不同于以往火星車采用太陽能供電, 好奇號(hào) 采用核電池供電, 使系統(tǒng)續(xù)航能力得到極大提升.哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了兩輪并列式、6 輪搖臂 轉(zhuǎn)向架式、行星輪式等多種型號(hào)的月球車樣車, 并搭載太陽能帆板、相機(jī)桅桿、定向天線、全向天線、前后避障相機(jī)等設(shè)備43. 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所44、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位都開展了相關(guān)研究, 并研制了各具特色的月球車原理樣機(jī).醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人-康復(fù)與助力機(jī)器人用于輔助病人康復(fù)、生活自理手臂康復(fù)

13、治療機(jī)器人有美國MIT 大學(xué)開發(fā)的MIT-Manus, 加利福尼亞大學(xué)研制的ARM Guide 和T-WREX, 此外, 還有HWARD、Gentle/G、RUPERT 等手臂輔助康復(fù)系統(tǒng). Hocoma 公司研制了下肢康復(fù)機(jī)器人Lokomat 由支撐部分、機(jī)器人步態(tài)校正器和跑步機(jī)等幾部分組成, 用于增強(qiáng)病人的行走功能. 類似的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)還包括LokoHelp、ReoAmbulator、ARTHuR、ALEX、LOPES 等. 對(duì)于癱瘓患者康復(fù)的機(jī)器人系統(tǒng)主要是通過輔助肢體運(yùn)動(dòng)達(dá)到鍛煉肌肉、增強(qiáng)耐受力、關(guān)節(jié)靈活性和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性.Swortec SA公司開發(fā)的康復(fù)機(jī)器人MotionMaker,

14、 能夠依據(jù)實(shí)時(shí)傳感信息控制康復(fù)訓(xùn)練并配合電刺激以滿足治療需要, 臨床實(shí)驗(yàn)顯示系統(tǒng)效果良好. 用于足踝、膝蓋等康復(fù)的機(jī)器人, 如Rutgers Ankle、IIT-HPARR、AKROD、Leg-Robot、NUVABAT、PGO、PAGO、Anklebot、MIT-AAFO 等57. 早期的康復(fù)機(jī)器人一般采用比例反饋的位置控制方法. 目前, 基于時(shí)間、受力、跟蹤誤差、肢體速度或體表肌電等信號(hào)反饋, 阻抗控制、自適應(yīng)控制等方法已在康復(fù)機(jī)器人上應(yīng)用. 仿生機(jī)器人通過對(duì)生物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行仿生是研究適應(yīng)某種特定環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)的基本方法之一, 如皮膚仿生、攀爬運(yùn)動(dòng)仿生等.由于魚類運(yùn)動(dòng)的高效率、高機(jī)

15、動(dòng)、低噪聲特點(diǎn), 仿生機(jī)器魚研究得到廣泛的重視. 如MIT 大學(xué)研制了機(jī)器魚RoboTuna 和RoboPike, 大阪大學(xué)研制了胸鰭推進(jìn)的機(jī)器魚BlackBass, 英國Heriot-Watt 大學(xué)研究了波動(dòng)鰭. 華盛頓大學(xué)、英國Essex 大學(xué)在控制方面,佛羅里達(dá)中心大學(xué)、日本名古屋大學(xué)、美國新墨西哥大學(xué)在微小型機(jī)器魚方面, 美國西北大大學(xué)、南洋理工大學(xué)、大阪大學(xué)在波動(dòng)鰭推進(jìn)方面都取得了很好的研究成果. 國內(nèi)在仿魚水下機(jī)器人：北京航空航天大學(xué)研制了SPC 系列仿生機(jī)器魚系統(tǒng), 進(jìn)行了湖試和海試, 完成了水下考古、環(huán)境監(jiān)控等示范應(yīng)用。其中SPC-3 UUV 體長1.6 m, 巡航速度1.12

16、 m/s, 航程70.7 km.中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了尾鰭推進(jìn)和波動(dòng)鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚，實(shí)現(xiàn)了浮潛、倒游、定深、自主避障、快速啟動(dòng)、水平面和垂直面快速轉(zhuǎn)向、多魚協(xié)調(diào)等運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 并實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器海豚的躍水運(yùn)動(dòng). 國防科技大學(xué)在波動(dòng)鰭仿生機(jī)器魚方面開展大量研究, 研制了多種波動(dòng)鰭推進(jìn)的機(jī)器魚系統(tǒng).哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)等單位也研制開發(fā)了仿生機(jī)器魚系統(tǒng)并開展了很多研究工作. 仿生機(jī)器人2此外, 蛇形機(jī)器人有東京工學(xué)院研制的ACMR5、密西根大學(xué)研制的OmniTread、挪威理工大學(xué)研制的Kulko、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的Uncle Sam等, 其中

17、Uncle Sam 實(shí)現(xiàn)了爬樹運(yùn)動(dòng)70. 仿生兩棲機(jī)器人有瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL) 研制的Salamandra、紐約瓦薩學(xué)院研制的Madeline、加拿大約克大學(xué)等研制的AQUA 機(jī)器人等. 仿生飛行機(jī)器人有德國Festo 公司研制的仿生鳥Smartbird、多倫多大學(xué)研制的四翼撲翼飛機(jī)Mentor、加州大學(xué)伯克利分校研制的飛行昆蟲等. 美國東北大學(xué)研制的仿生機(jī)器龍蝦. 南加州大學(xué)研制的自重構(gòu)機(jī)器人Conro 可自重構(gòu)成蛇形、四足、履帶等形狀進(jìn)行運(yùn). 仿生機(jī)器人3斯坦福大學(xué)在壁虎足部結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上研制了可攀爬墻壁的機(jī)器壁虎Stickybot. 名古屋大學(xué)機(jī)器人學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制了仿生長臂猿機(jī)器人Brachiator.國內(nèi)： 如國防科技大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位研制了蛇形仿生機(jī)器人; 哈爾濱工程大學(xué)研制了仿生機(jī)器螃蟹; 中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、北京航空航天大學(xué)等單位研制了水陸兩棲機(jī)器人; 西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位研制了撲翼飛行機(jī)器人; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位研制了六足仿生機(jī)器人.仿生機(jī)器人4通過對(duì)生物內(nèi)在感知、控制與決策機(jī)制的模仿是機(jī)器人控制和智能研究的重要方面. 在仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器魚、四足機(jī)器人等研究中使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、中樞模式發(fā)