《鴻蒙機器人比賽》課件-01-機器人介紹

機器人介紹智能機器人概述本課目的：通過理論與實踐結(jié)合的教學(xué)形式，讓學(xué)生熟悉ROS機器人操作系統(tǒng)，機器人的基本構(gòu)造、原理、制作流程，學(xué)會控制機器人，實現(xiàn)機器人移動、視覺識別、導(dǎo)航等，促使學(xué)生對智能機器人設(shè)計有清晰認識。內(nèi)容：1.1機器人名稱的由來1.2機器人的發(fā)展歷史1.3機器人的定義1.4機器人的應(yīng)用場景與分類1.5智能機器人組成

?NXROBO20232機器人名稱的由來機器人的英文名詞是Robot，Robot一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）所寫的一個劇本中，這個劇本的名字為《Rossum’sUniversalRobots》，中文意思是“羅薩姆的萬能機器人”。劇中的人造勞動者取名為Robota，捷克語的意思是“苦力”、“奴隸”。英語的Robot一詞就是由此而來的，以后世界各國都用Robot作為機器人的代名詞。?NXROBO20233捷克作家卡雷爾·卡佩克卡雷爾作品機器人的發(fā)展歷史從有記載以來，人類對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史，我們可以從古代的機械發(fā)明中窺探現(xiàn)代機器人的雛形，以下列舉機器人發(fā)展史上的幾個標志性事件：

西周時期，我國的能工巧匠偃師研制出的歌舞藝人，是我國最早記載的機器人。

春秋后期，據(jù)《墨經(jīng)》記載，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”。

公元前2世紀，古希臘人發(fā)明了最原始的機器人──太羅斯，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的青銅雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。

漢代時期，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車，計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。

后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了木牛流馬，并用其在崎嶇山路中運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。?NXROBO20234機器人的發(fā)展歷史?NXROBO20235巧匠魯班制造木鳥計里鼓車機器人的發(fā)展歷史從有記載以來，人類對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史，我們可以從古代的機械發(fā)明中窺探現(xiàn)代機器人的雛形，以下列舉機器人發(fā)展史上的幾個標志性事件：1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進食和排泄。1773年，著名的瑞士鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯制造出自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的，它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時。1927年，美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人電報箱，并在紐約舉行的世界博覽會上展出，它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。?NXROBO20236美國西屋公司可以接聽電話、回答問題的“Televox”機器人的發(fā)展歷史隨著歷史的發(fā)展，工業(yè)化進程，數(shù)字控制和計算機控制革命的出現(xiàn)，進入到現(xiàn)代工業(yè)機器人的時代

1938-1945年二戰(zhàn)期間由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過程。

1947年，對這種較簡單的機械裝置進行了改進，采用電動伺服方式，使其從動部分能跟隨主動部分運動，稱為"主從機械手"（Master-SlaveManipulator）。

1949-1953年美國麻省理工學(xué)院開始研制數(shù)控銑床隨著先進飛機制造的需要，美國麻省理工學(xué)院輻射實驗室（MITRadiationLaboratory）開始研制數(shù)控銑床。

1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動作的多軸數(shù)控銑床。?NXROBO20237MIT研發(fā)出來數(shù)控銑床機器人的發(fā)展歷史1954年“可編程”“示教再現(xiàn)”機器人美國人GeorgeC.Devol設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，并發(fā)表了題為《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機器人》的文章。60年代機器人產(chǎn)品正式問世，機器人技術(shù)開始形成1960年，美國“聯(lián)合控制公司”（ConsolidatedControl）根據(jù)Devol的專利技術(shù)，研制出第一臺真正意義上的工業(yè)機器人，并成立了Unimation公司，開始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機器人。兩年后，美國“機床與鑄造公司”（AMF）也生產(chǎn)了另一種可編程工業(yè)機器人Versatran。?NXROBO20238Unimate工業(yè)機器人機器人的發(fā)展歷史70年代機器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科機器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱之為機器人學(xué)（Robotics）。機器人的應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大，不同的應(yīng)用場所，導(dǎo)致了各種坐標系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)的機器人相繼出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)飛躍發(fā)展使機器人的控制性能大大提高，成本不斷下降。80年代開始進入智能機器人研究階段80年代

不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機器人在工業(yè)發(fā)達國家真正進入了實用化的普及階段。隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開始進入智能機器人研究階段。機器人視覺、觸覺、力覺等項研究和應(yīng)用，大大提高了機器人的適應(yīng)能力，擴大了機器人的應(yīng)用范圍，促進了機器人的智能化進程。?NXROBO20239機器人的發(fā)展歷史總體而言，智能機器人發(fā)展歷史可以總結(jié)為以下四個階段：第一階段（1940-1960）：實驗階段。主要以電子技術(shù)為基礎(chǔ)，制造出一些簡單功能的電子玩具或模型，并嘗試賦予它們一些基本邏輯或算法。第二階段（1960-1980）：探索階段。主要以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出一些具有專家系統(tǒng)或自然語言處理等高級功能的軟件程序，并嘗試將其與硬件結(jié)合起來，形成初步的智能系統(tǒng)。第三階段（1980-2000）：發(fā)展階段。主要以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出一些具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織等能力的智能系統(tǒng)，并嘗試將其應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如工業(yè)、醫(yī)療、教育等。第四階段（2000-至今）：創(chuàng)新階段。主要以云計算、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出一些具有超強計算能力和數(shù)據(jù)處理能力的智能系統(tǒng)，并嘗試將其與物聯(lián)網(wǎng)、機器人云等技術(shù)結(jié)合起來，形成更高級的智能機器人。?NXROBO202310機器人的定義?NXROBO202311機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然是仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。同時由于機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來,機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。下面給出一些有代表性的定義。國際和國外相關(guān)組織的定義：

國際標準化組織（ISO）的定義：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。

美國國家標準局（NBS）的定義：機器人是一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。

美國機器人協(xié)會（RIA）的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。

日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義：工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。機器人的定義?NXROBO202312有關(guān)學(xué)者的定義：在1967年日本召開的第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上提出了兩個有代表性的定義。森政弘與合田周平提出的定義：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象。日本早稻田大學(xué)加藤一朗（日本機器人之父）教授認為：機器人是由能工作的手，能行動的腳和有意識的頭腦組成的個體，同時具有非接觸傳感器（相當于耳、目）、接觸傳感器（相當于皮膚）、固有感及平衡感等感覺器官的能力。也有一些組織和學(xué)者針對不同形式的機器人分別給出具體的解釋和定義，而機器人則只作為一種總稱。例如，日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）列舉了6種型式的機器人：(1)手動操縱器：人操縱的機械手，缺乏獨立性；(2)固定程序機器人：缺乏通用性；(3)可編程機器人：非伺服控制；(4)示教再現(xiàn)機器人：通用工業(yè)機器人；(5)數(shù)控機器人：由計算機控制的機器人；(6)智能機器人：具有智能行為的自律型機器人。機器人應(yīng)用場景與分類?NXROBO202313按照開發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類機器人：工業(yè)機器人（IndustrialRobot）：如焊接、噴漆、裝配、搬運機器人。服務(wù)機器人（TeleoperatorRobot）：如家用、教育、安防、醫(yī)用、公共服務(wù)機器人。特種機器人（IntelligentRobot）：如軍事應(yīng)用、極限作業(yè)、應(yīng)急救援機器人。工業(yè)機器人?NXROBO202314

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置,具有可編程、自動控制、多用途等特性。如下圖工業(yè)機械臂，常在工廠中完成裝配，焊接，抓取等任務(wù)，或在手術(shù)室中進行手術(shù)操作。ABB機械臂工業(yè)機器人?NXROBO202315

搬運機器人是可以進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人，如下圖所示。搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動。物流自動搬運輪式機器人工業(yè)機器人?NXROBO202316

碼垛機器人在碼垛行業(yè)有著相當廣泛的應(yīng)用。大大節(jié)省了勞動力，節(jié)省空間。碼垛機器人運作靈活精準、快速高效、穩(wěn)定性高，作業(yè)效率高，如下圖所示。碼垛機器人服務(wù)機器人?NXROBO202317

服務(wù)機器人是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，主要包括個人/家用服務(wù)機器人和專業(yè)服務(wù)機器人。其中，個人/家用機器人主要包括：家庭作業(yè)機器人、教育機器人、娛樂休閑機器人、殘障輔助機器人、住宅安全和監(jiān)視機器人等；專業(yè)服務(wù)機器人主要包括：場地機器人、醫(yī)用機器人、物流用途機器人、專業(yè)清潔機器人、檢查和維護保養(yǎng)機器人、建筑機器人、水下機器人，以及國防、營救和安全應(yīng)用機器人等。教育機器人-SPARK家庭作業(yè)機器人餐廳營銷服務(wù)機器人四足機器狗服務(wù)機器人?NXROBO202318

桌面級協(xié)作機械臂，具有體積小，重量輕，靈活易部署、簡單易用、安全協(xié)作的特點。符合中小企業(yè)省空間，省成本，省人力，省時間，多樣化的自動化生產(chǎn)需求。桌面級協(xié)助機械臂射手座協(xié)助機械臂特種機器人?NXROBO202319

特種機器人主要分為軍事應(yīng)用、極限作業(yè)、應(yīng)急救援機器人。其中軍事機器人是以完成預(yù)定的戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)略任務(wù)為目標、以智能化信息處理技術(shù)和通信技術(shù)為核心的智能化武器裝備。救援機器人則是為救援而采取先進科學(xué)技術(shù)研制的機器人。消防救援機器人履帶式掃雷機器人特種機器人?NXROBO202320

水下機器人是一種工作于水中的極限作業(yè)機器人，水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。水下機器人主要應(yīng)用于水下攝影，打撈救援，管道檢測，漁場養(yǎng)殖，船舶檢測等等。水下機器人小型水下作業(yè)機器人特種機器人?NXROBO202321

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（“UAV”），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機可實現(xiàn)航拍攝影，電力巡檢，新聞報道，環(huán)境監(jiān)測，快遞送貨，智慧農(nóng)業(yè)等等。無人機進行噴灑與播撒智能機器人組成?NXROBO202322

智能機器人是一種自動化的機器，指能夠在各類環(huán)境中自主地或交互地執(zhí)行各種擬人任務(wù)(anthropomorphictasks)的機器，具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器。從控制層面看，機器人可以分成四大部分，即執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，如圖所示。機器人的組成智能機器人組成?NXROBO202323

各部分之間的控制關(guān)系如圖所示。機器人四大組成部分之間的控制關(guān)系執(zhí)行機構(gòu)?NXROBO202324

執(zhí)行機構(gòu)是直接面向工作對象的機械裝置，相當于人體的手與腳。根據(jù)工作對象的不同，適用的執(zhí)行機構(gòu)也各不相同。機械臂一般采用伺服電機作為運動執(zhí)行機構(gòu)，組成各個關(guān)節(jié)；常用的移動機器人一般采用直流電機作為移動執(zhí)行機構(gòu)，在任務(wù)場景中進行運動。伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)?NXROBO202325驅(qū)動系統(tǒng)負責(zé)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，將控制系統(tǒng)下達的命令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)需要的信號，以驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，實現(xiàn)機器人的各種運動，相當于人體的肌肉和筋絡(luò)。機器人的驅(qū)動系統(tǒng)主要分為電氣驅(qū)動，液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。不同的執(zhí)行機構(gòu)所使用的驅(qū)動系統(tǒng)也各不相同。驅(qū)動電動機是智能機器人的基本驅(qū)動器:機器人驅(qū)動器的本質(zhì)問題是控制電動機，控制電動機的轉(zhuǎn)數(shù)就可以控制機器人移動的距離和方向、機械臂的彎曲度或移動距離等，驅(qū)動電動機主要有步進電動機和伺服電動機。步進電動機是通過給內(nèi)部多個線圈依次施加脈沖電流實現(xiàn)電動機的連續(xù)轉(zhuǎn)動，改變脈沖的頻率即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，改變施加脈沖的順序即可改變電動機的轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)機器人的位置控制。而伺服電動機是一個連續(xù)轉(zhuǎn)動的直流電機，通過閉環(huán)反饋控制回路，以實現(xiàn)精確的位置控制。新型驅(qū)動器可實現(xiàn)優(yōu)良的特色驅(qū)動特性:靜電驅(qū)動器可利用電荷間引力和排斥力的互相作用順序驅(qū)動電極而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn);形狀記憶合金驅(qū)動器由于具有形狀記憶效應(yīng)，即力作用后會發(fā)生彈性變形;壓電效應(yīng)驅(qū)動器在外力作用下不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會出現(xiàn)極化，當外力消失時，材料重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，電場也隨即消失，因此稱為壓電效應(yīng);為了更好地模擬生物體的運動功能以應(yīng)用于智能機器人，目前已經(jīng)研制出了各種不同類型的人工肌肉。步進電機執(zhí)行機構(gòu)?NXROBO202326

執(zhí)行機構(gòu)是直接面向工作對象的機械裝置，相當于人體的手與腳。根據(jù)工作對象的不同，適用的執(zhí)行機構(gòu)也各不相同。機械臂一般采用伺服電機作為運動執(zhí)行機構(gòu)，組成各個關(guān)節(jié)；常用的移動機器人一般采用直流電機作為移動執(zhí)行機構(gòu)，在任務(wù)場景中進行運動。伺服電機傳感系統(tǒng)?NXROBO202327傳感系統(tǒng)負責(zé)信號的采集和反饋，包括內(nèi)部傳感系統(tǒng)與外部傳感系統(tǒng)，相當于人體的神經(jīng)和感官。內(nèi)部傳感系統(tǒng)包括編碼器、陀螺儀等，可以通過自身信號反饋檢測位姿狀態(tài)；外部傳感系統(tǒng)包括攝像頭、紅外、雷達等，可以檢測機器人所處的外部環(huán)境信息、障礙物信息，并與內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)進行融合，優(yōu)化位姿估計。內(nèi)部傳感器組?NXROBO202328完成機器人自身位置、速度、力度等實時測量和感知，為實現(xiàn)伺服控制提供依據(jù)。位置（位移）傳感器：感知機器人位置和位移狀態(tài)。當傳感器感受到壓力，只要讀出關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就可以及時調(diào)整伺服控制的給定值，防止機器人出現(xiàn)劇烈的運動。速度和加速度傳感器：主要用于感知旋轉(zhuǎn)運動的速度，常用光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器來實現(xiàn)；加速度傳感器可用于測量機器人的動態(tài)控制信號，一般由速度測量進行推演。主流的傳感器有應(yīng)力傳感器和振動式加速度傳感器。力覺傳感器：主要用于測量兩個物體之間的作用力分量和力矩分量。主要有半導(dǎo)體型力覺傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器及基于弦振動原理的力覺傳感器等。加速度器力覺傳感器增量型編碼器外部傳感器通過視覺、觸覺及聲覺等感知，實現(xiàn)智能機器人實時反映環(huán)境變化，自主調(diào)節(jié)自身行為的能力。視覺傳感器：機器視覺是智能機器人感知的主要方法，攝像機是機器視覺的主要載體。觸覺傳感器：用于感知動作執(zhí)行器與對象的接觸及其程度；微型開關(guān)是觸覺傳感器的常用選擇，隔離式雙態(tài)接觸傳感器、矩陣傳感器、光反射觸覺傳感器等也是新發(fā)展的觸覺傳感器。聲覺傳感器：用于感受和解釋氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器可以從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析，直到對連續(xù)自然語言中單獨語音和詞匯的辨別?；X傳感器：用于檢測物體的滑動。當要求智能機器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適當?shù)奈樟χ?，所以要事先檢測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動信號。目前已有基于光學(xué)和利用晶體接收器等不同原理的滑覺傳感器，后者的檢測靈敏度與滑動方向無關(guān)。其他外傳感器：用于智能移動機器人的距離感知的激光測距儀、聲納傳感器等距離傳感器；用于感知環(huán)境溫度的接觸式或非接觸式溫