《機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)》教學(xué)課件1

機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)（1）機(jī)器人的大腦（2）機(jī)器人的手（3）機(jī)器人的眼睛（4）機(jī)器人的鼻子（5）機(jī)器人的耳朵機(jī)器人器官機(jī)器人的大腦機(jī)器人的大腦是是機(jī)器人的核心，一般采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（PC機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等），簡單的可采用單片機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng):

對于嵌入式系統(tǒng)，至今沒有確切的定義，多指置于電子設(shè)備內(nèi)部，完成某種特定功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

20世紀(jì)60年代，嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)首先應(yīng)用于國防系統(tǒng)中；20世紀(jì)70至80年代，逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域；目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)、科研、家電等領(lǐng)域。為了適應(yīng)不斷變化的市場需求，嵌入式微處理器的各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷提高，位數(shù)從4位-64位，尋址空間從64kB-16MB甚至更大，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，封裝從8引腳到144個(gè)引腳，功耗逐漸降低、集成度逐步提高。

機(jī)器人的大腦嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：采用專用的嵌入式CPU，通常具有體積小、功耗低、集成度高的特點(diǎn)，為特定的用戶群設(shè)計(jì)。專用性和算法唯一性，一般設(shè)計(jì)為完成一定的任務(wù)，一旦設(shè)計(jì)完成就不再改變，進(jìn)入市場后具有較長的生命周期。軟硬件相互依賴，軟件和硬件在設(shè)計(jì)初期就相互配合，具有很強(qiáng)的依賴性，盡量提高效率、減少對資源的浪費(fèi)。結(jié)構(gòu)緊湊、資源有限，在相當(dāng)有限的硅片容量上實(shí)現(xiàn)特定的功能，結(jié)構(gòu)盡可能的簡潔緊湊。多為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，一般用于軍工產(chǎn)品、通信設(shè)備、工業(yè)控制，要求實(shí)時(shí)性高。

機(jī)器人的手

機(jī)器人要模仿動物的一部分行為特征，自然應(yīng)該具有動物腦的一部分功能。機(jī)器人光有電腦發(fā)號施令還不行，最基本的還得給機(jī)器人裝上各種感覺器官。機(jī)器人必須有“手”和“腳”，這樣它才能根據(jù)電腦發(fā)出的“命令”動作。

“手”和“腳”不僅是一個(gè)執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，它還應(yīng)該具有識別的功能，這就是我們通常所說的“觸覺”。由于動物和人的聽覺器官和視覺器官并不能感受所有的自然信息，所以觸覺器官就得以存在和發(fā)展。動物對物體的軟，硬，冷，熱等的感覺就是靠的觸覺器官。在黑暗中看不清物體時(shí)，往往要用手去摸一下，才能弄清楚。大腦要控制手，腳去完成指定的任務(wù)，也需要由手和腳的觸覺所獲得的信息反饋到大腦里，以調(diào)節(jié)動作，使動作適當(dāng)。因此，我們給機(jī)器人裝上的手應(yīng)該是一雙會“摸”的、有識別能力的靈巧的“手”。機(jī)器人的手機(jī)器人的手機(jī)器人的手一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。為了使它具有觸覺，在手掌和手指上都裝有帶有彈性觸點(diǎn)的觸敏元件（如靈敏的彈簧測力計(jì)）。如果要感知冷暖，還可以裝上熱敏元件。當(dāng)觸及物體時(shí)，觸敏元件發(fā)出接觸信號，否則就不發(fā)出信號。在各指節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器（一種利用轉(zhuǎn)動來改變電路的電阻因而輸出電流信號的元件），它能把手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”。把外形彎曲信息和各指節(jié)產(chǎn)生的“接觸信息”一起送入電子計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算就能迅速判斷機(jī)械手所抓的物體的形狀和大小。

現(xiàn)在，機(jī)器人的手已經(jīng)具有了靈巧的指，腕，肘和肩胛關(guān)節(jié)，能靈活自如的伸縮擺動，手腕也會轉(zhuǎn)動彎曲。通過手指上的傳感器還能感覺出抓握的東西的重量，可以說已經(jīng)具備了人手的許多功能。機(jī)器人的手機(jī)器人的眼睛

人的眼睛是感覺之窗，人有80%以上的信息是靠視覺獲取，能否造出“人工眼”讓機(jī)器也能象人那樣識文斷字，看東西，這是智能自動化的重要課題。關(guān)于機(jī)器識別的理論，方法和技術(shù)，稱為模式識別。所謂模式是指被判別的事件或過程，它可以是物理實(shí)體，如文字，圖片等，也可以是抽象的虛體，如氣候等。機(jī)器識別系統(tǒng)與人的視覺系統(tǒng)類似，由信息獲取，信息處理與特征抽取，判決分類等部分組成。機(jī)器人的眼睛機(jī)器認(rèn)字

大家知道，信件投入郵筒需經(jīng)過郵局工人分揀后才能發(fā)往各地。一人一天只能分揀2-3千封信，現(xiàn)在采用機(jī)器分揀，可以提高效率十多倍。機(jī)器認(rèn)字的原理與人認(rèn)字的過程大體相似。先對輸入的郵政編碼進(jìn)行分析，并抽取特征，若輸入的是個(gè)6字，其特征是底下有個(gè)圈，左上部有一直道或帶拐彎。其次是對比，即把這些特征與機(jī)器里原先規(guī)定的0到9這十個(gè)符號的特征進(jìn)行比較，與哪個(gè)數(shù)字的特征最相似，就是哪個(gè)數(shù)字。這一類型的識別，實(shí)質(zhì)上叫分類，在模式識別理論中，這種方法叫做統(tǒng)計(jì)識別法。機(jī)器人認(rèn)字的研究成果除了用于郵政系統(tǒng)外，還可用于手寫程序直接輸入，政府辦公自動化，銀行合計(jì)，統(tǒng)計(jì)，自動排版等方面。機(jī)器識圖

現(xiàn)有的機(jī)床加工零件完全靠操作者看圖紙來完成。能否讓機(jī)器人來識別圖紙呢？這就是機(jī)器識圖問題。機(jī)器識圖的方法除了上述的統(tǒng)計(jì)方法外，還有語言法，它是基于人認(rèn)識過程中視覺和語言的聯(lián)系而建立的。把圖像分解成一些直線、斜線、折線、點(diǎn)、弧等基本元素，研究它們是按照怎樣的規(guī)則構(gòu)成圖像的，即從結(jié)構(gòu)入手，檢查待識別圖像是屬于哪一類“句型”，是否符合事先規(guī)定的句法。按這個(gè)原則，若句法正確就能識別出來。機(jī)器識圖具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代的工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和醫(yī)療中，涉及到大量的圖象處理與識別問題。機(jī)器識別物體機(jī)器識別物體即三維識別系統(tǒng)。一般是以電視攝像機(jī)作為信息輸入系統(tǒng)。根據(jù)人識別景物主要靠明暗信息，顏色信息，距離信息等原理，機(jī)器識別物體的系統(tǒng)也是輸入這三種信息，只是其方法有所不同罷了。由于電視攝像機(jī)所拍攝的方向不同，可得各種圖形，如抽取出棱數(shù)，頂點(diǎn)數(shù)，平行線組數(shù)等立方體的共同特征，參照事先存儲在計(jì)算機(jī)中的物體特征表，便可以識別立方體了。目前，機(jī)器可以識別簡單形狀的物體。對于曲面物體，電子部件等復(fù)雜形狀的物體識別及室外景物識別等研究工作，也有所進(jìn)展。物體識別主要用于工業(yè)產(chǎn)品外觀檢查，工件的分選和裝配等方面。機(jī)器人的鼻子

人能夠嗅出物質(zhì)的氣味，分辨出周圍物質(zhì)的化學(xué)成分，這是由上鼻道的粘模部分實(shí)現(xiàn)的。在人體鼻子的這個(gè)區(qū)域，在只有五平方厘米的面積上卻分布有五百萬個(gè)嗅覺細(xì)胞。嗅覺細(xì)胞受到物質(zhì)的刺激，產(chǎn)生神經(jīng)脈沖傳送到大腦，就產(chǎn)生了嗅覺。人的鼻子實(shí)際上就是一部十分精密的氣體分析儀。人的鼻子是相當(dāng)靈敏的，就算在一升水中放進(jìn)二百五十億分之一的乙硫醇（就是一種特殊的具有異常臭味的化學(xué)物質(zhì)），人的鼻子也能夠聞出來。機(jī)器人的鼻子也就是用氣體自動分析儀做成的。我國已經(jīng)研制成功了一種嗅敏儀，這種氣體分析儀不僅能嗅出丙酮、氯仿等四十多種氣體，還能夠嗅出人聞不出來但是卻可以導(dǎo)致人死亡的一氧化碳（也就是我們通常所用的煤氣）。這種嗅敏儀有一個(gè)由二氧化錫，氯化鈀等物質(zhì)燒結(jié)而成的探頭（相當(dāng)于鼻粘模）。當(dāng)它遇到某些種類氣體的時(shí)候，它的電阻就發(fā)生變化，這樣就可以通過電子線路做出相應(yīng)的顯示，用光或者用聲音報(bào)警。同時(shí)，用這種嗅敏儀還可以查出埋在地下的管道漏氣的位置。

現(xiàn)在利用各種原理制成的氣體自動分析儀已經(jīng)有很多種類，廣泛應(yīng)用于檢測毒氣，分析宇宙飛船座艙里的氣體成分，監(jiān)察環(huán)境等方面。

這些氣體分析儀，原理和顯示都和電現(xiàn)象有關(guān)，所以人們把它叫做電子鼻。把電子鼻和電子計(jì)算機(jī)組合起來，就可以做成機(jī)器人的嗅覺系統(tǒng)了。機(jī)器人的耳朵

人的耳朵是僅次于眼睛的感覺器官，聲波扣擊耳膜，引起聽覺神經(jīng)的沖動，沖動傳給大腦的聽覺區(qū)，因而引起人的聽覺。機(jī)器人的耳朵通常是用“微音器”或錄音機(jī)來做的。被送到太空去的遙控機(jī)器人，它的耳朵本身就是一架無線電接收機(jī)。人的耳朵是十分靈敏的。我們能聽到的最微弱的聲音，它對耳膜的壓強(qiáng)是每平方厘米只有一百億分之幾公斤。這個(gè)壓強(qiáng)的大小只是大氣壓強(qiáng)的一百億分之幾?？墒怯靡环N叫做鈦酸鋇的壓電材料做成的“耳朵”比人的耳朵更為靈敏，即使是火柴棍那樣細(xì)小的東西反射回來的聲波也能被它“聽”的清清楚楚。如果用這樣的耳朵來監(jiān)聽糧庫，那么在二到三公斤的糧食里的一條小蟲爬動的聲音也能被它準(zhǔn)確地“聽”出來。用壓電材料做成的“耳朵”之所以能夠聽到聲音，其原因就是壓電材料在受到拉力或者壓力作用的時(shí)候能產(chǎn)生電壓，這種電壓能使電路發(fā)生變化。這種特性就叫做壓電效應(yīng)。當(dāng)它在聲波的作用下不斷被拉伸或壓縮的時(shí)候，就產(chǎn)生了隨聲音信號變化而變化的電流，這種電流經(jīng)過放大器放大后送入電子計(jì)算機(jī)（相當(dāng)于人大腦的聽區(qū)）進(jìn)行處理，機(jī)器人就能聽到聲音了。但是能聽到聲音只是做到了第一步，更重要的是要能識別不同的聲音。目前人們已經(jīng)研制成功了能識別連續(xù)話音的裝置，它能夠以百分之九十九的比率，識別不是特別指定的人所發(fā)出的聲音，這項(xiàng)技術(shù)就使得電子計(jì)算機(jī)能開始“聽話”了。這將大大降低對電子計(jì)算機(jī)操作人員的特殊要求。操作人員可以用嘴直接向電子計(jì)算機(jī)發(fā)布指令，改變了人在操作機(jī)器的時(shí)候手和眼睛忙個(gè)不停而與此同時(shí)嘴巴和耳朵卻是閑著的狀況。一個(gè)人可以用聲音同時(shí)控制四面八方的機(jī)器，還可以對樓上樓下的機(jī)器同時(shí)發(fā)出指令，而且并不需要照明，這樣就很適宜于在夜間或地下工作。這項(xiàng)技術(shù)也大大加速了電話的自動回答，車票的預(yù)定以及資料查找等服務(wù)工作的自動化實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程?，F(xiàn)在人們還在研究使機(jī)器人能通過聲音來鑒別人的心理狀態(tài)，人們希望未來的機(jī)器人不光能夠聽懂人說的話，還能夠理解人的喜悅，憤怒，驚訝，猶豫和曖昧等情緒。這些都會給機(jī)器人的應(yīng)用帶來極大的發(fā)展空間。美國是機(jī)器人的發(fā)源地，機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于日本，其中部分原因就是因?yàn)槊绹行┕と瞬粴g迎機(jī)器人，從而抑制了機(jī)器人的發(fā)展。日本之所以能迅速成為機(jī)器人大國，原因是多方面的，但其中很重要的一條就是當(dāng)時(shí)日本勞動力短缺，政府和企業(yè)都希望發(fā)展機(jī)器人，國民也都?xì)g迎使用機(jī)器人。由于使用了機(jī)器人，日本嘗到了甜頭，它的汽車、電子工業(yè)迅速崛起，很快占領(lǐng)了世界市場。從現(xiàn)在世界工業(yè)發(fā)展的潮流看，發(fā)展機(jī)器人是一條必由之路。沒有機(jī)器人，人將變?yōu)闄C(jī)器；有了機(jī)器人，人仍然是主人。機(jī)器人和人能友好相處嗎？專家認(rèn)為，機(jī)器人發(fā)生事故的原因不外乎3種：1、硬件系統(tǒng)故障；2、軟件系統(tǒng)故障；3、電磁波的干擾。這種意外傷人事件是偶然也是必然的，因?yàn)槿魏我粋€(gè)新生事物的出現(xiàn)總有其不完善的一面。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，這種意外傷人事件越來越少，近幾年沒有再聽說過類似事件的發(fā)生。正是由于機(jī)器人安全、可靠地完成了人類交給的各項(xiàng)任務(wù)，使人們使用機(jī)器人的熱情才越來越高。美國正在研究一種航天器內(nèi)使用的機(jī)器人，計(jì)劃在兩年之后被宇航員帶入太空，做一些宇航員無法做到的事情，成為宇航員最得力的助理。這種機(jī)器人只有壘球那么大，可以對航天器中的生命維持系統(tǒng)進(jìn)行自動監(jiān)視、攝像和排除障礙等，同時(shí)還可以代替已損壞的傳感器完成監(jiān)視任務(wù)。可以說，有了它，今后的航天器在太空中飛行將更加安全。人與機(jī)器人一起做實(shí)驗(yàn)機(jī)器人是人類的助手和朋友

在科幻小說和電影電視中，我們對機(jī)器人作戰(zhàn)的場面已不陌生。機(jī)器人不外乎分為兩種，一種是人類的朋友，協(xié)助正義戰(zhàn)勝邪惡；另一種則是人類的敵人，給世界帶來災(zāi)禍。英國雷丁大學(xué)教授凱文·渥維克是控制論領(lǐng)域知名專家，他在《機(jī)器的征途》一書中描寫了機(jī)器人對未來社會的影響。他認(rèn)為50年內(nèi)機(jī)器人將擁有高于人類的智能。機(jī)器人在某些方面確實(shí)比人類強(qiáng)，比如：速度比人快，力量比人大等，但機(jī)器人的綜合智能較人類還相去甚遠(yuǎn)，還沒有對人類形成任何威脅。但這是否說明人類永遠(yuǎn)能控制或戰(zhàn)勝自己的創(chuàng)造物呢？現(xiàn)在還不得而知。這些預(yù)見從另一個(gè)角度給人們敲響了警鐘，不要給自己創(chuàng)造敵人?？寺〖夹g(shù)的出現(xiàn)，在社會上引起了很大的爭議，大多數(shù)國家禁止克隆人。對于機(jī)器人還沒有到這種地步，因?yàn)楝F(xiàn)在的機(jī)器人不僅未對我們構(gòu)成威脅，而且給社會帶來了巨大的裨益。對于一些對人類有害，如帶攻擊武器的軍用機(jī)器人應(yīng)有所選擇并限制起其發(fā)展，我們不應(yīng)將生殺大權(quán)交給機(jī)器人。導(dǎo)盲機(jī)器人為盲人引路

機(jī)器人與人共舞隨著工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，信息化的到來，我們開始進(jìn)入知識經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代。創(chuàng)新是這個(gè)時(shí)代的源動力。文化的創(chuàng)新、觀念的創(chuàng)新、科技的創(chuàng)新、體制的創(chuàng)新改變著我們的今天，并將改造我們的明天。新舊文化、新舊思想的撞擊、競爭，不同學(xué)科、不同技術(shù)的交叉、滲透，必將迸發(fā)出新的精神火花，產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和物質(zhì)力量。機(jī)器人技術(shù)就是在這樣的規(guī)律和環(huán)境中誕生和發(fā)展的?？萍紕?chuàng)新帶給社會與人類的利益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的危險(xiǎn)。機(jī)器人的發(fā)展史已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從工業(yè)走向農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)；從產(chǎn)業(yè)走進(jìn)醫(yī)院、家庭；從陸地潛入水下、飛往空間；......。機(jī)器人展示出它們的能力與魅力，同時(shí)也表示了它們與人的友好與合作。“工欲善其事，必先利其器”。人類在認(rèn)識自然、改造自然、推動社會進(jìn)步的過程中，不斷地創(chuàng)造出各種各樣為人類服務(wù)的工具，其中許多具有劃時(shí)代的意義。作為20世紀(jì)自動化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會的生產(chǎn)、生活密不可分。世間萬物，人力是第一資源，這是任何其它物質(zhì)不能替代的。盡管人類社會本身還存在著不文明、不平等的現(xiàn)象，甚至還存在著戰(zhàn)爭，但是，社會的進(jìn)步是歷史的必然