機器人學-第1章 緒論(4)

1、1Ch. 1 Introduction第第1章章 緒論緒論1.1Development of Robotics機器人學的發(fā)展機器人學的發(fā)展1.2 Features, Structure and Classification of Robots 機器人特點、結(jié)構與分類機器人特點、結(jié)構與分類1.3 Robotics and AI 機器人學與人工智能機器人學與人工智能1.4 Main Contents of the Course 機器人學機器人學21.1Development of Robotics機器人學的發(fā)展1.1.1 Origin of Robotics 機器人的由來人類長期以來的愿望：創(chuàng)造出

2、一種像人一樣的機器來代替人類進行各種工作；木牛流馬？記里鼓車寫字機器人1.1 Development of Robotics31.1.1 History of Robotics 機器人的歷史1920年，捷克劇作家卡雷爾凱培克在幻想情節(jié)劇羅薩姆的萬能機器人(Rossums Universal Robots, RUR)中，第一次提出了名詞“機器人”； Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”) Robot(英文，“機器人”)1.1 Development of Robotics41.1.1 History of Robotics 1950年，美國科學幻想小說巨匠阿西摩夫在小說我是機器人中，提出了

3、著名的 “機機器人三定律器人三定律 (Three Laws of Robotics) ” ：First Law: A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm.Second Law: A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law.Third Law: A robot must p

4、rotect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law. Isaac Asimov1.1 Development of Robotics51.1.1 History of Robotics 1962年，美國萬能自動化公司（Unimation）的第一臺機器人Unimate在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代機器人的誕生。 1.1 Development of Robotics61.1.1 History of Robotics 1969年 日本早稻田大

5、學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人(Humanoid Robot)，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1.1 Development of Robotics71.1.1 History of Robotics 1978年，美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。 1.1 Development of Robotics81.1.1 History of Robo

6、tics 2002年 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。 1.1 Development of Robotics91.1.1 History of Robotics 2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。 1.1 Development of Robotics101.1.2 Definition of Robotics 機器人的

7、定義Definition 1機器人是“貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具人格的機器” 。(The Concise Oxford Dictionary, COD)nDefinition 2“A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks” （Robotic Indu

8、stries Association, RIA）1.1 Development of Robotics111.1.2 Definition of Robotics nDefinition 3工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(end effector)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”。（Japan Industrial Robot Association, JIRA）Definition 4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)任務的機械裝置”。 (National Bureau of Standards, NBS) 1.1 Dev

9、elopment of Robotics121.1.2 Definition of Robotics nDefinition 5“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，能夠借助于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”。 國際標準組織（ISO）Definition 6機器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作；（2）具有智力或感覺與識別能力；（3）是人造的機器或機械電子裝置。 中國1.1 Development of Robotics131.1.3 Advances in Robotics 機器人學的進展20世紀70年代以

10、來，機器人學的發(fā)展特點機器人償還期(Payback period)理論促進對機器人產(chǎn)業(yè)的投資；日本后來居上，成為“機器人王國”；機器人產(chǎn)業(yè)在全世界迅速發(fā)展；應用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領域 ；形成了新學科機器人學(Robotics) ；機器人向智能化(Intellectual)方向發(fā)展 。1.1 Development of RoboticsEstimated yearly shipments of industrial robots141.1 Development of RoboticsEstimated yearly supply of industrial robots at y

11、ear-endin Total World by main Industries 2006-2007151.1 Development of Robotics161.2 Features, Structure and Classification of Robots 機器人特點、結(jié)構與分類1.2.1 Main Features of Robotsn通用性（Versatility） 通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡單任務的實際能力，它取決于其幾何特性和機械能力 。 n適應性（Adaptability） 適應性是指其對環(huán)境的自適應能力，即所設計的機器 人能夠自我執(zhí)行未經(jīng)完全指定的任務，

12、而不管任務執(zhí) 行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。 1.2 Features, Structure and Classification of Robots171.2.2 Structure of A Robot System一個機器人系統(tǒng)，一般由機械手、環(huán)境、任務和控制器四個互相作用的部分組成圖1.1 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構機械手機械手(Manipulator)具有傳動執(zhí)行裝置傳動執(zhí)行裝置的機械，由臂臂、關節(jié)關節(jié)和末端執(zhí)行裝置末端執(zhí)行裝置（工具等）構成。1.2 Features, Structure and Classification of Robots18一個機器人系統(tǒng)，一般由機械手、環(huán)

13、境、任務和控制器四個互相作用的部分組成圖1.1 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構環(huán)境環(huán)境(Environment)環(huán)境即指導機器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件（可達空間）所決定，而且由環(huán)境和它所包含的每個事物的全部自然特性所決定的。 1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots19一個機器人系統(tǒng)，一般由機械手、環(huán)境、任務和控制器四個互相作用的部分組成圖1.1 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構任務任務(Task)任務定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標狀態(tài)）之間的差別。必須用適當?shù)某绦蛟O計

14、語言來描述這些任務。1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots20一個機器人系統(tǒng)，一般由機械手、環(huán)境、任務和控制器四個互相作用的部分組成圖1.1 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構控制器控制器(Controller)機器人接收來自傳感器的信號，對之進行數(shù)據(jù)處理，并按照預存信息、機器人的狀態(tài)及其環(huán)境情況等，產(chǎn)生出控制信號去驅(qū)動機器人的各個關節(jié)?？刂破鲀?nèi)存主要存有：（1）機器人動作模型（2）環(huán)境模型（3）任務程序（4）控制算法1.2.2 Structure of A Robot Sys

15、tem1.2 Features, Structure and Classification of Robots211.2.3 Degree of Freedom （DOF）of Robots 機器人的自由度DOF of a Rigid Body剛體的自由度圖1.3 剛體的六個自由度1.2 Features, Structure and Classification of Robots221.2.3 DOF of RobotsDOF of Robots機器人的自由度圖1.4 機器人自由度舉例1.2 Features, Structure and Classification of Robots2

16、31.2.4 Classification of Robots1. Classified by Geometry Structure 柱面坐標機器人(Cylindrical)圖1.6 柱面坐標機器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots241. Classified by Geometry Structure球面坐標機器人(Spherical) 圖1.7 球面坐標機器人1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robot

17、s25關節(jié)式球面坐標機器人(Articulated) 圖1.8 關節(jié)式球面機器人1.2.4 Classification of Robots1. Classified by Geometry Structure1.2 Features, Structure and Classification of Robots26非伺服機器人（Non-servo robots） 按照預先編好的程序順序順序進行工作圖1.9 有限順序機器人方塊圖1.2.4 Classification of Robots2. Classified by Control Mode1.2 Features, Structure a

18、nd Classification of Robots27伺服控制機器人（Servo-controlled robots） 是一個反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) (Feedback control system)圖1.10 伺服控制機器人方塊圖1.2.4 Classification of Robots2. Classified by Control Mode1.2 Features, Structure and Classification of Robots283. Classified by Input Message of Controller日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA） 分類法手動操作手

19、定序機器人變序機器人復演式機器人程控機器人智能機器人n美國機器人協(xié)會（RIA） 分類法把JIRA分類法中的后四種當作機器人 。1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots29n法國工業(yè)機器人協(xié)會（French Association of Industrial Robotics, AFRI） 分類法A型：手控或遙控加工設備。B型：具有預編工作周期的自動加工設備。C型：程序可編和伺服機器人，具有點位或連續(xù)路徑軌跡，稱為第一代機器人。D型：能獲取一定的環(huán)境數(shù)據(jù)，稱為第二代機器人。

20、3. Classified by Input Message of Controller1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots301.2.4 Classification of Robots4. Classified by Intellectual Leveln一般機器人，不具有智能，只具有一般編程能力和操作功能。智能機器人(Intellectual Robot)，具有不同程度的智能傳感型機器人 (Sensory Robot) 交互型機器人 (Interactive R

21、obot)自立型機器人 (Autonomous Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots311.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人(Industry Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots321.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人(Indus

22、try Robot)n探索機器人(Exploration Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots331.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人(Industry Robot)n探索機器人(Exploration Robot)n服務機器人(Service Robot) 1.2 Features, Structure and Classification of Robots341.2.4 Classification of

23、Robots5. Classified by Applicationn工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人(Industry Robot)n探索機器人(Exploration Robot)n服務機器人(Service Robot) n軍事機器人(Military Robot) 1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots5. Classified by Applicationn工業(yè)機器人或產(chǎn)業(yè)機器人(Industry Robot)n探索機器人(E

24、xploration Robot)n服務機器人(Service Robot) n軍事機器人(Military Robot) 351.2.4 Classification of Robots1.2 機器人特點、結(jié)構與分類361.2.4 Classification of Robots6. Classified by Mobilityn固定式機器人(Fixed Robot)n移動機器人 (Mobile Robot) 輪式Wheeled robot履帶式Pedrail robot足式Foot robot1.2 Features, Structure and Classification of Rob

25、ots371.3 Robotics and AI 機器人學與人工智能nRelationship Between Robotics and AI n機器人學的進一步發(fā)展需要人工智能基本原理的指導，并采用各種人工智能技術；n機器人學的出現(xiàn)與發(fā)展為人工智能的發(fā)展產(chǎn)生了新的推動力，并提供一個很好的試驗與應用場所。nAI Research Topics in RoboticsnSensor Information ProcessingnRobot PlanningnExpert SystemnNatural Language Understanding1.3 Robotics and AI381.3.2

26、 Research Fields of RoboticsSensor and Sensory SystemDrive, Modeling, and ControlAutomatic Planning Robot-used Computer SystemApplication Research 1.3 Robotics and AI391.3.3 Intelligent Robots 智能機器人智能機器人的控制系統(tǒng)主要組成:以知識為基礎的知識決策系統(tǒng)和信號識別與處理系統(tǒng)。 圖1.11 一種智能機器人系統(tǒng)典型方框圖1.3 Robotics and AI401. Main Academic Circ

27、les in AIn符號主義（Symbolicism） n認為人工智能源于數(shù)理邏輯(Symbolic logic)；n其原理主要為物理符號系統(tǒng)（即符號操作系統(tǒng)）假設和有限合理性原理；n代表人物有紐厄爾（Newell）、肖(Shaw)、西蒙(Simon)和尼爾遜（Nilsson）等 ；n代表成果為專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)(Expert System)。1.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics1.3 Robotics and AI411. Main Academic Circles in AI連接主義（Connectionism）認為人工智能源于仿生

28、學(Bionics)，特別是人腦模型的研究；其原理主要為神經(jīng)網(wǎng)絡神經(jīng)網(wǎng)絡(Neural Network)及神經(jīng)網(wǎng)絡間的連接機制與學習算法；代表人物有Hopfield 、魯梅爾哈特（Rumelhart）等 。行為主義（Actionism）認為人工智能源于控制論(Cybernetics) ；其原理為控制理論控制理論(Control Theory)及感知動作型控制系統(tǒng)；代表人物有布魯克斯（Brooks）。1.3 Robotics and AI421.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics2. Debate on AI Theory n符號主義（S

29、ymbolicism） n人的認知基元是符號，而且認知過程即符號操作過程n人是一個物理符號系統(tǒng)，計算機也是一個物理符號系統(tǒng)，因此，我們就能夠用計算機來模擬人的智能行為，即用計算機的符號操作來模擬人的認知過程。 n人工智能的核心問題是知識表示、知識推理和知識運用。 1.3 Robotics and AI432. Debate on AI Theory連接主義（Connectionism）人的思維基元是神經(jīng)元；它對物理符號系統(tǒng)假設持反對意見，認為人腦不同于電腦，并提出連接主義的大腦工作模式。行為主義（Actionism）智能取決于感知和行動，提出智能行為的“感知動作”模式；智能不需要知識、不需要表

30、示、不需要推理；人工智能可以象人類智能一樣逐步進化智能行為只能在現(xiàn)實世界中與周圍環(huán)境交互作用而表現(xiàn)出來。 1.3 Robotics and AI443. Debate of AI and Its Influence to Robotics這些爭論在機器人學上有所反映；在機器人學上，人工智能各派思想能夠“和睦共處”，不存在排他性，甚至可在一個機器人系統(tǒng)上同時共存幾個學派的思想。1.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics1.3 Robotics and AI451. Introduction to Robotics: the origin and development of Robotics; definition of a robot; feature, structure, and classification of robots; relationship between Robotics and AI. 2. Mathematical Foundations: Representation of position a