機器人學及其應用導論 課件 第一章-緒論

《機器人學及其應用--導論》大綱陶永

北京航空航天大學機械學院機械工程學會機器人分會專家委委員中國電子學會機器人與嵌入式系統(tǒng)分會專家委委員一、大綱內容簡介《機器人學及其應用--導論》由三部分組成機器人的定義與體系：主要介紹機器人學的起源與發(fā)展、機器人的定義與分類、機器人學的主要研究領域和重要意義；機器人的科學問題與核心關鍵技術：講解機器人學領域的主要科學問題和關鍵技術，包括機構與驅動、運動學與動力學、傳感器與視覺、運動規(guī)劃與控制、典型的控制算法等；機器人的典型應用：用豐富的實例展示機器人在各領域的典型應用，涵蓋工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人，以及機器人技術與產業(yè)發(fā)展展望。一、大綱內容簡介

本講座僅對機器人的定義、科學理論、典型應用等進行精煉的概述，同時介紹部分機器人經典的理論和案例。

針對關鍵科學問題的詳細闡述，將在系列叢書的其他著作中進行描述。

二、《機器人學及其應用--導論》總目錄第一章：緒論1.1機器人學的起源與發(fā)展歷史；1.2機器人的定義；1.3機器人的分類（機器人的體系）；1.4機器人學的研究領域；1.5機器人的意義（科學、經濟與產業(yè)、社會）第二章：機器人機構與驅動2.1系統(tǒng)特征（包含工作范圍、負載能力、運動骨架）；2.2機械結構（包含連桿、關節(jié)、末端執(zhí)行器）；2.3關節(jié)機構（包含關節(jié)軸結構、驅動器、變速器；串聯、并聯、串并聯等）；2.4機器人性能（包含速度、加速度、重復性、分辨率、精度、組件壽命、碰撞）第三章：機器人運動學與動力學3.1位姿描述與齊次變換；3.2正運動學與逆運動學；3.3機器人的雅克比公式；3.4剛體動力學方程；3.5機器人動力學方程的簡化與計算；3.6機器人靜態(tài)特性與動態(tài)特性二、《機器人學及其應用--導論》總目錄第四章：機器人傳感器與視覺4.1機器人傳感器概述；4.2傳感器及其信息融合；4.3機器人視覺測量；4.4

視覺核心技術；第五章：機器人運動規(guī)劃與控制方法5.1任務規(guī)劃5.2運動規(guī)劃5.3軌跡規(guī)劃5.4人機交互二、《機器人學及其應用--導論》總目錄第六章：機器人典型控制算法6.1PID控制方法；6.2模糊控制算法；6.3遺傳算法；6.4神經網絡算法6.5自學習/深度學習算法6.6遙操作與人機交互算法第七章：機器人的典型應用7.1工業(yè)機器人的典型應用7.2服務機器人的典型應用7.3特種機器人的典型應用《機器人學及其應用—導論》第一章緒論提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領域

機器人的概念

機器人技術發(fā)展歷史3

機器人的分類與應用環(huán)境起源：在我國，最早的機器人應該是指南車，指南車出現的時間很早，但是直到宋代才有較為完整的資料。指南車是中國古代用來指示方向的一種裝置。一、機器人技術發(fā)展歷史除了指南車外，我國歷史上比較有名的機器人形象當屬木牛流馬，木牛是有前轅的獨輪車，流馬是沒有前轅的獨推小車。1800年前的漢代，大科學家張衡不僅發(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。1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術發(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。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，結構巧妙，服裝華麗，在歐洲風靡一時。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。一、機器人技術發(fā)展歷史人偶機器人10一、機器人技術發(fā)展歷史現代機器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）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

美國麻省理工學院開始研制數控銑床隨著先進飛機制造的需要，美國麻省理工學院輻射實驗室（MITRadiationLaboratory）開始研制數控銑床。1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動作的多軸數控銑床。1954年“可編程”“示教再現”機器人美國人GeorgeC.Devol設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，并發(fā)表了題為《適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人》的文章。11一、機器人技術發(fā)展歷史60年代機器人產品正式問世，機器人技術開始形成1960年美國“聯合控制公司”（ConsolidatedControl）根據Devol的專利技術，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，開始定型生產名為Unimate的工業(yè)機器人。1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)70年代機器人技術發(fā)展成為專門學科機器人產業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機器人技術發(fā)展成為專門學科，稱之為機器人學（Robotics）。80年代開始進入智能機器人研究階段80年代，不同結構、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。隨著傳感技術和智能技術的發(fā)展，開始進入智能機器人研究階段。經歷了40多年的發(fā)展，機器人技術逐步形成了一門新的綜合性學科—機器人學（Robotics）工業(yè)機器人----發(fā)展歷程萌芽誕生，1945世界二次大戰(zhàn)核材料加工，機構學與數控機床，1954美國專利，PUMA機器人，1960年代賣給了日本川崎，機械、摩托車及汽車,1980年形成工業(yè)產業(yè)市場形成，1970汽車、摩托車及零部件，1990裝配與物流搬運，2000軍用、家用、醫(yī)療等，汽車、機械、軍警、醫(yī)療、食品等標配設備。目前世界與中國大約裝機160萬臺套/6-10萬臺套，60-100億美元/50-100億人民幣，將帶動8-10倍成套設計、相關工裝、零部件、技術培訓等市場提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領域

機器人的概念

機器人技術發(fā)展歷史3

機器人的分類與應用環(huán)境國際標準化組織（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。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)任務的機械裝置。美國機器人協會（RIA）的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手。日本工業(yè)機器人協會（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，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。14二、機器人的概念國際和國外相關組織的定義—工業(yè)機器人按照國際機器人權威機構的定義，服務機器人是指除從事工業(yè)生產以外的一大類半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類的服務工作。15二、機器人的概念服務機器人的定義綜合諸家的解釋，可按以下特征描述機器人：1.機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官(如肢體、感官等)的功能；2.機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變，是柔性加工主要組成部分；3.機器人具有不同程度的智能，如感知、決策、執(zhí)行、學習等；4.機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預。二、機器人的概念提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領域

機器人的概念

機器人技術發(fā)展歷史3

機器人的分類與應用環(huán)境18三、機器人的分類與應用環(huán)境以安全可靠、環(huán)保節(jié)能、使用便捷為準則按照從低級→高級的發(fā)展程度可分為三類機器人:第一代機器人：即可編程、示教再現工業(yè)機器人，已進入商品化、實用化。第二代機器人：裝備有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機作出簡單的推理，對動作進行反饋的機器人，通常稱為低級智能機器人。第三代機器人：具有高度適應性的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動。第三代機器人又稱作高級智能機器人。按照開發(fā)內容和目的區(qū)分，可分為以下三類機器人工業(yè)機器人（IndustrialRobot）：應用于生產過程與環(huán)境的機器人，如焊接、噴漆、裝配機器人。服務機器人（ServiceRobot）：服務于人的機器人，如助老助殘機器人、康復機器人、清潔機器人、護理機器人、醫(yī)療機器人、教育娛樂機器人、……特種機器人（SpecialRobots）：特殊環(huán)境下作業(yè)的機器人，如核工業(yè)機器人、極地科考機器人、反恐防暴機器人、軍用機器人、救援機器人、……三、機器人的分類與應用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應、極端環(huán)境防護領域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應用服務機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應、交互、安全領域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復作業(yè)領域：汽車、電子產品制造等三、機器人的分類與應用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應、極端環(huán)境防護領域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應用服務機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應、交互、安全領域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復作業(yè)領域：汽車、電子產品制造等近3年年均銷售23萬臺，銷售額90億美元，年均增長約12%應用領域沒有明顯突破，國內市場被國外壟斷近3年年均銷售480萬臺，銷售額80多億美元，年均增長近30%應用領域不斷突破，市場潛力巨大，未來20年井噴式增長近3年年均銷售4萬余套，銷售額約20多億美元，年均增長約18%應用環(huán)境特殊，關乎國防發(fā)展，未來迅速增長三、機器人的分類與應用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應、極端環(huán)境防護領域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應用服務機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應、交互、安全領域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復作業(yè)領域：汽車、電子產品制造等環(huán)境固定，智能要求不高環(huán)境變化，自主感知與決策的本體智能要求高環(huán)境瞬息萬變，本體智能和外部智能要求都很高三、機器人的分類與應用環(huán)境國外熱門產品不斷涌現醫(yī)療康復機器人：微創(chuàng)外科手術機器人、血管介入機器人…家政服務與教育機器人：清潔機器人、教育娛樂機器人…特種作業(yè)機器人：極限作業(yè)機器人、反恐防暴機器人…我國服務機器人產品嶄露頭角我國已初步形成了水下自主機器人、消防機器人、搜救/排爆機器人、仿人機器人、醫(yī)療機器人、機器人護理床和智能輪椅、烹飪機器人等系列產品，顯展示出一定的市場前景。三、機器人的分類與應用環(huán)境工業(yè)機器人在工業(yè)生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。共性機加工機器人食品包裝機器人特征：模塊化的結構設計、靈活的控制系統(tǒng)、專用的應用軟件特征：節(jié)省了大量人力，減少了包裝破損，提高了自動化水平。倉儲物流機器人特征：引導方式為磁條引導，激光引導，RFID引導等汽車制造機器人前景：提升加工手段，提高產品質量，增加企業(yè)競爭力工業(yè)機器人在工業(yè)生產中的應用醫(yī)療/康復機器人護理機器人助殘假肢手術機器人家居服務機器人游爾機器人—YOBYPEPER炒菜機器人清潔機器人教育機器人特種機器人的應用環(huán)境提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領域

機器人的概念

機器人技術發(fā)展歷史3

機器人的分類與應用環(huán)境仿人/仿生機器人成為了機器與智能的綜合集成平臺自主感知與決策將成為機器人自主行為控制的核心云智能、群體智能是未來機器人發(fā)展的重要方向人-機器人的智能和功能融合是智能機器人技術發(fā)展的新興領域機器人的發(fā)展趨勢是指構成機器人傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，對機器人性能起到關鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。主要分成以下三部分：高精度機器人減速機高性能交直流伺服電機和驅動器高性能機器人控制器機器人關鍵基礎部件31四、機器人的發(fā)展趨勢與研究領域機器人的研究領域：驅動、建模與控制：機器人驅動器可將電能、液壓能和氣壓能轉化為機器人的動力。機器人建模是指機器人結構的設計與搭建。

對于此領域的研究，主要集中于驅動電機的改進和控制機理的研究驅動電機32四、機器人的發(fā)展趨勢與研究領域機器人的研究領域：傳感器與感知系統(tǒng)：傳感器是機器人用于獲取外界信息的電子元件，而感知系統(tǒng)是一連串復雜程序所組成的