機器人課件chapter1章節(jié)課件VIP

Chapter1

IntroductionofRobotics

Roboticsisaninterdisciplinarybranchofengineeringandsciencethatincludesmechanicalengineering,electronicengineering,informationengineering,computerscience,andothers.Roboticsdealswiththedesign,construction,operation,anduseofrobots,aswellascomputersystemsfortheircontrol,sensoryfeedback,andinformationprocessing.TextA機器人學是工程與科學的跨學科分支，包括機械工程、電子工程、信息工程、計算機科學等。機器人學涉及機器人的設計、構造、操作和使用，以及控制、感覺反饋和信息處理的計算機系統(tǒng)。Thesetechnologiesareusedtodevelopmachinesthatcansubstituteforhumansandreplicatehumanactions.Robotscanbeusedinmanysituationsandforlotsofpurposes,buttodaymanyareusedindangerousenvironments(including

bombdetectionanddeactivation),manufacturingprocesses,orwherehumanscannotsurvive(e.g.inspace).Robotscantakeonanyformbutsomearemadetoresemblehumansinappearance.Thisissaidtohelpintheacceptanceofarobotincertainreplicativebehaviorsusuallyperformedbypeople.Suchrobotsattempttoreplicatewalking,lifting,speech,cognition,andbasicallyanythingahumancando.Manyoftoday’srobotsareinspiredbynature,contributingtothefieldofbio-inspiredrobotics.這些技術被用來開發(fā)可以替代人類和復制人類行為的機器。機器人可以用于多種情況和多種目的，但現(xiàn)在在危險的環(huán)境中（包括炸彈探測和拆除）都應用了機器人，危險的環(huán)境包括制造過程，或人類無法生存的地方（如太空）。機器人可以以任何形式出現(xiàn)，有些機器人的外形與人類相似。據說這有助于人們接受機器人的某些復制行為，而這些行為通常是由人類能夠完成的。這些機器人試圖復制走路、舉重、說話、認知，以及人類幾乎能做的所有事情。今天的許多機器人都受到自然的啟發(fā)，為生物機器人領域做出了貢獻。Theconceptofcreatingmachinesthatcanoperateautonomouslydatesbacktoclassicaltimes,butresearchintothefunctionalityandpotentialusesofrobotsdidnotgrowsubstantiallyuntilthe20thcentury.Throughouthistory,ithasbeenfrequentlyassumedbyvariousscholars,inventors,engineers,andtechniciansthatrobotswillonedaybeabletomimichumanbehaviorandmanagetasksinahuman-likefashion.Today,roboticsisarapidlygrowingfield,astechnologicaladvancescontinue;researching,designing,andbuildingnewrobotsservevariouspracticalpurposes,whetherdomestically,commercially,ormilitarily.Manyrobotsarebuilttodojobsthatarehazardoustopeoplesuchasdefusingbombs,findingsurvivorsinunstableruins,andexploringminesandshipwrecks.RoboticsisalsousedinSTEM1asateachingaid.創(chuàng)造能夠自主操作的機器的概念可以追溯到古典時代，但是對機器人的功能和潛在用途的研究直到20世紀才有實質性的發(fā)展。縱觀歷史，許多學者、發(fā)明家、工程師和技術人員經常認為，機器人有一天將能夠模仿人類的行為，并以類似人類的方式管理任務。今天，隨著技術的不斷進步，機器人技術是一個快速發(fā)展的領域。無論是自用、商用或軍事用途上，研究、設計和制造新型機器人都具有各種實際使用場景。被一些對人類有害的任務都用機器人來解決，如拆除炸彈，在不穩(wěn)定的廢墟中尋找幸存者，以及探測地雷和沉船。STEM也用機器人作為教學輔助工具。Commercialandindustrialrobotsarewidespreadtodayandusedtoperformjobsmorecheaply,moreaccuratelyandmorereliably,thanhumans.Theyarealsoemployedinsomejobswhicharetoodirty,dangerous,ordulltobesuitableforhumans.Robotsarewidelyusedinmanufacturing,assembly,packingandpackaging,mining,transport,earthandspaceexploration,surgery,weaponry,laboratoryresearch,safety,andthemassproductionofconsumerandindustrialgoods.商業(yè)和工業(yè)機器人在今天很普遍，它們比人類更便宜、更準確、更可靠地完成工作。他們還從事一些太臟、太危險或太枯燥以至于不適合人類的工作。機器人廣泛應用于制造、裝配、包裝和裝潢、采礦、運輸、地球和空間勘探、外科手術、武器裝備、實驗室研究、安全以及消費品和工業(yè)品的大規(guī)模生產。EtymologyThewordroboticswasderivedfromthewordrobot,whichwasintroducedtothepublicbyCzechwriterKarel?apekinhisplayR.U.R.(Rossum’sUniversalRobots),whichwaspublishedin1920.ThewordrobotcomesfromtheSlavicwordrobota,whichmeanslabour/work.Theplaybeginsinafactorythatmakesartificialpeoplecalledrobots,creatureswhocanbemistakenforhumans–verysimilartothemodernideasofandroids.AccordingtotheOxfordEnglishDictionary,thewordroboticswasfirstusedinprintbyIsaacAsimov,inhissciencefictionshortstory“Liar!”,publishedinMay1941inAstoundingScienceFiction.語源機器人學這個詞來源于“機器人”這個詞，這是由捷克作家卡雷爾·卡佩克在他1920年出版的戲劇R.U.R.（羅莎的全能機器人）中向公眾介紹的。robot這個詞來自斯拉夫語robota，意思是勞動/工作。該戲劇開始于一家稱為“機器人”的人造人的工廠，這些被制造的人可能會被誤認為是人類——這與現(xiàn)代的機器人概念非常相似。根據《牛津英語詞典》的說法，1941年5月，艾薩克·阿西莫夫在他發(fā)表的科幻短篇小說《說謊者》中首次使用機器人一詞。HistoryIn1939,thehumanoidrobotknownasElektroappearedattheWorld’sFair.Sevenfeettall(2.1m)andweighing265pounds(120kg),itcouldwalkbyvoicecommand,speakabout700words(usinga78-rpmrecordplayer),smokecigarettes,blowupballoons,andmoveitsheadandarms.Thebodyconsistedofasteelgearcamandmotorskeletoncoveredbyanaluminiumskin.In1939KonradZuseconstructedthefirstprogrammableelectromechanicalcomputer,layingthefoundationfortheconstructionofahumanoidmachinethatisnowdeemedarobot.歷史1939年，名為Elektro的人形機器人出現(xiàn)在世界博覽會上。它身高7英尺（2.1米），體重265磅（120千克），能通過語音指令行走，能說大約700個單詞（使用78轉的錄音機），能抽煙，能吹氣球，還能活動頭部和手臂。身體由鋼齒輪凸輪和覆蓋鋁皮的電機骨架組成。1939年，康拉德·楚澤建造了第一臺可編程的機電計算機，為現(xiàn)在被認為是機器人的仿人機器的建造奠定了基礎。In1951WalterpublishedthepaperAMachinethatlearns,documentinghowhismoreadvancedmechanicalrobotsactedasintelligentagentbydemonstratingconditionedreflexlearning.ThefirstdigitallyoperatedandprogrammablerobotwasinventedbyGeorgeDevolin1954andwascalledtheUnimate.Thislaterlaidthefoundationsofthemodernroboticsindustry.1951年，沃爾特發(fā)表了一篇論文《機器學習》，記錄了他的更先進的機械機器人是如何通過條件反射學習來充當智能代理的。1954年，喬治·德沃爾發(fā)明了第一臺數字操作和可編程的機器人，名為Unimate。后來它奠定了現(xiàn)代機器人工業(yè)的基礎。DevolsoldthefirstUnimatetoGeneralMotors2in1960,anditwasinstalledin1961inaplantinEwingTownship,NewJerseytolifthotpiecesofmetalfromadiecastingmachineandplacethemincoolingliquid.Devol’spatentforthefirstdigitallyoperatedprogrammableroboticarmrepresentsthefoundationofthemodernroboticsindustry.德沃爾在1960年將第一臺Unimate賣給了通用汽車，1961年在新澤西州尤因鎮(zhèn)的一家工廠安裝了Unimate，用來從壓鑄機中取出熱金屬片，并將其放入冷卻液中。德沃爾的首個數字操作可編程機器人手臂專利奠定了現(xiàn)代機器人工業(yè)的基礎。ThedevelopmentofhumanoidrobotswasadvancedconsiderablybyJapaneseroboticsscientistsinthe1970s.WasedaUniversityinitiatedtheWABOTprojectin1967,andin1972completedtheWABOT-13.Itslimbcontrolsystemallowedittowalkwiththelowerlimbs,andtogripandtransportobjectswithhands,usingtactilesensors.Itsvisionsystemallowedittomeasuredistancesanddirectionstoobjectsusingexternalreceptors,artificialeyesandears.AnditsconversationsystemallowedittocommunicatewithapersoninJapanese,withanartificialmouth.Thismadeitthefirstandroid.日本機器人科學家在20世紀70年代推動了仿人機器人的發(fā)展。早稻田大學于1967年啟動了WABOT項目，1972年完成了WABOT-1。它的肢體控制系統(tǒng)允許它用下肢行走，用觸覺傳感器用手抓住和運輸物體。它的視覺系統(tǒng)允許它使用外部感受器、人造眼睛和耳朵來測量物體的距離和方向。它的對話系統(tǒng)允許它用仿真的嘴與人用日語交流。這使得它成為第一個人形機器人。RoboticaspectsTherearemanytypesofrobots;theyareusedinmanydifferentenvironmentsandformanydifferentuses,althoughbeingverydiverseinapplicationandformtheyallsharethreebasicsimilaritieswhenitcomestotheirconstruction:機械方面機器人有很多種。它們用于許多不同的環(huán)境和用途，用于許多不同的用途，盡管在應用程序和形式上非常不同，但它們在構建時都有三個基本的相似之處。Robotsallhavesomekindofmechanicalconstruction,aframe,formorshapedesignedtoachieveaparticulartask.Forexample,arobotdesignedtotravelacrossheavydirtormud,mightusecaterpillartracks.Themechanicalaspectismostlythecreator’ssolutiontocompletingtheassignedtaskanddealingwiththephysicsoftheenvironmentaroundit.Formfollowsfunction.機器人都有某種機械結構、框架、形式或形狀設計來完成特定的任務。例如，設計用于穿越重泥土或泥漿的機器人，可能會使用履帶。機械方面主要是創(chuàng)造者完成分配的任務和處理周圍環(huán)境物理的解決方案。形式服從功能。Robotshaveelectricalcomponentswhichpowerandcontrolthemachinery.Forexample,therobotwithcaterpillartrackswouldneedsomekindofpowertomovethetrackertreads.Thatpowercomesintheformofelectricity,whichwillhavetotravelthroughawireandoriginatefromabattery,abasicelectricalcircuit.Evenpetrolpoweredmachinesthatgettheirpowermainlyfrompetrolstillrequireanelectriccurrenttostartthecombustionprocesswhichiswhymostpetrolpoweredmachineslikecars,havebatteries.Theelectricalaspectofrobotsisusedformovement(throughmotors),sensing(whereelectricalsignalsareusedtomeasurethingslikeheat,sound,position,andenergystatus)andoperation(robotsneedsomelevelofelectricalenergysuppliedtotheirmotorsandsensorsinordertoactivateandperformbasicoperations).機器人有電子元件，為機器提供動力和控制。例如，履帶機器人需要某種動力來移動履帶。這種能量以電能的形式產生，電能必須通過電線，并由電池（一種基本的電路）產生。即使是以汽油為主要動力的汽油動力機器，也需要電流來啟動燃燒過程，這就是為什么大多數像汽車這樣的汽油動力機器都有電池的原因。機器人的電氣部分用于運動（通過電動機）、傳感（電信號用于測量熱、聲、位置和能量狀態(tài)等）和操作（機器人需要向電動機和傳感器提供一定程度的電能，以激活和執(zhí)行基本操作）。Allrobotscontainsomelevelofcomputerprogrammingcode.Aprogramishowarobotdecideswhenorhowtodosomething.Programsarethecoreessenceofarobot,itcouldhaveexcellentmechanicalandelectricalconstruction,butifitsprogramispoorlyconstructeditsperformancewillbeverypoor(oritmaynotperformatall).Therearethreedifferenttypesofroboticprograms:remotecontrol,artificialintelligenceandhybrid.Arobotwithremotecontrolprograminghasapreexistingsetofcommandsthatitwillonlyperformifandwhenitreceivesasignalfromacontrolsource,typicallyahumanbeingwitharemotecontrol.Robotsthatuseartificialintelligenceinteractwiththeirenvironmentontheirownwithoutacontrolsource,andcandeterminereactionstoobjectsandproblemstheyencounterusingtheirpreexistingprogramming.HybridisaformofprogrammingthatincorporatesbothAIandRCfunctions.所有的機器人都包含某種程度的計算機編程代碼。程序決定機器人何時或如何做某事。程序是機器人的核心本質，如果它有優(yōu)秀的機械和電氣結構，但它的程序構造不好，它的性能就會很差（或者它可能根本不執(zhí)行）。有三種不同類型的機器人程序：遠程控制、人工智能和混合類型。帶有遠程控制程序的機器人有一組預先存在的命令，只有當它接收到來自控制源的信號時才會執(zhí)行這些命令，通常有人遠程控制。使用人工智能的機器人可以在沒有控制源的情況下獨立與環(huán)境進行交互，并可以使用已有的編程來確定對對象和遇到的問題的反應?；旌暇幊淌且环N結合了AI和RC函數的編程形式。ApplicationsAsmoreandmorerobotsaredesignedforspecifictasksthismethodofclassificationbecomesmorerelevant.Forexample,manyrobotsaredesignedforassemblywork,whichmaynotbereadilyadaptableforotherapplications.Theyaretermedas“assemblyrobots”.Forseamwelding,somesuppliersprovidecompleteweldingsystemswiththeroboti.e.theweldingequipmentalongwithothermaterialhandlingfacilitiesliketurntablesetc.asanintegratedunit.Suchanintegratedroboticsystemiscalleda“weldingrobot”eventhoughitsdiscretemanipulatorunitcouldbeadaptedtoavarietyoftasks.應用隨著特定的任務應用變得越來越多的機器人，分類方法也變得更加與之相關。例如，許多機器人是為裝配工作而設計的，也就不適用于其他應用程序。它們被稱為“裝配機器人”。對于縫焊，一些供應商提供完整的焊接系統(tǒng)，將機器人即焊接設備與轉盤等其他物料搬運設施作為一個整體。這種集成的機器人系統(tǒng)被稱為“焊接機器人”，盡管其獨立的機械手部分可以適應各種任務。Currentandpotentialapplicationsinclude:Militaryrobots.Militaryrobotsareautonomousrobotsorremote-controlledmobilerobotsdesignedformilitaryapplications,fromtransporttosearch&rescueandattack.Industrialrobots.Anindustrialrobotisarobotsystemusedformanufacturing.Industrialrobotsareautomated,programmableandcapableofmovementonthreeormoreaxis.目前和潛在的應用包括：軍事機器人。軍事機器人是為軍事應用而設計的自主機器人或遙控移動機器人，從運輸到搜索、救援和攻擊。工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是一種用于制造的機器人系統(tǒng)。工業(yè)機器人是自動化的，可編程的，能夠在三個或更多的軸上運動。Collaborativerobots.Acobotisarobotintendedtophysicallyinteractwithhumansinasharedworkspace.Thisisincontrastwithotherrobots,designedtooperateautonomouslyorwithlimitedguidance,whichiswhatmostindustrialrobotswereupuntilthedecadeofthe2010s.Constructionrobots.Constructionrobotscanbeseparatedintothreetypes:traditionalrobots,roboticarm,androboticexoskeleton.協(xié)作機器人。用于在共享的工作空間中與人類進行物理交互。這與其他機器人形成了鮮明的對比，這些機器人的設計初衷是自動操作，或者在有限地指導下工作，直到21世紀10年代，大多數工業(yè)機器人都是如此。建筑機器人。建筑機器人可以分為三種類型：傳統(tǒng)機器人、機械臂和機器人外骨骼。Agriculturalrobots.Anagriculturalrobotisarobotdeployedforagriculturalpurposes.Themainareaofapplicationofrobotsinagriculturetodayisattheharvestingstage.Medicalrobots.Amedicalrobotisarobotusedinthemedicalsciences.Theyincludesurgicalrobots.Theseareinmosttelemanipulators,whichusethesurgeon’sactionsononesidetocontrolthe“effector”ontheotherside.農業(yè)機器人。農業(yè)機器人是用于農業(yè)目的的機器人。機器人在農業(yè)上的主要應用領域是收獲階段。醫(yī)療機器人。醫(yī)療機器人是用于醫(yī)學科學的機器人，包括手術機器人。它們大多數是醫(yī)生手里的工具，通過機械裝置為患者完成手術。Domesticrobots.Adomesticrobotisatypeofservicerobot,anautonomousrobotthatisprimarilyusedforhouseholdchores,butmayalsobeusedforeducation,entertainmentortherapy.家用機器人。家用機器人是一種服務型機器人，它是一種自主機器人，主要用于家務勞動，也可用于教育、娛樂或治療。ComponentsPowersource.Manydifferenttypesofbatteriescanbeusedasapowersourceforrobots.Theyrangefromlead–acidbatteries,whicharesafeandhaverelativelylongshelflivesbutareratherheavycomparedtosilver–cadmiumbatteriesthataremuchsmallerinvolumeandarecurrentlymuchmoreexpensive.Designingabattery-poweredrobotneedstotakeintoaccountfactorssuchassafety,cyclelifetimeandweight.組件電源。許多不同類型的電池可以用作機器人的電源。包括鉛酸電池，鉛酸電池是安全的，保質期相對較長，但與體積小且目前價格昂貴得多的銀鎘電池相比，鉛酸電池相當重。設計電池驅動的機器人需要考慮安全、循環(huán)壽命和重量等因素。Actuation.Actuatorsarethe“muscles”ofarobot,thepartswhichconvertstoredenergyintomovement.Sensing.Sensorsallowrobotstoreceiveinformationaboutacertainmeasurementoftheenvironment,orinternalcomponents.Thisisessentialforrobotstoperformtheirtasks,andactuponanychangesintheenvironmenttocalculatetheappropriateresponse.Theyareusedforvariousformsofmeasurements,togivetherobotswarningsaboutsafetyormalfunctions,andtoprovidereal-timeinformationofthetaskitisperforming.驅動。驅動器是機器人的“肌肉”，是將儲存的能量轉化為運動的部件。傳感。傳感器允許機器人接收關于環(huán)境或內部組件的特定測量信息。這對于機器人執(zhí)行它們的任務，并根據環(huán)境中的任何變化來計算適當的響應是至關重要的。傳感器應用于各種形式的測量，向機器人發(fā)出安全或故障警告，并提供其正在執(zhí)行的任務的實時信息。Manipulation.Robotsneedtomanipulateobjects:pickup,modify,destroy,orotherwisehaveaneffect.Thusthe“hands”ofarobotareoftenreferredtoasendeffectors,whilethe“arm”isreferredtoasamanipulator.Mostrobotarmshavereplaceableeffectors,eachallowingthemtoperformsomesmallrangeoftasks.Somehaveafixedmanipulatorwhichcannotbereplaced,whileafewhaveoneverygeneralpurposemanipulator,forexample,ahumanoidhand.Learninghowtomanipulatearobotoftenrequiresaclosefeedbackbetweenhumantotherobot,althoughthereareseveralmethodsforremotemanipulationofrobots.操縱。機器人需要操縱物體，拾取、修改、銷毀或以其他方式產生效果。因此，機器人的“手”通常被稱為末端執(zhí)行器，而“手臂”則被稱為機械手。大多數機器人手臂都有可更換的效應器，每一個都允許它們執(zhí)行一些小范圍的任務。有些機器人有無法替代固定的機械手，而有些則有非常通用的機械手，例如人形手。雖然有幾種方法可以遠程操縱機器人，但學習如何操縱機器人通常需要人與機器人之間的密切反饋。Locomotion.Robotlocomotionisthecollectivenameforthevariousmethodsthatrobotsusetotransportthemselvesfromplacetoplace.Amajorgoalinthisfieldisindevelopingcapabilitiesforrobotstoautonomouslydecidehow,when,andwheretomove.However,coordinatingalargenumberofrobotjointsforevensimplemattersisdifficult.Autonomousrobotlocomotionisamajortechnologicalobstacleformanyareasofrobotics,suchashumanoids.移動。機器人移動是機器人用來從一個地方移動到另一個地方的各種方法的統(tǒng)稱。該領域的一個主要目標是開發(fā)機器人自主決定如何、何時、何地移動的能力。然而，協(xié)調大量的機器人關節(jié)是一件簡單又困難的事情。自主機器人的運動是機器人眾多領域的主要技術障礙，如類人機器人。ControlsystemThemechanicalstructureofarobotmustbecontrolledtoperformtasks.Thecontrolofarobotinvolvesthreedistinctphases:perception,processing,andaction(roboticparadigms).Sensorsgiveinformationabouttheenvironmentortherobotitself(e.g.thepositionofitsjointsoritsendeffector).Thisinformationisthenprocessedtobestoredortransmittedandtocalculatetheappropriatesignalstotheactuators(motors)whichmovethemechanical.控制系統(tǒng)必須控制機器人的機械結構來執(zhí)行任務。機器人的控制涉及三個不同的階段——感知、處理和動作（機器人范式）。傳感器提供有關環(huán)境或機器人本身的信息（例如，其關節(jié)或末端執(zhí)行器的位置）。然后，處理這些信息被處理以存儲或傳輸，并計算出適當的信號給驅動機械的驅動器（發(fā)動機）。Theprocessingphasecanrangeincomplexity.Atareactivelevel,itmaytranslaterawsensorinformationdirectlyintoactuatorcommands.Sensorfusionmayfirstbeusedtoestimateparametersofinterestfromnoisysensordata.Animmediatetaskisinferredfromtheseestimates.Techniquesfromcontroltheoryconvertthetaskintocommandsthatdrivetheactuators.處理階段的復雜程度可能有所不同。在響應級，它可以直接將原始傳感器信息轉換成執(zhí)行器命令。傳感器融合先用于從噪聲傳感器數據中估量出有利的參數。再從這些估量中推斷出一項緊迫的任務?？刂评碚撝械募夹g可以把任務轉換成驅動執(zhí)行器的命令。Atlongertimescalesorwithmoresophisticatedtasks,therobotmayneedtobuildandreasonwitha“cognitive”model.Cognitivemodelstrytorepresenttherobot,theworld,andhowtheyinteract.Patternrecognitionandcomputervisioncanbeusedtotrackobjects.Mappingtechniquescanbeusedtobuildmapsoftheworld.Finally,motionplanningandotherartificialintelligencetechniquesmaybeusedtofigureouthowtoact.Forexample,aplannermayfigureouthowtoachieveataskwithouthittingobstacles,fallingover,etc.在更長的時間尺度或更復雜的任務中，機器人可能需要建立一個“認知”模型并進行推理。認知模型試圖展現(xiàn)機器人與現(xiàn)實世界，以及兩者是如何互動的。模式識別和機械視覺可以用來跟蹤物體。映射技術可以用來構建世界地圖。最后，運動規(guī)劃和其他人工智能技術可以用來找出如何行動。例如，一個計劃者可能會想出如何在不遇到障礙、不摔倒等一系列的情況下完成一項任務。WhatIsRobotics?Well,thisisaverysimpleandbasic