機器人技術及應用

1、1機器人技術及應用機器人技術及應用中國礦業(yè)大學徐海學院 2 聯(lián)系方式聯(lián)系方式主講教師主講教師李富強李富強辦公室辦公室嘉園嘉園408QQ309738614電話電箱郵箱3 課程目的課程目的 本課程介紹了機器人的前沿技術和發(fā)展趨勢，重點講述了機器人的執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。 采用理論學習和實踐并重的教學方法，著重培養(yǎng)學生的實際動手能力，通過熟悉機器人的開發(fā)流程與設計方法，使學生能夠簡易機器人制作的基本方法。此外在控制系統(tǒng)中增加了人工智能和路徑規(guī)劃等算法應用，使得基礎較好的同學能夠獲得進一步的機器人設計的實踐機會。4學時分配學時分配課程屬性： 專業(yè)選修課總學時

2、數(shù)： 32 課內學時： 32講課學時數(shù)：24實驗學時數(shù)：8學分： 25課程大綱（約課程大綱（約32學時）學時）課次課次學時學時形式形式內容內容第第1 1周周2 2講課講課機器人概述機器人概述第第1 1周周2 2講課講課機器人本體設計機器人本體設計第第2 2周周2 2講課講課機器人能源系統(tǒng)機器人能源系統(tǒng)第第2 2周周2 2講課講課機器人驅動系統(tǒng)一機器人驅動系統(tǒng)一第第3 3周周2 2講課講課機器人驅動系統(tǒng)二機器人驅動系統(tǒng)二第第3 3周周2 2實驗實驗制作尋跡機器人底盤制作尋跡機器人底盤第第4 4周周2 2講課講課機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)第第4 4周周2 2實驗實驗設計機器人控制器設計機器人控制

3、器第第5 5周周4 4講課講課機器人傳感器系統(tǒng)一機器人傳感器系統(tǒng)一第第6 6周周2 2講課講課機器人傳感器系統(tǒng)二機器人傳感器系統(tǒng)二第第6 6周周2 2實驗實驗機器人傳感器認知實驗機器人傳感器認知實驗第第7 7周周4 4講課講課機器人控制策略及算法研究機器人控制策略及算法研究第第8 8周周2 2講課講課機器人各項賽事機器人各項賽事第第8 8周周2 2考試考試組裝調試機器人組裝調試機器人6開放性實驗開放性實驗地點：嘉園地點：嘉園204內容：內容： 學生可以單獨或者合作（最多3人）完成一個簡單的機器人案例，可從下面的命題中選取，也可自己設計題目。競步機器人；趨光機器人；避障機器人。7考核方式和評分標

4、準考核方式和評分標準 平時作業(yè)和表現(xiàn)（平時作業(yè)和表現(xiàn)（30%）+考試（考試（70%）8機器人基礎機器人基礎機器人的概念機器人的概念 機器人的結構機器人的結構 機器人發(fā)展方向機器人發(fā)展方向 機器人相關大賽機器人相關大賽 4123機器人行業(yè)是二十一世紀最具有前景和挑戰(zhàn)的行業(yè).91 機器人的概念機器人的概念1.1 機器人是什么？機器人是什么？1.2 機器人是什么樣子的？機器人是什么樣子的？1.3 機器人誰先發(fā)明的？機器人誰先發(fā)明的？1.4 為什么要發(fā)明機器人？為什么要發(fā)明機器人？10機器人的概念機器人的概念111 機器人的概念機器人的概念1） 機器人是指南車機器人是指南車.2） 指南車是木頭做的指南

5、車是木頭做的.3） 指南車在我國黃帝期間就有了指南車在我國黃帝期間就有了.4） 指南車是為了滿足指示方向用的指南車是為了滿足指示方向用的.5） 指南車首先應用于軍事領域指南車首先應用于軍事領域.12機器人的概念機器人的概念131 機器人的概念機器人的概念1） 機器人是火星車機器人是火星車.2） 火星車是由合金、橡膠等材料做成的火星車是由合金、橡膠等材料做成的.3） 火星車是當代遙控機器人的頂峰火星車是當代遙控機器人的頂峰.4） 火星車是為了探索火星地質用的火星車是為了探索火星地質用的.5） 火星車首先應用于探索領域火星車首先應用于探索領域.14機器人的概念機器人的概念151 機器人的概念機器人

6、的概念1） 機器人是雙足競步機器人機器人是雙足競步機器人.2） 競步機器人是由鋁合金等材料做成的競步機器人是由鋁合金等材料做成的.3） 競步機器人是當代類人機器人的先驅競步機器人是當代類人機器人的先驅.4） 競步機器人是為了模仿人類行走設計的競步機器人是為了模仿人類行走設計的.5） 我院的競步機器人國內領先我院的競步機器人國內領先.16機器人的概念機器人的概念171 機器人的概念機器人的概念1） 機器人是機械大狗機器人是機械大狗.2） 機械大狗由鎂鋁合金等材料做成的機械大狗由鎂鋁合金等材料做成的.3） 機械大狗是柴油發(fā)動機驅動的機械大狗是柴油發(fā)動機驅動的.4） 機械大狗是為了運輸戰(zhàn)時物資用的機

7、械大狗是為了運輸戰(zhàn)時物資用的.5） 火星車首先應用于軍事領域火星車首先應用于軍事領域.18機器人的概念機器人的概念191 機器人的概念機器人的概念1） 機器人是騎車機器人機器人是騎車機器人.2） 騎車機器人是由合金、橡膠等材料做成的騎車機器人是由合金、橡膠等材料做成的.3） 騎車機器人是當代控制領域的頂峰騎車機器人是當代控制領域的頂峰.4） 騎車機器人是為了研究控制算法用的騎車機器人是為了研究控制算法用的.5） 騎車機器人首先應用于研究領域騎車機器人首先應用于研究領域.201 機器人的概念機器人的概念1.2 機器人的共同點機器人的共同點共同點：共同點：代替人進行工作；代替人進行工作；像人一樣使

8、用工具；像人一樣使用工具；由各種各樣的復合材料制成；由各種各樣的復合材料制成；使用各種能源為系統(tǒng)驅動；使用各種能源為系統(tǒng)驅動；211 機器人的概念機器人的概念1.3 機器人的定義機器人的定義1）美國機器人協(xié)會（）美國機器人協(xié)會（RIA）定義：）定義： 一種為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?221 機器人的概念機器人的概念1.3 機器人的定義機器人的定義2）日本機器人協(xié)會（）日本機器人協(xié)會（JIRA）定義：）定義： “機器人就是任何高級的自動機械” 231 機器人的概念機器人的概念1.3 機器人的定義機器人的定義3）中國機器人定義：）中國機器人定義： 機器人是可以自動執(zhí)行

9、工作的復雜的機電綜合裝置。機器人可接受人類指揮，也可以執(zhí)行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。 241 機器人的概念機器人的概念1.3 機器人的定義機器人的定義4）國際標準化組織（）國際標準化組織（ISO）定義：）定義： 聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“是一種為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?。 251 機器人的概念機器人的概念1.3 機器人的定義機器人的定義 現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。 261 機器人的概念機器人的

10、概念1.4 機器人的發(fā)展史機器人的發(fā)展史 1) 1) 古代機器人古代機器人 機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。 指指南南車車 西西周周伶伶人人 春春秋秋木木鳥鳥 希希臘臘自自動動機機 記記里里鼓鼓車車 寫寫字字機機器器人人法法國國機機器器鴨鴨 自自動動機機器器玩玩偶偶 木木牛牛流流馬馬 271 機器人的概念機器人的概念1.4 機器人的發(fā)展史機器人的發(fā)展史 2) 2) 現(xiàn)代機器人現(xiàn)代機器人1920193919421948195419681998199920

11、02281.5 機器人的分類機器人的分類操作型機器人：操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有多個自由度可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。程控型機器人：程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教型機器人：示教型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。智能機器人：智能機器人：以人工智能決定其行動的人。292 機器人的結構機器人的結構任務控制系統(tǒng)驅動裝置執(zhí)行機構環(huán)境檢測系統(tǒng)內部傳感器外部傳感器慎思反應層 機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。302 機器人的結構機器人的結構控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)有兩種

12、方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息。312 機器人的結構機器人的結構檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。322 機器人的結構機器人的結構執(zhí)行機構執(zhí)行裝置就是按照電信號的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉換成旋轉運動、直線運動等方式的機械能的裝置。按利用的能

13、源來分類，主要可分為電動執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動執(zhí)行裝置。332 機器人的結構機器人的結構驅動裝置 驅動裝置是接收控制系統(tǒng)信號，并將控制信號轉換成能驅動執(zhí)行裝置運動電流或電壓的器件。343 機器人發(fā)展方向機器人發(fā)展方向一、以為人服務作為發(fā)展要素 ；二、以仿生性，生物性的發(fā)展趨向； 三、以人性化為最大發(fā)展目標。 機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。其未來將向以下三個方面發(fā)展： 353 機器人發(fā)展方向機器人發(fā)展方向一、以為人服

14、務作為發(fā)展要素 ： 二十年后，家中掃除、清潔的工作或老人的護理保健的工作可能全由機器人取代。醫(yī)院已開始使用機器人為病人送藥、配藥的服務。還有，家居的全自動化，無需駕駛的自動汽車等等將會出現(xiàn)。 363 機器人發(fā)展方向機器人發(fā)展方向二、以仿生性，生物性為發(fā)展趨向： 以趣味性、生物性來制造機器狗、貓、魚等動物。譬如日本三菱重工附屬公司Ryomei Engineering研制成功的金色機械魚“金魚虎”長1公尺，重25公斤，是一只不小的巨魚，能自動暢游于水中，可協(xié)助監(jiān)察橋梁的保安和搜集魚汛的情況，監(jiān)視河水污染等。 373 機器人發(fā)展方向機器人發(fā)展方向三、以人性化為最大發(fā)展目標： 在世紀之交，生物遺傳工程

15、因“克隆人”的出現(xiàn)而引致倫理、法律及道德問題的爭議，“克隆人”能否問世仍然是一個未知數(shù)，但機器人的研發(fā)正在取而代之，以越接近人性化為追尋目標。 384 機器人相關的競賽機器人相關的競賽1）中國青少年機器人大賽2）全國職業(yè)院校技能大賽機器人項目3）中國機器人奧林匹克大賽4）中國機器人CCTV公開賽5）中國機器人大賽暨RoboCup公開賽39中國機器人大賽暨RoboCup（機器人世界杯）公開賽是中國最具影響力、最權威的機器人技術大賽、學術大會和博覽盛會，為當今中國、乃至亞洲機器人尖端技術競賽、國際頂尖人才匯集的活動之一。北京、上海、廣州、蘇州、合肥、濟南、中山等地成功舉辦了前十屆大賽。為推進深圳產

16、業(yè)升級，促進高交會向“世界科技第一展”目標邁進，2011年第十一屆大賽擬移師深圳11月高交會期間舉辦。 中國機器人大賽中國機器人大賽暨RoboCup公開賽40中國機器人大賽開幕式41中國機器人大賽舞蹈機器人舞蹈機器人由參賽者自主設計，機器人構造、服飾及材料均不做限制。舞蹈機器人需在25分鐘內自主完成各類動作。評委將從機器人設計、創(chuàng)意、舞步編排、動作復雜度、舞蹈和音樂的協(xié)調等方面進行綜合評分。4243中國機器人大賽雙足競步 雙足競步機器人分為交叉足印、狹窄足印和自由體操三個組別。要求機器人在規(guī)定時間內完成行走、立正、臥下、前翻、后翻等各種指定動作，并行走至終點。其中，自由體操機器人要依次完成前胸

17、翻、后胸翻、右轉90度前胸翻、左轉90度后胸翻、單手左掌上壓、單手右掌上壓、倒立等動作，具有較強的觀賞性。 44我院代表隊在2010中國機器人大賽暨RoboCup公開賽中獲雙足競步（交叉足印）項目組冠軍45 機器人世界杯足球賽的終極目標是：“到21世紀中葉建立一支完全自治的、類人的機器人(humanoid robot)足球隊。并能在世界足聯(lián)的官方比賽規(guī)則下?lián)魯∪祟愖詈玫淖闱蜿??！?促進人工智能、智能機器人與智能控制技術的研究和發(fā)展，突破的關鍵技術將推動工業(yè)和軍事的發(fā)展。多學科領域的交叉與融合。Robocup的目標及意義46Robocup救援比賽青少年比賽Robocup的種類足球比賽仿真組仿真組

18、足球機器人小型組機器人組舞蹈機器人中型組救援機器人類人組四腿組47RoboCup仿真足球比賽 仿真比賽提供了一個完全分布式控制、實時異步多智能體的環(huán)境,通過這個平臺,測試各種理論、算法和Agent 體系結構,在實時異步、有噪聲的對抗環(huán)境下,研究多智能體間的合作和對抗問題。48RoboCup小型組足球比賽 每隊5名隊員在一個長5m寬3.5m的綠色場地上進行。比賽用球為橙色的高爾夫球。49機器人系統(tǒng)包括：視覺、決策、無線通訊和機器人車體四個子系統(tǒng)。彩色攝像機固定在場地上方4m處，并與場外的主機相連，采用無線通訊的方式向機器人發(fā)送命令。RoboCup小型組足球比賽50RoboCup中型組足球比賽 兩

19、支各有多個機器人的球隊在18(長)X12(寬)米的場地上進行比賽，每個機器人的尺寸小于50(長)X50(寬)X80(高)厘米。所有的機器人都是全自主的，即視覺、決策以及運動控制均由機器人本身處理。機器人之間用無線通訊來協(xié)調。 場上的標記均為彩色標記:球為橘紅色的，球門為黃色或藍色，機器人本身帶有粉色或天藍色的色標以區(qū)分雙方隊員。51RoboCup中型組足球比賽52RoboCup中型組足球比賽53RoboCup中型組足球比賽54中型組的關鍵技術: 自定位的方法 感知和導航 團體協(xié)作多傳感器獲取相關的環(huán)境信息，然后進行數(shù)據融合，再建立分布式的外界模型 運動機構的設計RoboCup中型組足球比賽55RoboCup四腿組 四腿組即機器人采用四足結構來進行足球競賽，自2008年以后，RoboCup采用標準平臺來進行該項比賽。 所有的球隊在比賽中使用的相同（即標準）的機器人。因此，在使用的先進設備，最先進的機器人的硬件保障下，隊員的精力可以集中在軟件開發(fā)。要求四足機器人完全自主運作，不可