機(jī)器人控制理論與技術(shù)1

1、機(jī)器人控制理論與技術(shù)機(jī)器人控制理論與技術(shù)（1）課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介 教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容：機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理、控制及分：機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理、控制及分析方法。析方法。 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)：使學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢(shì)，初步具備機(jī)器器人控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢(shì)，初步具備機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。能力。 教材：教材：自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論，Siegwart著，李人厚譯，著，李人厚譯，西安交通大

2、學(xué)出版社，西安交通大學(xué)出版社，2006年年9月月 課程主要教學(xué)內(nèi)容課程主要教學(xué)內(nèi)容n理論教學(xué)（理論教學(xué)（24學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展歷程與體系結(jié)構(gòu)（移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展歷程與體系結(jié)構(gòu)（1學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人的感知技術(shù)（移動(dòng)機(jī)器人的感知技術(shù)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)（移動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)（5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃（移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)（移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)（6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）n實(shí)驗(yàn)教學(xué)（實(shí)驗(yàn)教學(xué)（8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）機(jī)器人結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)（機(jī)器人結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)（1學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）機(jī)器人傳感器的使用（機(jī)器人傳感器的使用（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制（機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

3、（3學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）機(jī)器人避障實(shí)驗(yàn)（機(jī)器人避障實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）課程考核方法課程考核方法n本課程采用課程論文作為主要考核方式；本課程采用課程論文作為主要考核方式；n結(jié)合學(xué)生平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)；結(jié)合學(xué)生平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)；平時(shí)成績(jī)占平時(shí)成績(jī)占20%實(shí)驗(yàn)成績(jī)占實(shí)驗(yàn)成績(jī)占30%課程論文成績(jī)占課程論文成績(jī)占50% 機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)器人技術(shù)作為2020世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自上世紀(jì)四十、五十年代問(wèn)世以來(lái)，之一，自上世紀(jì)四十、五十年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了經(jīng)歷了6060年的發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步！年的發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步！在人們的生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越在人們的生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)

4、域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。重要的作用。什么是什么是Robot？什么是什么是Robot？na machine that can do some tasks that a human can do and that works automatically or is controlled by a computer。機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史列子列子湯問(wèn)篇湯問(wèn)篇n時(shí)間：時(shí)間：（約公元前約公元前10541054年年公元前公元前949949年）年）西周西周n人物：周穆王，偃師，伶人人物：周穆王，偃師，伶人“Robot”一詞最早出現(xiàn)在哪位作者的著一詞最早出現(xiàn)在哪位作者的著作中？作中？Norbert

5、 WienerIsaac AsimovKarel CapekGeoge Devol“Robot”一詞最早出現(xiàn)在哪位作家的小說(shuō)中？一詞最早出現(xiàn)在哪位作家的小說(shuō)中？nA. Norbert. WienernB. Isaac AsimovnC. Karel CapeknD. Geoge Devol“Robot”的來(lái)源的來(lái)源nThe word Robot comes from the 1920 play R.U.R. (Rossums Universal Robots) by the Czech writer Karel Capek. Robot comes from the Czech word ro

6、bota, meaning forced labor.nThe word robotic also comes from science fiction - it first appeared in the short story Runaround (1942) by Isaac Asimov. This story was later included in Asimovs famous book I, Robot.Karel Capek and his “Rossums Universal Robots”機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史n第一代機(jī)器人是一種進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)械，即通第一代機(jī)

7、器人是一種進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)械，即通常所說(shuō)的機(jī)械手，它雖配有電子存儲(chǔ)裝置，能記常所說(shuō)的機(jī)械手，它雖配有電子存儲(chǔ)裝置，能記憶重復(fù)動(dòng)作，然而因憶重復(fù)動(dòng)作，然而因未采用外部傳感器未采用外部傳感器，所以沒(méi)，所以沒(méi)有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機(jī)器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺(jué)-反饋控制的能力，能進(jìn)行識(shí)別、選取判斷。使機(jī)器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機(jī)器人的重要特征。n第三代機(jī)器人為高一級(jí)的智能機(jī)器人，“智能化”是這代機(jī)器人的重要標(biāo)志。第一代工業(yè)機(jī)器人的代表第一代工業(yè)機(jī)器人的代表1961年，通用汽車公司生產(chǎn)線年，通用汽車公司生產(chǎn)線Unimate

8、 and Joseph Engelberger 機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史n第一代機(jī)器人是一種進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)械、主要是通常所說(shuō)的機(jī)械手，它雖配有電子存儲(chǔ)裝置，能記憶重復(fù)動(dòng)作，然而因未采用外部傳感器，所以沒(méi)有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機(jī)器人由于采用了傳感器，已初步具有感第二代機(jī)器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺(jué)覺(jué)-反饋控制的能力，能進(jìn)行識(shí)別、選取判斷。使反饋控制的能力，能進(jìn)行識(shí)別、選取判斷。使機(jī)器人具有了初步的智能。因而機(jī)器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與傳感器的采用與否已成為衡量第二代機(jī)器人的重要特征否已成為衡量第二代機(jī)器人的重要特征。n第三代機(jī)器人為高一級(jí)的智能機(jī)器人，

9、“智能化”是這代機(jī)器人的重要標(biāo)志。HELPMATEnHelpmate具備多種傳感器，可以利用天花板上的具備多種傳感器，可以利用天花板上的路標(biāo)做引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)避障等功能。路標(biāo)做引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)避障等功能。機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史n第一代機(jī)器人是一種進(jìn)行重復(fù)操作的機(jī)械、主要是通常所說(shuō)的機(jī)械手，它雖配有電子存儲(chǔ)裝置，能記憶重復(fù)動(dòng)作，然而因未采用外部傳感器，所以沒(méi)有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機(jī)器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺(jué)-反饋控制的能力，能進(jìn)行識(shí)別、選取判斷。使機(jī)器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機(jī)器人的重要特征。n第三代機(jī)器人為高一級(jí)的智能機(jī)器人，第三代機(jī)器人為高

10、一級(jí)的智能機(jī)器人，“智能化智能化”是這代機(jī)器人的是這代機(jī)器人的重要標(biāo)志重要標(biāo)志。自主移動(dòng)機(jī)器人自主移動(dòng)機(jī)器人Spirit & Opportunity輪式移動(dòng)機(jī)器人輪式移動(dòng)機(jī)器人Nomadn大小：大?。?.4*2.4*2.4(m)n重量：重量：725Kgn速度：速度：0.5m/snGPS定位定位履帶式移動(dòng)機(jī)器人履帶式移動(dòng)機(jī)器人PackBot 510n自重：自重：19公斤公斤n負(fù)重：負(fù)重：20公斤公斤n行進(jìn)速度：行進(jìn)速度：2.5m/sn連續(xù)運(yùn)行時(shí)間：連續(xù)運(yùn)行時(shí)間：10hn其它特性：防水其它特性：防水四腿機(jī)器人四腿機(jī)器人BigDognBoston DynamicsnName:BigDogn自

11、重：自重：234lbsn負(fù)重：負(fù)重：340lbsn速度：速度：6.4km/hn爬坡角：爬坡角：35度度n特點(diǎn)：可適應(yīng)絕大多特點(diǎn)：可適應(yīng)絕大多數(shù)惡劣地形，如雪地、數(shù)惡劣地形，如雪地、山區(qū)、沙地等。山區(qū)、沙地等。雙足機(jī)器人雙足機(jī)器人ASIMOn生產(chǎn)商：生產(chǎn)商：HONDAn自重：自重：54Kgn身高：身高：130cmn持重：持重：?jiǎn)问郑簡(jiǎn)问郑?.3Kg雙手：雙手：1.0Kgn速度：速度：通常步行時(shí)通常步行時(shí)02.7km/h持重行走時(shí)持重行走時(shí)1.6km/h直線行走時(shí)直線行走時(shí)6.0km/h旋回行走時(shí)旋回行走時(shí)5.0km/h自主移動(dòng)機(jī)器人學(xué)中的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：自主移動(dòng)機(jī)器人學(xué)中的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：n我在哪里

12、？我在哪里？（Where am I?）n我要去哪里？我要去哪里？（Where am I going?）n我如何去那里？我如何去那里？（How do I get there?）為了解決上述三個(gè)問(wèn)題，機(jī)器人需要：為了解決上述三個(gè)問(wèn)題，機(jī)器人需要：n具備一定的環(huán)境模型；具備一定的環(huán)境模型；n具備對(duì)環(huán)境感知和分析的能力；具備對(duì)環(huán)境感知和分析的能力；n確定它在環(huán)境中的位置；確定它在環(huán)境中的位置；n規(guī)劃和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的能力；規(guī)劃和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的能力； 為了實(shí)現(xiàn)上述功能，我們需要從以下四個(gè)環(huán)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)上述功能，我們需要從以下四個(gè)環(huán)節(jié)研究機(jī)器人：研究機(jī)器人：自主移動(dòng)機(jī)器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（一）自主移動(dòng)機(jī)器人的兩種體系結(jié)

13、構(gòu)（一）分層式體系結(jié)構(gòu)：分層式體系結(jié)構(gòu)：也稱為基于知識(shí)的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)把各模塊分為也稱為基于知識(shí)的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)把各模塊分為不同的層次，使不同層次上的模塊具備不同的功能和操作不同的層次，使不同層次上的模塊具備不同的功能和操作方式。方式。典型的分層式體系結(jié)構(gòu)典型的分層式體系結(jié)構(gòu)NASREM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)地圖狀態(tài)變量評(píng)價(jià)函數(shù)程序文件對(duì)象清單G6H6M6人機(jī)接口G5H5M5G4H4M4G3H3M3G2H2M2G1H1M1外界環(huán)境運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)分解規(guī)劃執(zhí)行總目標(biāo)環(huán)境建模模型評(píng)價(jià)傳感器信號(hào)處理、檢驗(yàn)和積分總?cè)蝿?wù)成組任務(wù)單體任務(wù)基本運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)算坐標(biāo)變換移動(dòng)機(jī)器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（二）移動(dòng)機(jī)器人的兩種

14、體系結(jié)構(gòu)（二）包容式體系結(jié)構(gòu)包容式體系結(jié)構(gòu) 也稱為基于行為的體系結(jié)構(gòu)，是一種完全的反應(yīng)式也稱為基于行為的體系結(jié)構(gòu)，是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)?；谛袨榈臋C(jī)器人代表（基于行為的機(jī)器人代表（1）19491951Grey Walter制作的制作的 Elsie基于行為的機(jī)器人代表（基于行為的機(jī)器人代表（2）n1989年，年，MIT的的Rodeny Brooks教授制作了世界教授制作了世界上第一個(gè)基于行為的機(jī)上第一個(gè)基于行為的機(jī)器人器人-Genghis.n12個(gè)電機(jī)個(gè)電機(jī)n12個(gè)力傳感器個(gè)力傳感器n6個(gè)熱電傳感器個(gè)

15、熱電傳感器移動(dòng)機(jī)器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（三）移動(dòng)機(jī)器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（三）n包容式體系結(jié)構(gòu)包容式體系結(jié)構(gòu)不確定模型不確定模型基于行為的基于行為的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)由下至上由下至上n分層式體系結(jié)構(gòu)分層式體系結(jié)構(gòu)完全建模完全建?；诠δ艿幕诠δ艿拇?lián)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)由上至下由上至下混雜式控制結(jié)構(gòu)混雜式控制結(jié)構(gòu)更可行的方法更可行的方法混雜式控制結(jié)構(gòu)混雜式控制結(jié)構(gòu)問(wèn)題：?jiǎn)栴}：n什么是感知？什么是感知？n感知等于不等于感覺(jué)？感知等于不等于感覺(jué)？感知的概念感知的概念自主移動(dòng)機(jī)器人的傳感器自主移動(dòng)機(jī)器人的傳感器 由于機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，所由于機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，所以要求它對(duì)變化的環(huán)境要具有更強(qiáng)的適應(yīng)以要

16、求它對(duì)變化的環(huán)境要具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，能進(jìn)行更精確的定位和控制，并具能力，能進(jìn)行更精確的定位和控制，并具有更高的智能。傳感器是有更高的智能。傳感器是機(jī)器人獲取信息機(jī)器人獲取信息的必備工具。的必備工具。示例示例1Helpmate示例示例2B21問(wèn)題：?jiǎn)栴}：n超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅外傳感器？外傳感器？示例示例3Robart II示例示例4Nuclear Surveillance Robot問(wèn)題：?jiǎn)栴}：n自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有哪些？自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有哪些？自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)

17、編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感

18、器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀n5.麥克風(fēng)麥克風(fēng)n6.視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：自主移動(dòng)機(jī)器人常用的傳感器有：n1.電機(jī)編碼器電機(jī)編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外