beike機器人系統(tǒng)概論

1、第1章 機器人系統(tǒng)概述任課教師 石志國 副教授1教師簡介石志國，男，副教授，物聯(lián)網與電子工程系副主任。教育背景2008年畢業(yè)于中國科學院軟件研究所，并獲得工學博士學位分別于2000年和2003年在北京科技大學信息工程學院獲得學士和碩士學位。2006年1月到2月在比利時魯汶工學院做訪問學者。2013年4月到2014年4月 在加拿大Ryerson大學做訪問學者代表性編著1. 石志國等. 信息安全概論. 清華大學出版社. 2007,1 2. 石志國, 薛為民, 尹浩. 計算機網絡安全教程(修訂本). 清華大學出版社. 2007,1 (第一版于2006年榮獲第七屆全國高校出版社優(yōu)秀暢銷書二等獎)3.

2、石志國, 李向前, 薛為民. C+程序設計教程. 清華大學出版社. 2005,8 (榮獲2006年度全行業(yè)優(yōu)秀暢銷品種(科技類)代表性獲獎 1. 2014 年 霍英東青年教師獎二等獎 2. 2011年 北京市高等學校青年教師教學基本功比賽一等獎，最受學生歡迎獎，最佳演示獎 3. 2013年 北京科技大學本科教學優(yōu)秀獎一等獎 4. 2010年 北京科技大學青年教師課堂教學針對性培養(yǎng)二等獎2聯(lián)系方式Email: 辦公室：機電信息樓701電話：62334751 / 3我那個時代的校園456 機器人的定義、特性和功能 機器人的應用以及發(fā)展現狀大綱7機器人的歷史源遠流長，早在我國的西周時期，一名叫作偃師

3、的能工巧匠就造就了一個能歌善舞的偶人，這是有據可查的第一個“機器人”。在1800年前的漢朝，張衡造出了舉世聞名的地動儀和計里鼓車。在三國時期的諸葛亮發(fā)明了木牛流馬，用來運送糧草。在國外，公元前2世紀亞歷山大時期，古希臘人造就出了“自動機”以空氣、水、蒸汽壓力為動力的會動的雕像。這些都可以看作是廣義上的機器人。什么是機器人81886年法國作家利爾亞在他的小說未來的夏娃中將外表像人的機器起名為“安德羅丁”。1920年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅薩姆德萬能機器人。劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關注，被

4、當成了機器人一詞的起源。9在1967年日本召開了第一屆機器人學術會議上，人們提出了兩個有代表性的定義。一個是森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機器半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了自動性、智能性、個體性、半機器半人行、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象；另一個是加藤一郎提出的具有如下3個條件的機器稱為機器人：（1） 具有腦、手、腳等三要素的個體；（2） 具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；（3） 具有平衡覺和固有覺得傳感器。101987年國際標準化組織對

5、工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機?！蔽覈茖W家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器?！痹谘芯亢烷_發(fā)未知以及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。11機器人從第一臺遙控的操作機到現在智能型機器人，機器人技術的發(fā)展成為人類科學技術發(fā)展的一格縮影。從簡單的機電控制到復雜的智能控制，從簡單的開關量到復雜的、連續(xù)的、隨機的量，從平面空間到立體空

6、間，從簡單的運算到復雜的、大量的數據處理，從簡單的機械結構到復雜的人工肌肉，都是機器人這個特殊的裝置所需要的。機器人發(fā)展簡史12第一代的機器人是一種“遙控操作器”。第一代是示教再現型機器人：尤尼梅特和沃爾薩特蘭這兩種最早的工業(yè)機器人是示教再現型機器人的典型代表。它由人操縱機械手做一遍應當完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機械手臂動作，在動作過程中機器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當機器人工作時，能再現人教給它的動作，并能自動重復的執(zhí)行。這類機器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應變化的環(huán)境。 13英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現型，即人手把著機械手，把應當完成的任務

7、做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應當完成的各個動作。14第二代機器人是一種按人事先編好的程序對機器人進行控制，使其自動重復完成某種操作的方式。第二代是有感覺的機器人：它們對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。機器人工作時，根據感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。如：有觸覺的機械手可輕松自如地抓取雞蛋，具有嗅覺的機器人能分辨出不同飲料和酒類。15第三代機器人是智能機器人，它是利用通過各種傳感器、測量器等來獲取環(huán)境的信息，然后利用智能技術進行識別、理解、推理并最后做出規(guī)劃決策，能自主行動

8、實現預定目標的高級機器人。第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復雜的動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，腳完成移動，機器人能夠用自然語言與人對話。 智能機器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界對象、環(huán)境和人相適應、相協(xié)調的工作機能。從控制方式看，智能機器人不同于工業(yè)機器人的“示教、再現”，不同于遙控機器人的“主從操縱”，而是以一種“認知適應”的方式自律地進行操作。16智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復。今天，智能機器人的應用范圍大大地擴展了，除工

9、農業(yè)生產外，機器人應用到各行各業(yè)，機器人已具備了人類的特點。機器人向著智能化、擬人化方向發(fā)展的道路，是沒有止境的。機器人技術成為了一個非常綜合的、新型技術。科學技術的日新月異，給我們人類的生活帶來巨大的變化，機器人技術包括了：控制技術，計算機技術，傳感器技術，機械技術、材料技術等等。17從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。下將按工業(yè)機器人和先進機器人兩條技術發(fā)展路線分述機器人的最新進展情

10、況。機器人技術現狀181工業(yè)機器人（1）機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。（2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產品。（3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)

11、的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。19（4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。（5）網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器

12、已實現了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。（6）可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現在已達到5萬小時，幾冬天可以滿足任何場合的需求。202先進機器人近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結構化和不確定性，因

13、而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向。21（1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。（2）空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojan

14、or等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸63048mm，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關注。22（3）核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7靈巧手等。（4）地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類。主要研究內容為：機械結構、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術。目前日、美、

15、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。23（5）醫(yī)用機器人：醫(yī)用機器人的主要研究內容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。（6）建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制

16、件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應有和。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。24（7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和角摸能力，能夠 自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標014的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運動偵察車（DA

17、RDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。251.4.1 遙控機器人通過操作者遙控完成各種遠程作業(yè)的機器人。遙控機器人與傳統(tǒng)遙控器相似，又增加了用于機器人的各種技術，操作者可以通過可視距離內遙控，也可以在電視圖像中進行監(jiān)控操作。遙控機器人系統(tǒng)主要分為兩部分，機器人工作空間和操作者的操作空間，按類型可將遙控機器人分為兩種類型：固定式和移動式兩種。主要應用于以下領域：非結構環(huán)境下很少重復的任務；遙控機器人被帶到施工現場；任務不是非結構，但沒有先驗知識去執(zhí)行任務。遙控機器人被廣泛的應用到各種不容易到達或不能

18、到達作業(yè)的危險環(huán)境中，并在各個領域根據應用擴展了研究課題，一個典型的遠程遙控機器人如圖1-1所示。機器人的特性和功能26271.4.2 自主機器人其本體自帶各種必要的傳感器、控制器，在運行過程中無外界人為信息輸入和控制的條件下，可以獨立完成一定的任務的機器人是自主機器人。例如足球機器人的組成包括：(1) 視覺系統(tǒng)：負責感知球場上的態(tài)勢，視覺系統(tǒng)獲得球場上的實時圖像，對圖像進行顏色分割，識別出球場上的各個目標，然后進行距離校正，將結果發(fā)給決策程序。(2) 決策系統(tǒng)：接收視覺系統(tǒng)的辨識結果，對球場態(tài)勢進行分析，然后做出合理決策，將命令發(fā)送給底層控制系統(tǒng)。(3) 底層控制系統(tǒng)：通過串口接收上位機的命

19、令，控制各輪走行電機按照指定速度運行，控制彈射和持球電機，將底層傳感器的數據通過串口發(fā)送給上位機。(4) 通信系統(tǒng)：通過無線網絡聯(lián)系場內機器人和場外計算機，進行遙控測試，參數設置等操作以及控制比賽的開始和終止，如圖1-2所示。28291. 工業(yè)機器人工業(yè)機器人是指在工業(yè)中應用的一種能進行自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機可以固定在一個地方，也可以在往復運動的小車上，如圖1-3所示。1.5 機器人的應用30312. 服務機器人服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止尚沒有一個嚴格的定義，不同國家對服

20、務機器人的認識也有一定差異。服務機器人的應用范圍很廣，主要從事維護、保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護等工作。德國生產技術與自動化研究所所長施拉夫特博士給服務機器人下了這樣一個定義：服務機器人是一種可自由編程的移動裝置，它至少應有三個運動軸，可以部分地或全自動地完成服務工作。這里的服務工作指的不是為工業(yè)生產物品而從事的服務活動，而是指為人和單位完成的服務工作?，F在世界上已應用的服務機器人只有 1000多臺，其中建筑機器人500多臺，公用事業(yè)、環(huán)保、農業(yè)機器人100多臺，運輸與交通機器人100多臺，康復機器人100多臺，防輻射、防災機器人70多臺，旅館、餐飲業(yè)機器人50多臺，醫(yī)療機器人20

21、多臺，家務、業(yè)余愛好、休閑機器人10余臺。這些數據是德國生產技術與自動化研究所前幾年調查獲得的。32333. 娛樂機器人娛樂機器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機器人的外部特征，可以像人，像某種動物，像童話或科幻小說中的人物等。同時具有機器人的功能，可以行走或完成動作，可以有語言能力，會唱歌，有一定的感知能力。 工作之余欣賞一段美妙的音樂，不僅可以幫助趨散一天的疲勞，還可陶冶你的情操，提高你的藝術鑒賞力，所以很多人都有聽音樂的習慣。 幾年前，美國特種機器人協(xié)會曾舉辦了一場別開生面的音樂會，演唱者是世界男高音之王“帕瓦羅蒂”。這位“帕瓦羅蒂”并不是意大利著名的歌唱家帕瓦羅蒂，而是美國依阿華州州立大

22、學研制的機器人歌手“帕瓦羅蒂”。這場音樂會實際上是一場機器人驗收會。聽眾席上不僅有機器人領域的專家，更有不少音樂家以及眾多慕名而來的聽眾。34目前，受關注的是機器人玩具，它實際是一種智能玩具，能夠開發(fā)兒童的智能，讓兒童在玩耍中學到一些高技術知識。我國機器人玩具還比較少，而在美國、日本等國，機器人玩具則已非常普遍。日本是機器人玩具發(fā)展較早的國家。35（4）類人機器人從其他類別的機器人可以看出，大多數的機器人并不像人，有的甚至沒有一點人的模樣，這一點使很多機器人愛好者大失所望。也許你會問，為什么科學家不研制類人機器人？這樣的機器人會更容易讓人接受。其實，研制出外觀和功能與人一樣的機器人是科學家們夢

23、寐以求的愿望，也是他們不懈追求的目標。然而，研制出性能優(yōu)異的類人機器人，其最大的難關就是雙足直立行走。因為機器人與人的學習方式不一樣。一個嬰兒要先學走，再學跑；而機器人則要先學跑，再學走。也就是說機器人學跑更容易些。3637（5）農業(yè)機器人由于機械化、自動化程度比較落后，“面朝黃土背朝天，一年四季不得閑”成了我國農民的象征。但近年農業(yè)機器人的問世，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式。在農業(yè)機器人的方面，目前日本居于世界各國之首。381.5.2 軍用機器人1. 地面軍用機器人地面機器人主要是指智能或遙控的輪式和履帶式車輛.地面軍用機器人又可分為自主車輛和半自主車輛。自主車輛依靠自身的智能自主導航,躲避障礙物,獨立完成各種戰(zhàn)斗任務;半自主車輛可在人的監(jiān)視下自主行使,在遇到困難時操作人員可以進行遙控干