機(jī)器人介紹分解課件

1、仿人機(jī)器人研究與發(fā)展2013年6月17日主要內(nèi)容 一.國(guó)外仿人機(jī)器人的研究概況 二.國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人的研究概況 三.仿人機(jī)器人的發(fā)展方向 四.仿人機(jī)器人的應(yīng)用 五.仿人機(jī)器人的展望 1920年，捷克劇作家卡里洛奇別克在其科幻劇本羅薩姆萬(wàn)能機(jī)器人制造公司(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT這個(gè)名詞，意思是“人造的人”?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專(zhuān)用名詞?！皺C(jī)器人”一詞的由來(lái)機(jī)器人學(xué)是一門(mén)綜合性的新興學(xué)科, 它涉及機(jī)械工程學(xué)、電氣工程學(xué)、微電子工程學(xué)、計(jì)算機(jī)工程學(xué)、控制工程學(xué)、信息傳感工程學(xué)、聲學(xué)工程學(xué)、仿生學(xué)以及人工智能工程學(xué)等多門(mén)尖端學(xué)科。仿人機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的

2、一個(gè)分支。 仿人機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比的優(yōu)點(diǎn) 1）能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能方便的上下臺(tái)階以及通過(guò)不平整、不規(guī)則或較窄的路面，移動(dòng)盲區(qū)小；2）能耗很小。該機(jī)器人具有獨(dú)立的能源裝置，同時(shí)，機(jī)器人力學(xué)計(jì)算表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式、履帶式機(jī)器人；3）具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)占地面積小，從而活動(dòng)范圍大，為其機(jī)械手提供更大的活動(dòng)空間。4）其科研促進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。雙足行走是生物界難度最高的不行動(dòng)作，其步行性能是其他步行結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的，從而推動(dòng)機(jī)器人學(xué)的研究及發(fā)展。第一部分 國(guó)外仿人機(jī)器人的研究概況仿人機(jī)器人的研制始于二十世紀(jì)六十年代末，研究工作進(jìn)

3、展十分迅速，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。1）1968年，美國(guó)R.Smosher（通用電氣公司）試制一臺(tái)叫“Rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人機(jī)械，從而揭開(kāi)仿人機(jī)器人研制的序幕。2）1968年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開(kāi)了雙足機(jī)器人的研制工作。1969年研制出WAP-1(Waseda Auicmatic Pedipulator)平面自由度步行機(jī)，采用人造橡膠肌肉為關(guān)節(jié)，通過(guò)肌肉收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)而邁步，具有六個(gè)自由度，但穩(wěn)定性不高。1971年，加藤實(shí)驗(yàn)室研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)固定步幅、速度的景泰步行。WABOT-1 圖1 W

4、ABOT-2 圖2 1973年，加藤等人在WL-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)裝置，組成自主式機(jī)器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9 DR雙足機(jī)器人，采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制法，用步行運(yùn)動(dòng)分析及重復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)不太軌跡，用以控制機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，采用以單腳支撐為靜態(tài)，雙腳切換為動(dòng)態(tài)的步行方案，實(shí)現(xiàn)固定步幅速度的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。行走速度較之前有所提高。 1984年，研制采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10RD雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)更為高速的平穩(wěn)動(dòng)態(tài)步行。 1986年，成功研制WL-12(R)步行機(jī)器人，通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了平地動(dòng)態(tài)步行，速度也由最初的每步45s縮短至每步

5、1.3s。3）日本機(jī)械學(xué)院的S.Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且完全安裝在機(jī)器人上的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Meltran I，研究其動(dòng)態(tài)行走方法。為使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定周期性動(dòng)態(tài)行走，采用約束控制方法，剔除理想線(xiàn)性倒立擺模型，同時(shí)提出機(jī)構(gòu)軌道能量守恒概念，實(shí)現(xiàn)在已知不平整地面下的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年，又在此基礎(chǔ)上加載超聲波視覺(jué)傳感器以實(shí)現(xiàn)反饋功能，Meltran II成功實(shí)現(xiàn)在位置路面上的動(dòng)態(tài)行走。4）日本本田公司從1986年至今推出了P系列1、2、3型機(jī)器人，著重于設(shè)計(jì)一般家用機(jī)器人。P3和ASIMO的推出，將仿人機(jī)器人的研制推上新臺(tái)階，使仿人機(jī)器人的研制和生產(chǎn)走上實(shí)用化、工

6、程化和市場(chǎng)化的道路。 P1 P2 P3 圖35）法國(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de Mecanique des Soloder s de Poitiers 實(shí)驗(yàn)室和INRIA 機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)的一種具有15 個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人，其目的就是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)， 他們將此項(xiàng)目分為INRIA、LAG-CN RS、LMS-CNRS 和LMP-CNRS 4 個(gè)組, 分別完成不同的任務(wù)（ 如INRIA 主要完成系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的理論及實(shí)際的研究, 研究極限環(huán)和穩(wěn)定性以及行走在斜坡上的研究; LAG-CNRS 研究上雙足機(jī)器人系統(tǒng)的建模和優(yōu)化控制; LMS 負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì); L

7、MP 主要研究運(yùn)動(dòng)生理學(xué)方面以便為此計(jì)劃提供數(shù)據(jù)）. 為了使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化, 他們采用了復(fù)雜系統(tǒng)控制中廣泛被采用的分層遞解控制結(jié)構(gòu).第二部分 國(guó)內(nèi)仿人機(jī)器人的研究概況 國(guó)內(nèi)起步較晚，1985年以來(lái)，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果. 其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)最為典型1） 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985 年開(kāi)始研制雙足步行機(jī)器人, 基于控制理論曾經(jīng)獲得自然科學(xué)基金和國(guó)家“8 63”計(jì)劃的支持, 迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作: 第一個(gè)型號(hào)HIT -為10 個(gè)自由度, 重100kg,高1. 2m, 關(guān)節(jié)由直流伺服電極驅(qū)動(dòng), 屬靜態(tài)步行. 第二個(gè)型號(hào)HIT-為12 個(gè)自

8、由度, 該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu). 第三個(gè)型號(hào)HIT-為12 個(gè)自由度, 踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度, 腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu). HIT-實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行, 能夠完成前/ 后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作. 2） 國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究. 在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人, 這臺(tái)機(jī)器人具有10 個(gè)自由度, 能完成靜態(tài)步行、動(dòng)態(tài)步行. 經(jīng)過(guò)10年攻關(guān)，國(guó)防科技大學(xué)于2001年12月研制成功我國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)器人“現(xiàn)行者”，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的重大突破?！跋刃姓摺庇腥艘粯拥纳碥|、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語(yǔ)言功能，可以動(dòng)

9、態(tài)步行。圖4 先行者3） 清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校和研究機(jī)構(gòu)也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物? 進(jìn)行智能仿人機(jī)器人的研制工作.第三部分 仿人機(jī)器人的發(fā)展方向 根據(jù)仿人機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，可以對(duì)未來(lái)仿人機(jī)器人的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)做如下預(yù)測(cè)。1）本體機(jī)構(gòu)的改進(jìn)（仿人機(jī)器人是一個(gè)多關(guān)節(jié)和具有冗余自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。如何實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能而且又使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化是一個(gè)很值得研究的問(wèn)題。一個(gè)功能齊全的仿人機(jī)器人必須要有一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊和配置合理的機(jī)械本體，在研制過(guò)程中，應(yīng)該考慮采用更先進(jìn)的材料，提高零件的制造精度和裝配精度）2） 驅(qū)動(dòng)電源的改進(jìn)（仿人機(jī)器人目前所用的驅(qū)動(dòng)源主要有在線(xiàn)提供能源和離線(xiàn)自

10、帶電源兩種。理想的能源應(yīng)該具有高的能源密度、耐高溫、耐腐蝕、可再生、低成本等。但是，現(xiàn)在自帶能源容量有限，而且仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，所以如何改進(jìn)驅(qū)動(dòng)源，使其體積小、重量輕而且容量大，也是在仿人機(jī)器人的研制過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。）3）運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解理論和方法的發(fā)展 （由于仿人機(jī)器人的高階、強(qiáng)耦合和非線(xiàn)性，使得仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒(méi)有十分理想的理論或方法來(lái)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析解，只有外加一些限制條件，如能量消耗最小、峰值力矩最小等來(lái)求出運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的近似解。這樣往往導(dǎo)致仿人機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)有較大的出入。所以要想得到理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，必須在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的求

11、解方法上有重大的突破。 4）網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)和虛擬機(jī)技術(shù)（通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將許多個(gè)仿人機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)仿人機(jī)器人進(jìn)行有效的控制，這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙控操作控制技術(shù)、信息組壓縮和擴(kuò)展技術(shù)以及傳輸技術(shù)等。在將遙控作為一種主要手段控制仿人機(jī)器人的同時(shí)，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)的虛擬遙控操作和人機(jī)交互技術(shù)，也是需要大力發(fā)展的技術(shù)）。 第四部分 仿人機(jī)器人的應(yīng)用 仿人機(jī)器人不僅是一個(gè)國(guó)家高科技綜合水平的重要標(biāo)志，也在人類(lèi)生產(chǎn)、生活中有著廣泛的用途。由于仿人機(jī)器人具有人類(lèi)的外觀(guān)特征，更容易適應(yīng)人類(lèi)的生活和工作環(huán)境，代替人類(lèi)完成各種作業(yè)。它不僅可以在有輻射、粉塵、有毒環(huán)境中代替人

12、類(lèi)作業(yè)，而且可以在很多方面擴(kuò)展人類(lèi)的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。將來(lái)它還將在家庭服務(wù)、醫(yī)療、教育、社會(huì)娛樂(lè)、生物技術(shù)、救災(zāi)、海洋開(kāi)發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸、農(nóng)林水產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1）服務(wù) 21世紀(jì)人類(lèi)將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展仿人機(jī)器人能彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)，醫(yī)療等社會(huì)問(wèn)題。仿人機(jī)器人可以與人友好相處， 能夠很好地?fù)?dān)任陪伴，照顧，護(hù)理老人和病人的角色，以及從事日常生活中的服務(wù)工作，因此家庭服務(wù)行業(yè)的仿人機(jī)器人應(yīng)用必將形成新的產(chǎn)業(yè)和新的市場(chǎng)。 2）醫(yī)療在醫(yī)療領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以用于假肢和器官移植，用仿人機(jī)器人技術(shù)可以做成動(dòng)力型假肢，協(xié)助癱瘓病人實(shí)現(xiàn)行走的夢(mèng)想。然而，我們現(xiàn)在還幾乎看不到以控制論開(kāi)發(fā)出的生物體與人體完美的結(jié)合，因此，這方面還需要更進(jìn)一步的研究和探索。3）教育 一般來(lái)講仿人機(jī)器人在教育領(lǐng)域有兩種應(yīng)用： a學(xué)生通過(guò)制作仿人機(jī)器人來(lái)實(shí)踐機(jī)械結(jié)構(gòu)和復(fù)雜控制軟件模塊的設(shè)計(jì)。 b學(xué)生用仿人機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)動(dòng)手能力和解決新問(wèn)題的能力。 4）娛樂(lè) 仿人形機(jī)器人可以用來(lái)在展覽會(huì)上做廣告，它很吸引人的注意，因?yàn)樗谕庑紊细咏祟?lèi)，所以更能引起人的興趣。另外，它還可以用于家庭娛樂(lè)。第五部分 仿人機(jī)器人的展