機(jī)器人概論知識(shí)

1、機(jī)器人概論機(jī)器人分類軍用機(jī)器人民用機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人類人機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)器人飛行機(jī)器人爆破機(jī)器人偵查機(jī)器人戰(zhàn)車娛樂機(jī)器人美國(guó)機(jī)器人發(fā)展上世紀(jì)60年代，美國(guó)誕生第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人BigDog四腿軍用機(jī)器人，能夠在負(fù)重100kg的情況下以5km的時(shí)速在各種地形上行走。2011年，美國(guó)Petman仿人軍用機(jī)器人，時(shí)速7公里的步行，即使側(cè)面受到大力沖擊也不會(huì)摔倒。2011年2月，美國(guó)Robonaut 2機(jī)器人乘坐航天飛機(jī)進(jìn)入太空，進(jìn)行行星探索。在無(wú)人車船以及無(wú)人飛行器方面，2011年10月，美國(guó)研制的“納米蜂鳥”無(wú)人駕駛偵察機(jī)已經(jīng)成功完成精準(zhǔn)試飛，翼展只有16cm寬，能像小鳥一樣拍打翅膀前后飛行。2

2、011年11月，美國(guó)的四艘Wave Glider無(wú)人駕駛船開始了自主跨太平洋之旅。在機(jī)器人相關(guān)傳感器方面也引領(lǐng)了世界的潮流。美國(guó)微軟公司的Kinect體感游戲外設(shè)通過紅外測(cè)距和模式識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比的人體動(dòng)作識(shí)別，引起一股新的人機(jī)“自然交互”浪潮。歐洲機(jī)器人新發(fā)展在歐洲，英國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步最早。英國(guó)不僅大力研制和廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，其在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域也頗有建樹，例如，赫特福德大學(xué)設(shè)計(jì)出一款管家機(jī)器人“Greta”，能夠從主人那里接收命令，然后向下級(jí)機(jī)器人安排任務(wù)，并回答主人相關(guān)的問題。德國(guó)是擁有工業(yè)機(jī)器人最多的歐洲國(guó)家，其機(jī)器人數(shù)量在世界范圍內(nèi)也僅次于日本。德國(guó)KUKA公司開發(fā)的輕型機(jī)械

3、臂，不僅高效靈活，而且具有模塊化結(jié)構(gòu)，具有廣闊的工業(yè)和服務(wù)應(yīng)用前景。德國(guó)在航天機(jī)器人領(lǐng)域也頗有建樹，其航空航天局研制的RollinJustin機(jī)器人，不僅能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的遙操作，而且能泡咖啡能接棒球12。另外，在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，德國(guó)的Care-0-Bot移動(dòng)家庭看護(hù)機(jī)器人能夠幫助老年人獨(dú)立生活的系統(tǒng)，功能十分豐富實(shí)用。法國(guó)在機(jī)器人擁有量以及機(jī)器人應(yīng)用上也居于世界前列。目前，法國(guó)Aldebaran公司生產(chǎn)的 “Nao”已成為世界上銷售量最大的小型類人機(jī)器人。Nao高0.57m，仿人機(jī)器人, 集成了視覺、聽覺、壓力、紅外、聲納、接觸等傳感器, 可用于控制、人工智能等研究.我國(guó)機(jī)器人新進(jìn)展工業(yè)機(jī)器人2

4、機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制方向：智能化、重載、高精度、高速、網(wǎng)絡(luò)化FANUC 公司的并聯(lián)六軸結(jié)構(gòu)的機(jī)器人3iA 具有很高的柔性, 集成iRVision 視覺系統(tǒng)、Force Sensing力覺系統(tǒng)、Robot Link 通信系統(tǒng)和Collision Guard碰撞保護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)智能功能, 可對(duì)工件進(jìn)行快速識(shí)別, 利用視覺跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)完成作業(yè).哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)、上海大學(xué)等。沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、上海沃迪公司、奇瑞公司等企業(yè)

5、。我國(guó)機(jī)器人新進(jìn)展服務(wù)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將成為繼家電和個(gè)人電腦之后，全球新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。在監(jiān)控機(jī)器人方面，中科院深圳先進(jìn)院研制的家庭監(jiān)控機(jī)器人可以在家中自如移動(dòng)到每個(gè)角落，監(jiān)測(cè)家中是否漏水、著火煤氣泄露等，一旦發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)地向主人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。如果有陌生人闖入時(shí)，機(jī)器人也會(huì)立即將其拍照并傳給主人。在老人服務(wù)機(jī)器人方面，中科院深圳先進(jìn)院研制的管家機(jī)器人能夠接收用戶通過智能手機(jī)發(fā)送的指令完成特定目標(biāo)抓取，為老人提供生活便利。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所則研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的機(jī)器人輪椅，不僅能通過語(yǔ)音控制輪椅自由行走,還可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話功能

6、，給行動(dòng)不變的老人和殘疾人提供很大方便。在仿人機(jī)器人方面，2011年11月，由浙江大學(xué)研制的仿人機(jī)器人“悟”和“空”成功實(shí)現(xiàn)了乒乓球以及與人類對(duì)打，能夠持續(xù)百余回合以上。我國(guó)機(jī)器人新進(jìn)展空間機(jī)器人在未來的空間活動(dòng)中，將有大量的空間加工、空間生產(chǎn)、空間裝配、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間維修等工作要做，必須充分利用空間機(jī)器人等自動(dòng)化智能設(shè)備。在月球車研制領(lǐng)域，2008年1月，北京工業(yè)大學(xué)率先研制了月球車原理樣機(jī)。緊接著，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司領(lǐng)銜研制的中國(guó)首輛月球車工程樣機(jī)于同年4月通過項(xiàng)目驗(yàn)收。同年6月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的月球車樣機(jī)通過了模擬月球地形環(huán)境試驗(yàn)，在功能上具備探月工程所需的月球車基本功能和基本組成

7、部分。移動(dòng)機(jī)器人-輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人2日本物理與化學(xué)研究所(Institute of Physical and Chemical Research)開發(fā)的雙臂服務(wù)機(jī)器人RIBA, 重180 公斤, 機(jī)械臂上由觸覺傳感器覆蓋, 并可通過觸覺感知護(hù)理人員的引導(dǎo)信息、協(xié)助其抱起并移動(dòng)61 公斤重的患者。國(guó)內(nèi)： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、華中科技大學(xué)等單位開發(fā)了多種輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人。如智能輪椅、可變形機(jī)器人、復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)器人等, 開展了環(huán)境建模、避障路徑規(guī)劃、識(shí)別語(yǔ)音

8、命令、人機(jī)對(duì)話、路標(biāo)識(shí)別定位、作業(yè)臂抓取、多機(jī)協(xié)作等方法研究。 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院合肥智能科學(xué)研究院、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)等單位在無(wú)人車自動(dòng)駕駛方面都開展了大量研究和研制工作.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的HQ3 無(wú)人車實(shí)現(xiàn)了行駛、變線、超車等自主控制, 完成了286km 的高速公路無(wú)人駕駛.移動(dòng)機(jī)器人-腿足式移動(dòng)機(jī)器人腿足式移動(dòng)機(jī)器人是模仿哺乳動(dòng)物、昆蟲、兩棲動(dòng)物等的腿足結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式而設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng), 研究包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃、穩(wěn)定性等方面.電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)。2006 年, 波士頓動(dòng)力公司研制了新型液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人BigDog, 該機(jī)器人可負(fù)載150 公斤, 行走

9、20 km, 負(fù)載能力高、環(huán)境適應(yīng)性好、行走速度快、續(xù)航能力強(qiáng)。此后, 該公司研制的液壓四足機(jī)器人AlphaDog的抵抗側(cè)向沖擊、負(fù)重、環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)范圍等性能得到進(jìn)一步提高。研制的液壓四足機(jī)器人Cheetah 可以約29 km/h 的速度奔跑.國(guó)內(nèi)研制的腿足式移動(dòng)機(jī)器人, 多以電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)方式, 在四足、六足、八足等機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制方面開展了大量工作, 如清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等. 山東大學(xué)研制了液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī), 實(shí)現(xiàn)了Trot 動(dòng)步態(tài)行走, 最高速度達(dá)到了1.8 m/s. 北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大

10、學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等單位也在液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人研發(fā)方面開展了大量工作.移動(dòng)機(jī)器人-仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人研究主要集中于步態(tài)生成、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制和機(jī)器人設(shè)計(jì)等方面. 步態(tài)生成有離線生成方法和在線生成方法. 離線生成方法為預(yù)先規(guī)劃的數(shù)據(jù)用于在線控制, 可完成如行走、舞蹈等動(dòng)作,但無(wú)法適應(yīng)環(huán)境變化; 在線規(guī)劃則實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)規(guī)劃、確定各關(guān)節(jié)的期望角. 在穩(wěn)定性控制方面, 零力矩點(diǎn)(Zero moment point, ZMP) 方法雖廣泛應(yīng)用, 但該方法僅適合于平面情況.日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO日本川田公司的仿人機(jī)器人HRP-2 索尼公司開發(fā)了0.6m 高的

11、小型娛樂仿人機(jī)器人QIRO. Aldebaran Robotics 公司開發(fā)的高0.57m 的小仿人機(jī)器人Nao, 波士頓動(dòng)力公司在液壓四足仿生機(jī)器人基礎(chǔ)上開發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人Petman, 顯示出良好的柔性和抗外力干擾性, 可完成上下臺(tái)階、俯臥撐等動(dòng)作.移動(dòng)機(jī)器人-仿人機(jī)器人2國(guó)內(nèi)：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制開發(fā)了KDW 系列雙足機(jī)器人,研制了仿人機(jī)器人“先行者”. 北京理工大學(xué)研制的BRH 系列仿人機(jī)器人, 高1.58 m, 32 個(gè)自由度, 行走速度lkm/h, 實(shí)現(xiàn)了太極拳表演、刀術(shù)表演、騰空行走等復(fù)雜動(dòng)作. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)了HIT系列雙足步行機(jī)器人.清華大學(xué)研制開發(fā)了仿人機(jī)

12、器人THBIP-I.在小型仿人機(jī)器人方面, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開展了大量研究和研制工作. 北京理工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、南開大學(xué)等單位合作開展了乒乓球的高速識(shí)別與軌跡預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究, 實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)仿人機(jī)器人、人與機(jī)器人的多回合乒乓球?qū)Υ? 浙江大學(xué)等單位研制的仿人機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人、人與機(jī)器人的乒乓球?qū)Υ?。移?dòng)機(jī)器人-空間探索機(jī)器人美國(guó)開發(fā)的用于火星探測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人探路者、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào) 和好奇號(hào)“都成功登陸火星開展科研探測(cè). 好奇號(hào) 火星車采用了六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu), 長(zhǎng)3 m, 寬2.7 m, 高2.2 m, 自重900 公斤, 具有一個(gè)2.2m 的作業(yè)臂和攝像頭等多種探測(cè)設(shè)

13、備, 在45 度傾角狀態(tài)下不會(huì)傾翻, 最高速度4 cm/s. 不同于以往火星車采用太陽(yáng)能供電, 好奇號(hào) 采用核電池供電, 使系統(tǒng)續(xù)航能力得到極大提升.哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了兩輪并列式、6 輪搖臂 轉(zhuǎn)向架式、行星輪式等多種型號(hào)的月球車樣車, 并搭載太陽(yáng)能帆板、相機(jī)桅桿、定向天線、全向天線、前后避障相機(jī)等設(shè)備43. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所44、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位都開展了相關(guān)研究, 并研制了各具特色的月球車原理樣機(jī).移動(dòng)機(jī)器人-水下機(jī)器人研究工作集中在系統(tǒng)模型、環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、以及欠驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)系統(tǒng)控制、穩(wěn)定控制等方面. 遠(yuǎn)程操作水

14、下機(jī)器人(Remotely operated vehicle, ROV) 是通過拖纜與母船連接, 實(shí)現(xiàn)供能、通訊、遙控操縱, 可完成水下設(shè)備的安裝、監(jiān)控、部件替換, 水下探測(cè)等. 日本研制的裝配有攝像頭、聲納等傳感器和雙機(jī)械臂的、可深潛11 000m 的機(jī)器人Kaiko, 實(shí)現(xiàn)了10 911m深潛, 共完成296 次深潛作業(yè). 日本JAMSTEC 研制了ABISMO46 并進(jìn)行了深潛測(cè)試. 美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI) 研制自治水下機(jī)器人(Autonomousunderwater vehicle, AUV) Ne

15、reus 完成了10902m的深潛探測(cè). 該機(jī)器人不僅可以自主探測(cè), 也可以拖纜作為ROV 使用. 目前, 對(duì)于水下機(jī)器人的容錯(cuò)控制、水下機(jī)器人載體和作業(yè)臂的協(xié)調(diào)控制、多水下機(jī)器人協(xié)作等方面的研究得到越來越多的關(guān)注. 如多個(gè)水下滑翔器協(xié)作的研究, 水下滑翔器通過控制機(jī)器人的比重和方向舵以高度節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng), 多個(gè)水下滑翔器可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的環(huán)境信息采集.移動(dòng)機(jī)器人-水下機(jī)器人2醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人-外科手術(shù)機(jī)器人分3類：監(jiān)控類、遙操作型和協(xié)作型。監(jiān)控型是由外科醫(yī)生針對(duì)病人制定治療程序, 在醫(yī)生監(jiān)控下由機(jī)器人完成手術(shù). 遙操作型是由外科醫(yī)生操縱控制手柄來遙控機(jī)器人完成手術(shù). 協(xié)作型主要

16、用于穩(wěn)定外科醫(yī)生使用的器械以便于完成高穩(wěn)定性、高級(jí)度的外科手術(shù).第一例機(jī)器人輔助外科手術(shù)是由Kwoh 等在1985 年完成, 利用工業(yè)機(jī)器人將固定裝置穩(wěn)定保持在患者頭部附近以便于神經(jīng)外科手術(shù)的鉆孔和將組織取樣針插入指定位置. 此后, 用于輔助外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)Probot、ROBODOC、AESOP、da Vinci、Zeus相繼開發(fā)并獲得應(yīng)用. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人結(jié)合的遠(yuǎn)程外科手術(shù)技術(shù)也得到重視和研究. 目前, da Vinci 外科手術(shù)輔助機(jī)器人是其中比較成功的商用系統(tǒng), 獲得美國(guó)FDA 認(rèn)證, 可用于多種外科手術(shù). da Vinci 系統(tǒng)是一個(gè)主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng), 醫(yī)生通過攝像頭傳回的圖

17、像獲取手術(shù)部位信息, 依靠踏板控制攝像頭和手術(shù)器械、依靠主控手柄遙控機(jī)器臂動(dòng)作來完成外科手術(shù). 此外, Hansen Medical 公司的血管介入手術(shù)機(jī)器人使用了觸覺主控制器、臂式從動(dòng)系統(tǒng)和送管機(jī)構(gòu). Mazor 公司開發(fā)的脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已完成多例骨科手術(shù). Acrobot 公司研制的高精度外科手術(shù)機(jī)器人完成了膝關(guān)節(jié)外科手術(shù). 約翰霍普金斯大學(xué)研制了眼科外科手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)。仿生機(jī)器人通過對(duì)生物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行仿生是研究適應(yīng)某種特定環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)的基本方法之一, 如皮膚仿生、攀爬運(yùn)動(dòng)仿生等.由于魚類運(yùn)動(dòng)的高效率、高機(jī)動(dòng)、低噪聲特點(diǎn), 仿生機(jī)器魚研究得到廣泛的重視. 如MIT 大

18、學(xué)研制了機(jī)器魚RoboTuna 和RoboPike, 大阪大學(xué)研制了胸鰭推進(jìn)的機(jī)器魚BlackBass, 英國(guó)Heriot-Watt 大學(xué)研究了波動(dòng)鰭. 華盛頓大學(xué)、英國(guó)Essex 大學(xué)在控制方面,佛羅里達(dá)中心大學(xué)、日本名古屋大學(xué)、美國(guó)新墨西哥大學(xué)在微小型機(jī)器魚方面, 美國(guó)西北大大學(xué)、南洋理工大學(xué)、大阪大學(xué)在波動(dòng)鰭推進(jìn)方面都取得了很好的研究成果. 國(guó)內(nèi)在仿魚水下機(jī)器人：北京航空航天大學(xué)研制了SPC 系列仿生機(jī)器魚系統(tǒng), 進(jìn)行了湖試和海試, 完成了水下考古、環(huán)境監(jiān)控等示范應(yīng)用。其中SPC-3 UUV 體長(zhǎng)1.6 m, 巡航速度1.12 m/s, 航程70.7 km.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了尾

19、鰭推進(jìn)和波動(dòng)鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚，實(shí)現(xiàn)了浮潛、倒游、定深、自主避障、快速啟動(dòng)、水平面和垂直面快速轉(zhuǎn)向、多魚協(xié)調(diào)等運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 并實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器海豚的躍水運(yùn)動(dòng). 國(guó)防科技大學(xué)在波動(dòng)鰭仿生機(jī)器魚方面開展大量研究, 研制了多種波動(dòng)鰭推進(jìn)的機(jī)器魚系統(tǒng).哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)等單位也研制開發(fā)了仿生機(jī)器魚系統(tǒng)并開展了很多研究工作. 仿生機(jī)器人2此外, 蛇形機(jī)器人有東京工學(xué)院研制的ACMR5、密西根大學(xué)研制的OmniTread、挪威理工大學(xué)研制的Kulko、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的Uncle Sam等, 其中Uncle Sam 實(shí)現(xiàn)了爬樹運(yùn)動(dòng)70. 仿生兩棲機(jī)器人有瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL) 研制的Salamandra、紐約瓦薩學(xué)院研制的Madeline、加拿大約克大學(xué)等研制的AQUA 機(jī)器人等. 仿生飛行機(jī)器人有德國(guó)Festo 公司研制的仿生鳥Smartbird、多倫多大學(xué)研制的四翼?yè)湟盹w機(jī)Mentor、加州大學(xué)伯克利分校研制的飛行昆蟲等. 美國(guó)東北大學(xué)研制的仿生機(jī)器龍蝦. 南加州大學(xué)研制的自重構(gòu)機(jī)器人Con