機器人學(xué)及其應(yīng)用導(dǎo)論 課件 第一章-緒論

《機器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》大綱陶永

北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院機械工程學(xué)會機器人分會專家委委員中國電子學(xué)會機器人與嵌入式系統(tǒng)分會專家委委員一、大綱內(nèi)容簡介《機器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》由三部分組成機器人的定義與體系：主要介紹機器人學(xué)的起源與發(fā)展、機器人的定義與分類、機器人學(xué)的主要研究領(lǐng)域和重要意義；機器人的科學(xué)問題與核心關(guān)鍵技術(shù)：講解機器人學(xué)領(lǐng)域的主要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，包括機構(gòu)與驅(qū)動、運動學(xué)與動力學(xué)、傳感器與視覺、運動規(guī)劃與控制、典型的控制算法等；機器人的典型應(yīng)用：用豐富的實例展示機器人在各領(lǐng)域的典型應(yīng)用，涵蓋工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人，以及機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望。一、大綱內(nèi)容簡介

本講座僅對機器人的定義、科學(xué)理論、典型應(yīng)用等進(jìn)行精煉的概述，同時介紹部分機器人經(jīng)典的理論和案例。

針對關(guān)鍵科學(xué)問題的詳細(xì)闡述，將在系列叢書的其他著作中進(jìn)行描述。

二、《機器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第一章：緒論1.1機器人學(xué)的起源與發(fā)展歷史；1.2機器人的定義；1.3機器人的分類（機器人的體系）；1.4機器人學(xué)的研究領(lǐng)域；1.5機器人的意義（科學(xué)、經(jīng)濟與產(chǎn)業(yè)、社會）第二章：機器人機構(gòu)與驅(qū)動2.1系統(tǒng)特征（包含工作范圍、負(fù)載能力、運動骨架）；2.2機械結(jié)構(gòu)（包含連桿、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器）；2.3關(guān)節(jié)機構(gòu)（包含關(guān)節(jié)軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器、變速器；串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等）；2.4機器人性能（包含速度、加速度、重復(fù)性、分辨率、精度、組件壽命、碰撞）第三章：機器人運動學(xué)與動力學(xué)3.1位姿描述與齊次變換；3.2正運動學(xué)與逆運動學(xué)；3.3機器人的雅克比公式；3.4剛體動力學(xué)方程；3.5機器人動力學(xué)方程的簡化與計算；3.6機器人靜態(tài)特性與動態(tài)特性二、《機器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第四章：機器人傳感器與視覺4.1機器人傳感器概述；4.2傳感器及其信息融合；4.3機器人視覺測量；4.4

視覺核心技術(shù)；第五章：機器人運動規(guī)劃與控制方法5.1任務(wù)規(guī)劃5.2運動規(guī)劃5.3軌跡規(guī)劃5.4人機交互二、《機器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第六章：機器人典型控制算法6.1PID控制方法；6.2模糊控制算法；6.3遺傳算法；6.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法6.5自學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)算法6.6遙操作與人機交互算法第七章：機器人的典型應(yīng)用7.1工業(yè)機器人的典型應(yīng)用7.2服務(wù)機器人的典型應(yīng)用7.3特種機器人的典型應(yīng)用《機器人學(xué)及其應(yīng)用—導(dǎo)論》第一章緒論提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域

機器人的概念

機器人技術(shù)發(fā)展歷史3

機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境起源：在我國，最早的機器人應(yīng)該是指南車，指南車出現(xiàn)的時間很早，但是直到宋代才有較為完整的資料。指南車是中國古代用來指示方向的一種裝置。一、機器人技術(shù)發(fā)展歷史除了指南車外，我國歷史上比較有名的機器人形象當(dāng)屬木牛流馬，木牛是有前轅的獨輪車，流馬是沒有前轅的獨推小車。1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車，計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳。1773年，著名的瑞士鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯制造出自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的，它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時。1927年，美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出，它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。一、機器人技術(shù)發(fā)展歷史人偶機器人10一、機器人技術(shù)發(fā)展歷史現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過程。1947年，對這種較簡單的機械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動伺服方式，使其從動部分能跟隨主動部分運動，稱為"主從機械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953

美國麻省理工學(xué)院開始研制數(shù)控銑床隨著先進(jìn)飛機制造的需要，美國麻省理工學(xué)院輻射實驗室（MITRadiationLaboratory）開始研制數(shù)控銑床。1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動作的多軸數(shù)控銑床。1954年“可編程”“示教再現(xiàn)”機器人美國人GeorgeC.Devol設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，并發(fā)表了題為《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機器人》的文章。11一、機器人技術(shù)發(fā)展歷史60年代機器人產(chǎn)品正式問世，機器人技術(shù)開始形成1960年美國“聯(lián)合控制公司”（ConsolidatedControl）根據(jù)Devol的專利技術(shù)，研制出第一臺真正意義上的工業(yè)機器人，并成立了Unimation公司，開始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機器人。1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)70年代機器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科機器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱之為機器人學(xué)（Robotics）。80年代開始進(jìn)入智能機器人研究階段80年代，不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家真正進(jìn)入了實用化的普及階段。隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開始進(jìn)入智能機器人研究階段。經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，機器人技術(shù)逐步形成了一門新的綜合性學(xué)科—機器人學(xué)（Robotics）工業(yè)機器人----發(fā)展歷程萌芽誕生，1945世界二次大戰(zhàn)核材料加工，機構(gòu)學(xué)與數(shù)控機床，1954美國專利，PUMA機器人，1960年代賣給了日本川崎，機械、摩托車及汽車,1980年形成工業(yè)產(chǎn)業(yè)市場形成，1970汽車、摩托車及零部件，1990裝配與物流搬運，2000軍用、家用、醫(yī)療等，汽車、機械、軍警、醫(yī)療、食品等標(biāo)配設(shè)備。目前世界與中國大約裝機160萬臺套/6-10萬臺套，60-100億美元/50-100億人民幣，將帶動8-10倍成套設(shè)計、相關(guān)工裝、零部件、技術(shù)培訓(xùn)等市場提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域

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機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義：機器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。美國機器人協(xié)會（RIA）的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義：工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。14二、機器人的概念國際和國外相關(guān)組織的定義—工業(yè)機器人按照國際機器人權(quán)威機構(gòu)的定義，服務(wù)機器人是指除從事工業(yè)生產(chǎn)以外的一大類半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類的服務(wù)工作。15二、機器人的概念服務(wù)機器人的定義綜合諸家的解釋，可按以下特征描述機器人：1.機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官(如肢體、感官等)的功能；2.機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變，是柔性加工主要組成部分；3.機器人具有不同程度的智能，如感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)等；4.機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。二、機器人的概念提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域

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機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境18三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境以安全可靠、環(huán)保節(jié)能、使用便捷為準(zhǔn)則按照從低級→高級的發(fā)展程度可分為三類機器人:第一代機器人：即可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機器人，已進(jìn)入商品化、實用化。第二代機器人：裝備有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機作出簡單的推理，對動作進(jìn)行反饋的機器人，通常稱為低級智能機器人。第三代機器人：具有高度適應(yīng)性的自治機器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動。第三代機器人又稱作高級智能機器人。按照開發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類機器人工業(yè)機器人（IndustrialRobot）：應(yīng)用于生產(chǎn)過程與環(huán)境的機器人，如焊接、噴漆、裝配機器人。服務(wù)機器人（ServiceRobot）：服務(wù)于人的機器人，如助老助殘機器人、康復(fù)機器人、清潔機器人、護(hù)理機器人、醫(yī)療機器人、教育娛樂機器人、……特種機器人（SpecialRobots）：特殊環(huán)境下作業(yè)的機器人，如核工業(yè)機器人、極地科考機器人、反恐防暴機器人、軍用機器人、救援機器人、……三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應(yīng)用服務(wù)機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車、電子產(chǎn)品制造等三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應(yīng)用服務(wù)機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車、電子產(chǎn)品制造等近3年年均銷售23萬臺，銷售額90億美元，年均增長約12%應(yīng)用領(lǐng)域沒有明顯突破，國內(nèi)市場被國外壟斷近3年年均銷售480萬臺，銷售額80多億美元，年均增長近30%應(yīng)用領(lǐng)域不斷突破，市場潛力巨大，未來20年井噴式增長近3年年均銷售4萬余套，銷售額約20多億美元，年均增長約18%應(yīng)用環(huán)境特殊，關(guān)乎國防發(fā)展，未來迅速增長三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境特種機器人環(huán)境：變化、極端特點：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險、作戰(zhàn)等國防應(yīng)用服務(wù)機器人環(huán)境：變化、與人共處特點：環(huán)境識別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機器人環(huán)境：固定、獨立特點：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車、電子產(chǎn)品制造等環(huán)境固定，智能要求不高環(huán)境變化，自主感知與決策的本體智能要求高環(huán)境瞬息萬變，本體智能和外部智能要求都很高三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境國外熱門產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)機器人：微創(chuàng)外科手術(shù)機器人、血管介入機器人…家政服務(wù)與教育機器人：清潔機器人、教育娛樂機器人…特種作業(yè)機器人：極限作業(yè)機器人、反恐防暴機器人…我國服務(wù)機器人產(chǎn)品嶄露頭角我國已初步形成了水下自主機器人、消防機器人、搜救/排爆機器人、仿人機器人、醫(yī)療機器人、機器人護(hù)理床和智能輪椅、烹飪機器人等系列產(chǎn)品，顯展示出一定的市場前景。三、機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。共性機加工機器人食品包裝機器人特征：模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、靈活的控制系統(tǒng)、專用的應(yīng)用軟件特征：節(jié)省了大量人力，減少了包裝破損，提高了自動化水平。倉儲物流機器人特征：引導(dǎo)方式為磁條引導(dǎo)，激光引導(dǎo)，RFID引導(dǎo)等汽車制造機器人前景：提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加企業(yè)競爭力工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用醫(yī)療/康復(fù)機器人護(hù)理機器人助殘假肢手術(shù)機器人家居服務(wù)機器人游爾機器人—YOBYPEPER炒菜機器人清潔機器人教育機器人特種機器人的應(yīng)用環(huán)境提綱124機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域

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機器人的分類與應(yīng)用環(huán)境仿人/仿生機器人成為了機器與智能的綜合集成平臺自主感知與決策將成為機器人自主行為控制的核心云智能、群體智能是未來機器人發(fā)展的重要方向人-機器人的智能和功能融合是智能機器人技術(shù)發(fā)展的新興領(lǐng)域機器人的發(fā)展趨勢是指構(gòu)成機器人傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，對機器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。主要分成以下三部分：高精度機器人減速機高性能交直流伺服電機和驅(qū)動器高性能機器人控制器機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件31四、機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域機器人的研究領(lǐng)域：驅(qū)動、建模與控制：機器人驅(qū)動器可將電能、液壓能和氣壓能轉(zhuǎn)化為機器人的動力。機器人建模是指機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計與搭建。

對于此領(lǐng)域的研究，主要集中于驅(qū)動電機的改進(jìn)和控制機理的研究驅(qū)動電機32四、機器人的發(fā)展趨勢與研究領(lǐng)域機器人的研究領(lǐng)域：傳感器與感知系統(tǒng)：傳感器是機器人用于獲取外界信息的電子元件，而感知系統(tǒng)是一連串復(fù)雜程序所組成的