《機(jī)器人簡(jiǎn)介》PPT課件

第一章 機(jī)器人技術(shù)入門簡(jiǎn)介 目錄 一 1 1 1 機(jī)器人 名字的由來1 1 2古代機(jī)器人1 1 3現(xiàn)代機(jī)器人及其大發(fā)展1 2機(jī)器人的相關(guān)定義及術(shù)語1 2 1機(jī)器人的定義1 2 2機(jī)器人學(xué)1 2 3操作機(jī)器人1 3智能機(jī)器人與自主機(jī)器人1 3 1智能機(jī)器人 目錄 二 1 3 2機(jī)器人系統(tǒng)1 4機(jī)器人 環(huán)境交換系統(tǒng)1 4 1人機(jī)交換1 4 2控制系統(tǒng)1 4 3多機(jī)器人系統(tǒng)與多智能系統(tǒng)1 4 4多機(jī)器人系統(tǒng)1 5微納機(jī)器人1 5 1微納操作1 5 2機(jī)器人技術(shù)發(fā)展1 5 3中國(guó)機(jī)器人 1 1 1 機(jī)器人 名字由來 機(jī)器人 一詞最早出現(xiàn)在科幻和文學(xué)作品中 1920年捷克斯洛伐克劇作家KarelCapek在其科幻作品 Rossum sUniversalRobots 中第一次使用了單詞Robot 這個(gè)詞來源于捷克語中的Robota 本意為奴隸 1 1 2古代機(jī)器人 西周時(shí)期 偃師就研制出了能歌善舞的伶人 這是中國(guó)最早記載的機(jī)器人 1800年前的漢代 大科學(xué)家張衡發(fā)明了計(jì)里鼓車 計(jì)里鼓車每行一里 車上木人擊鼓一下 每行十里擊鐘一下 后漢三國(guó)時(shí)期 諸葛亮成功地創(chuàng)造出了 木牛流馬 并用其運(yùn)送軍糧 支援前方 1800年 馬均發(fā)明了龍骨水車用于灌溉 并制作了水轉(zhuǎn)百戲圖用于娛樂 用大木頭雕刻構(gòu)造 暗設(shè)機(jī)關(guān) 在平地上施行它 借水力發(fā)動(dòng) 可以讓木偶人擊鼓奏樂 1 1 3現(xiàn)代機(jī)器人及其大發(fā)展 現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期 其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展 以及原子能的開發(fā)利用 1951年 第一臺(tái)數(shù)控銑床在MIT誕生 1961年 英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 機(jī)器人歷史才真正開始 1968年 具有一定只能的機(jī)器人Shakey在斯坦福研究所誕生 1970年 在美國(guó)召開了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議 此后 機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展 9 機(jī)器人三定律 1940年 美國(guó)科幻作家阿西莫夫提出了 機(jī)器人三原則 a 機(jī)器人不得傷害人或由于故障而使人遭受不幸 b 機(jī)器人應(yīng)執(zhí)行人們下達(dá)的命令 除非這些命令與第一原則相矛盾 c 機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己的生存 只要這種保護(hù)行為不與第一或第二原則相矛盾 機(jī)器人在中國(guó) 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初 大致可分為3個(gè)階段 70年代的萌芽期 80年代的開發(fā)期 90年代的實(shí)用化期 我國(guó)于1972年開始研制工業(yè)機(jī)器人 數(shù)十家研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序 組合式 液壓伺服型通用機(jī)器人 并開始了機(jī)構(gòu)學(xué) 計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究 1972年 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開始了機(jī)器人的研究工作 1980年 中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)研制成功 1986年 中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人深海試驗(yàn)成功 1989年 我國(guó)水下機(jī)器人首次出口美國(guó) 1900年 中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人通用控制器研制成功 1993年 中國(guó)唯一的機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程研究中心成立 1998年 中國(guó)中國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域唯一一家通過了ISO9001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量增長(zhǎng)迅速 2000年我國(guó)僅擁有3500臺(tái)機(jī)器人 到2005年增加到7000臺(tái) 到了2011年末我國(guó)運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人總量已經(jīng)接近7 5萬臺(tái) 增長(zhǎng)率高達(dá)32 13 2012年新增2 69萬臺(tái)機(jī)器人 增速為19 16 據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟的預(yù)測(cè) 2014年中國(guó)將成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大擁有國(guó) 2014年最新估算出的 萬億市場(chǎng) 參照的硬指標(biāo)來自國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì) 2013年中國(guó)市場(chǎng)共銷售工業(yè)機(jī)器人近3 7萬臺(tái) 約占全球銷量的五分之一 總銷量超過日本 成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng) 到2020年 這個(gè)體系產(chǎn)業(yè)銷售收入將達(dá)到3萬億元 1 2機(jī)器人的相關(guān)定義及術(shù)語 1 2 1機(jī)器人的定義機(jī)器人 Robot 是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置 它既可以接受人類的指揮 又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序 也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)的原則綱領(lǐng)行動(dòng) 它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作 例如生產(chǎn)業(yè) 建筑業(yè) 或是危險(xiǎn)的工作 聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義 一種可編程和多功能的 用來搬運(yùn)材料 零件 工具的操作機(jī) 或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng) 1 2 2機(jī)器人學(xué) 機(jī)器人學(xué) robotics 是與機(jī)器人設(shè)計(jì) 制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué) 又稱為機(jī)器人技術(shù)或機(jī)器人工程學(xué) 主要研究機(jī)器人的控制與被處理物體之間的相互關(guān)系 機(jī)器人學(xué)的研究推動(dòng)了許多人工智能思想的發(fā)展 有一些技術(shù)可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程 1 2 3操作機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置 它能自動(dòng)執(zhí)行工作 是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器 工業(yè)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè) 1 可編程 2 擬人化 3 通用性 1 3智能機(jī)器人與自主機(jī)器人 1 3 1智能機(jī)器人 智能機(jī)器人之所以叫智能機(jī)器人 是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的 大腦 在腦中起作用的是中央處理器 這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系 這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作 正因?yàn)檫@樣 我們才說這種機(jī)器人才是真正的機(jī)器人 智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部和外部信息傳感器 如視覺 聽覺 觸覺 嗅覺 除具有感受器外 它還有效應(yīng)器 作為作用于周圍環(huán)境的手段 這就是筋肉 或稱自整步電動(dòng)機(jī) 它們使手 腳 長(zhǎng)鼻子 觸角等動(dòng)起來 由此可知 智能機(jī)器人至少要具備三個(gè)要素 一 感覺要素 包括能感知視覺 接近 距離等的非接觸型傳感器和能感知力 壓覺 觸覺等的接觸型傳感器 這些要素實(shí)質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼 鼻 耳等五官 它們的功能可以利用諸如攝像機(jī) 圖像傳感器 超聲波傳成器 激光器 導(dǎo)電橡膠 壓電元件 氣動(dòng)元件 行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實(shí)現(xiàn) 二 運(yùn)動(dòng)要素 智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu) 以適應(yīng)諸如平地 臺(tái)階 墻壁 樓梯 坡道等不同的地理環(huán)境 它們的功能可以借助輪 子 履帶 支腳 吸盤 氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成 在運(yùn)動(dòng)過程中要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 這種控制不僅要包括有位置控制 而且還要有力度控制 位置與力度混合控制 伸縮率控制等 三 思考要素 機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵 也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素 思考要素包括有判斷 邏輯分析 理解等方面的智力活動(dòng) 這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程 而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段 1 3 2機(jī)器人系統(tǒng) 機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成 三大部分是機(jī)械部分 傳感部分和控制部分 六個(gè)子系統(tǒng)分別是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 機(jī)器人一環(huán)境交換系統(tǒng) 人機(jī)交換系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來 就需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置 這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng) 氣動(dòng)傳動(dòng) 電動(dòng)傳動(dòng) 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng) 可以直接驅(qū)動(dòng)或者通過同步帶 鏈條 輪系 諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是機(jī)器人為完成各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件 系統(tǒng)由骨骼 桿件 和連接它們的關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)副 構(gòu)成 具有多個(gè)自由度 主要包括手部 腕部 臂部 機(jī)身等部件 感受系統(tǒng) 感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成 用以獲得內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息 智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性 適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn) 人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的 然而 對(duì)于一些特殊的信息 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效 1 4機(jī)器人 環(huán)境交換系統(tǒng) 機(jī)器人 環(huán)境交換系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備互換聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng) 機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元 如加工單元 焊接單元 裝配單元等 當(dāng)然 也可以是多臺(tái)機(jī)器人 多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備 多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行任務(wù)的功能單位 1 4 1人機(jī)交換系統(tǒng) 人工交換系統(tǒng)是操作人員與機(jī)器人控制并與機(jī)器人聯(lián)系的裝置 例如 計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端 指令控制臺(tái) 信息顯示板 危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等 該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類 指令給定裝置和信息顯示裝置 1 4 2控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能 假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征 則為開環(huán)控制系統(tǒng) 若具備信息反饋特征 則為閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 4 3多機(jī)器人系統(tǒng)與多智能系統(tǒng) 在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代 人們對(duì)于用現(xiàn)代科技解決復(fù)雜任務(wù)的需求日益高漲 雖然隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 機(jī)器人的能力不斷提高 機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也在不斷擴(kuò)展 但是對(duì)于一些復(fù)雜的任務(wù) 單個(gè)機(jī)器人不再是最好的解決方案 而是由多個(gè)機(jī)器人組成的系統(tǒng) 多機(jī)器人系統(tǒng)多智能系統(tǒng)概念 多機(jī)器人系統(tǒng)是指若干個(gè)機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)而完成某一任務(wù)的系統(tǒng) 它包含多機(jī)器人合作與多機(jī)器人協(xié)調(diào)兩方面的內(nèi)容 多機(jī)器人合作和協(xié)調(diào)是多機(jī)器人系統(tǒng)研究中的兩個(gè)不同而又有聯(lián)系的概念 前者研究的重點(diǎn)是高層的組織與運(yùn)行機(jī)制問題 側(cè)重實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速組織與重構(gòu)的柔性控制機(jī)制 后者則是研究機(jī)器人之間合作關(guān)系確定后具體的運(yùn)動(dòng)控制問題 多機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 與單個(gè)機(jī)器人相比 多機(jī)器人系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn) 1 單個(gè)機(jī)器人不能完成某些任務(wù) 必須依靠多個(gè)機(jī)器人才能完成 如執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)使命 足球比賽等 必須要由一個(gè)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)來完成而非單個(gè)機(jī)器人 2 對(duì)于可以分解的任務(wù)來說 多個(gè)機(jī)器人可以分別并行地完成不同的子任務(wù) 這比單個(gè)機(jī)器人完成所有的子任務(wù)要快得多 就是說 多機(jī)器人系統(tǒng)可以提高工作效率 3 可以將成員設(shè)計(jì)成完成某項(xiàng)任務(wù)的 專家 而不是能完成所有任務(wù)的 通才 使得機(jī)器人的設(shè)計(jì)有更大的靈活性 完成有限任務(wù)的機(jī)器人可以設(shè)計(jì)得更完善 4 成員之間可以交換信息 多機(jī)器人系統(tǒng)可以更有效和更精確地進(jìn)行定位 5 多機(jī)器人系統(tǒng)中的成員相互協(xié)作可以增加冗余度 消除失效點(diǎn) 增加解決方案的可靠性 6 多機(jī)器人系統(tǒng)較單個(gè)機(jī)器人可以提供更多的解決方案 因此可以針對(duì)不同的具體情況 優(yōu)化選擇方案 1 5微納機(jī)器人 納米機(jī)器人在清理納米機(jī)器人血管中的有害堆積物正在進(jìn)入紅細(xì)胞 1 5 1微納操作系統(tǒng) 人們的視線已從宏觀世界向微 納觀世界轉(zhuǎn)移 為了認(rèn)識(shí)微納觀世界以及為了對(duì)微納世界進(jìn)行操作 人們需要一種類似于宏觀世界的機(jī)器人系統(tǒng)以及機(jī)器人操作 人們稱之為 微納操作及微納操作系統(tǒng) 現(xiàn)代機(jī)器人 現(xiàn)代機(jī)器人 現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期 其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展 以及原子能的開發(fā)利用 發(fā)展歷史1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念 并申請(qǐng)了專利 該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié) 利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教 機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn) 這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人 現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式 作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型 示教再現(xiàn) 是1962年美國(guó)AMF公司推出的 VERSTRAN 和UNIMATION公司推出的 UNIMATE 這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似 但外形特征迥異 主要由類似人的手和臂組成 1965年 MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的 能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng) 1967年日本成立了人工手研究會(huì) 現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì) 同年召開了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì) 1970年在美國(guó)召開了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議 1970年以后 機(jī)器人的研究得到迅速?gòu)V泛的普及 1973年 辛辛那提 米拉克隆公司的理查德 豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人 它是液壓驅(qū)動(dòng)的 能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤 到了1980年 工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及 故稱該年為 機(jī)器人元年 隨后 工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展 日本也因此而贏得了 機(jī)器人王國(guó)的美稱 智能機(jī)器人并非無所不能 它的智商只相當(dāng)于4歲的兒童 機(jī)器人的 常識(shí) 比正常成年人就差得更遠(yuǎn)了 目前 科學(xué)家尚未搞清楚人類是如何學(xué)習(xí)和積累 常識(shí) 的 因此 將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)軟件上也就無從談起 美國(guó)科學(xué)家羅伯特 斯隆近日表示 人工智能研究的難題之一 就是開發(fā)出一種能實(shí)時(shí)做出恰當(dāng)判斷的計(jì)算機(jī)軟件 早在上世紀(jì)90年代 中國(guó)科學(xué)家周海中就指出 機(jī)器人在工作強(qiáng)度 運(yùn)算速度和記憶功能方面可以超越人類 但在意識(shí) 推理等方面不可能超越人類 現(xiàn)代機(jī)器人的現(xiàn)狀中國(guó)作為亞洲第三大的工業(yè)機(jī)器人需求國(guó) 市場(chǎng)發(fā)展穩(wěn)定 汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域 隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)不斷深入和國(guó)際制造業(yè)中心向中國(guó)的轉(zhuǎn)移 我國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步加大 市場(chǎng)擴(kuò)展的速度也會(huì)進(jìn)一步提高 對(duì)于國(guó)外的先發(fā) 領(lǐng)先優(yōu)勢(shì) 我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美 日兩國(guó) 甚至比起韓國(guó)也落后一步 尤其是在青少年中遠(yuǎn)未開展機(jī)器人的組裝 制作的科學(xué)活動(dòng) 這將關(guān)系到二 三十年后我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展 1 5 2機(jī)器人技術(shù)大發(fā)展 未來 Elektro 1911年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro 它由電纜控制 可以行走 會(huì)說77個(gè)字 甚至可以抽煙 不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn) 但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體 1959年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫 英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 隨后 成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠 Unimation公司 由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳 他也被稱為 工業(yè)機(jī)器人之父 1968年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey 它帶有視覺傳感器 能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木 不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大 Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人 拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕 日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO 機(jī)器人發(fā)展階段 從1911年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro起 機(jī)器人發(fā)展至今已出現(xiàn)了三代 第一代機(jī)器人是簡(jiǎn)單的示教再現(xiàn)型機(jī)器人 這類機(jī)器人需要使用者事先教給它們動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)路徑 再不斷地重復(fù)這些動(dòng)作 目前在汽車工業(yè)和電子工業(yè)自動(dòng)線上大量使用的就是這類機(jī)器人 它們基本上沒有感覺也不會(huì)思考 第二代機(jī)器人是低級(jí)智能機(jī)器人 或稱感覺機(jī)器人 和第一代機(jī)器人相比 低級(jí)智能機(jī)器人具有一定的感覺系統(tǒng) 能獲取外界環(huán)境和操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息 可對(duì)外界環(huán)