机器人控制理论与技术.ppt

机器人控制理论与技术（1）,课程简介,教学内容：机器人的基本结构组成、工作原理、控制及分析方法。教学目标：使学生通过本课程的学习，了解当前国内外机器人控制的研究、应用状况以及发展趋势，初步具备机器人控制系统的设计能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。教材：自主移动机器人导论，Siegwart著，李人厚译，西安交通大学出版社，2006年9月,课程主要教学内容,理论教学（24学时）移动机器人发展历程与体系结构（1学时）移动机器人的感知技术（6学时）移动机器人的定位技术（5学时）移动机器人的路径规划（6学时）移动机器人的运动控制技术（6学时）实验教学（8学时）机器人结构认识（1学时）机器人传感器的使用（2学时）机器人运动控制（3学时）机器人避障实验（2学时）,课程考核方法,本课程采用课程论文作为主要考核方式；结合学生平时成绩和实验成绩；平时成绩占20%实验成绩占30%课程论文成绩占50%,机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自上世纪四十、五十年代问世以来，经历了60年的发展已经取得了长足的进步！在人们的生产生活的很多领域发挥着越来越重要的作用。,什么是Robot？,什么是Robot？,amachinethatcandosometasksthatahumancandoandthatworksautomaticallyoriscontrolledbyacomputer。,机器人的发展历史列子汤问篇,时间：（约公元前1054年公元前949年）西周人物：周穆王，偃师，伶人,“Robot”一词最早出现在哪位作者的著作中？,NorbertWiener,IsaacAsimov,KarelCapek,GeogeDevol,“Robot”一词最早出现在哪位作家的小说中？,A.Norbert.WienerB.IsaacAsimovC.KarelCapekD.GeogeDevol,“Robot”的来源,ThewordRobotcomesfromthe1920playR.U.R.(RossumsUniversalRobots)bytheCzechwriterKarelCapek.RobotcomesfromtheCzechwordrobota,meaningforcedlabor.Thewordroboticalsocomesfromsciencefiction-itfirstappearedintheshortstoryRunaround(1942)byIsaacAsimov.ThisstorywaslaterincludedinAsimovsfamousbookI,Robot.,KarelCapekandhis“RossumsUniversalRobots”,机器人的发展历史,第一代机器人是一种进行重复操作的机械，即通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。,第一代工业机器人的代表,1961年，通用汽车公司生产线UnimateandJosephEngelberger,机器人的发展历史,第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。,HELPMATE,Helpmate具备多种传感器，可以利用天花板上的路标做引导，实现避障等功能。,机器人的发展历史,第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。,自主移动机器人,Spirit&Opportunity,轮式移动机器人Nomad,大小：2.4*2.4*2.4(m)重量：725Kg速度：0.5m/sGPS定位,履带式移动机器人PackBot510,自重：19公斤负重：20公斤行进速度：2.5m/s连续运行时间：10h其它特性：防水,四腿机器人BigDog,BostonDynamicsName:BigDog自重：234lbs负重：340lbs速度：6.4km/h爬坡角：35度特点：可适应绝大多数恶劣地形，如雪地、山区、沙地等。,双足机器人ASIMO,生产商：HONDA自重：54Kg身高：130cm持重：单手：0.3Kg双手：1.0Kg速度：通常步行时02.7km/h持重行走时1.6km/h直线行走时6.0km/h旋回行走时5.0km/h,自主移动机器人学中的三个关键问题：,我在哪里？（WhereamI?）我要去哪里？（WhereamIgoing?）我如何去那里？（HowdoIgetthere?）,为了解决上述三个问题，机器人需要：,具备一定的环境模型；具备对环境感知和分析的能力；确定它在环境中的位置；规划和执行运动的能力；,为了实现上述功能，我们需要从以下四个环节研究机器人：,自主移动机器人的两种体系结构（一）,分层式体系结构：也称为基于知识的体系结构，该结构把各模块分为不同的层次，使不同层次上的模块具备不同的功能和操作方式。,典型的分层式体系结构NASREM结构,移动机器人的两种体系结构（二）,包容式体系结构也称为基于行为的体系结构，是一种完全的反应式体系结构，是基于感知与行为之间映射关系的并行结构。,基于行为的机器人代表（1）,19491951GreyWalter制作的Elsie,基于行为的机器人代表（2）,1989年，MIT的RodenyBrooks教授制作了世界上第一个基于行为的机器人-Genghis.12个电机12个力传感器6个热电传感器,移动机器人的两种体系结构（三）,包容式体系结构不确定模型基于行为的并联实现由下至上,分层式体系结构完全建模基于功能的串联实现由上至下,混杂式控制结构更可行的方法,混杂式控制结构,问题：,什么是感知？感知等于不等于感觉？,感知的概念,自主移动机器人的传感器,由于机器人的应用范围越来越广，所以要求它对变化的环境要具有更强的适应能力，能进行更精确的定位和控制，并具有更高的智能。传感器是机器人获取信息的必备工具。,示例1Helpmate,示例2B21,问题：,超声传感器的安装位置为何往往要高于红外传感器？,示例3RobartII,示例4NuclearSurveillanceRobot,问题：,自主移动机器人常用的传感器有哪些？,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传感器有：,1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS,自主移动机器人常用的传