第一章绪论.ppt

第一章绪论 1 1什么是机器人 在科技界 科学家会给每一个科技术语一个明确的定义 但机器人问世已有几十年 机器人的定义仍然仁者见仁 智者见智 没有一个统一的意见 原因之一是机器人还在发展 新的机型 新的功能不断涌现 根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念 成为一个难以回答的哲学问题 就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样 人们对机器人充满了幻想 也许正是由于机器人定义的模糊 才给了人们充分的想象和创造空间 第一章绪论 1 1什么是机器人 1886年法国作家利尔亚当在他的小说 未来夏娃 中将外表像人的机器起名为 安德罗丁 android 它由4部分组成 1 生命系统 平衡 步行 发声 身体摆动 感觉 表情 调节运动等 2 造型解质 关节能自由运动的金属覆盖体 一种盔甲 3 人造肌肉 在上述盔甲上有肉体 静脉 性别等身体的各种形态 4 人造皮肤 含有肤色 机理 轮廓 头发 视觉 牙齿 手爪等 第一章绪论 1 1什么是机器人 1920年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本 罗萨姆的万能机器人 在剧本中 卡佩克把捷克语 Robota 写成了 Robot Robota 是奴隶的意思 该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响 引起了大家的广泛关注 被当成了机器人一词的起源 在该剧中 机器人按照其主人的命令默默地工作 没有感觉和感情 以呆板的方式从事繁重的劳动 后来 罗萨姆公司取得了成功 使机器人具有了感情 导致机器人的应用部门迅速增加 在工厂和家务劳动中 机器人成了必不可少的成员 机器人发觉人类十分自私和不公正 终于造反了 机器人的体能和智能都非常优异 因此消灭了人类 第一章绪论 1 1什么是机器人 为了防止机器人伤害人类 科幻作家阿西莫夫于1940年提出了 机器人三原则 1 机器人不应伤害人类 2 机器人应遵守人类的命令 与第一条违背的命令除外 3 机器人应能保护自己 与第一条相抵触者除外 这是给机器人赋予的伦理性纲领 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则 第一章绪论 1 1什么是机器人 在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上 就提出了两个有代表性的定义 一是森政弘与合田周平提出的 机器人是一种具有移动性 个体性 智能性 通用性 半机械半人性 自动性 奴隶性等7个特征的柔性机器 从这一定义出发 森政弘又提出了用自动性 智能性 个体性 半机械半人性 作业性 通用性 信息性 柔性 有限性 移动性等10个特性来表示机器人的形象 另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人 1 具有脑 手 脚等三要素的个体 2 具有非接触传感器 用眼 耳接受远方信息 和接触传感器 3 具有平衡觉和固有觉的传感器 第一章绪论 1 1什么是机器人 1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为 机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统 并以此系统的使用方法作为研究对象 1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机 第一章绪论 1 1什么是机器人 1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为 机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统 并以此系统的使用方法作为研究对象 1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机 我国科学家对机器人的定义是 机器人是一种自动化的机器 所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力 规划能力 动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器 第一章绪论 1 1什么是机器人 中国工程院院长宋健指出 机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就 是当代最高意义上的自动化 机器人技术综合了多学科的发展成果 代表了高技术的发展前沿 它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响 第一章绪论 1 2机器人的发展历史 1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔 恰佩克在他的科幻小说 罗萨姆的机器人万能公司 中 根据Robota 捷克文 原意为 劳役 苦工 和Robotnik 波兰文 原意为 工人 创造出 机器人 这个词 1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro 它由电缆控制 可以行走 会说77个字 甚至可以抽烟 不过离真正干家务活还差得远 但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体 1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出 机器人三定律 虽然这只是科幻小说里的创造 但后来成为学术界默认的研发原则 1948年诺伯特 维纳出版 控制论 阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经 感觉机能的共同规律 率先提出以计算机为核心的自动化工厂 第一章绪论 1 2机器人的发展历史 1954年美国人乔治 德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人 并注册了专利 这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作 因此具有通用性和灵活性 1956年在达特茅斯会议上 马文 明斯基提出了他对智能机器的看法 智能机器 能够创建周围环境的抽象模型 如果遇到问题 能够从抽象模型中寻找解决方法 这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向 1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫 英格伯格联手制造出第一台工业机器人 随后 成立了世界上第一家机器人制造工厂 Unimation公司 由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传 他也被称为 工业机器人之父 1962年美国AMF公司生产出 VERSTRAN 意思是万能搬运 与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人 并出口到世界各国 掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮 第一章绪论 1 2机器人的发展历史 1962年 1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性 人们试着在机器人上安装各种各样的传感器 包括1961年恩斯特采用的触觉传感器 托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的 灵巧手 上用到了压力传感器 而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统 并在1965年 帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器 能识别并定位积木的机器人系统 1965年约翰 霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人 Beast已经能通过声纳系统 光电管等装置 根据环境校正自己的位置 20世纪60年代中期开始 美国麻省理工学院 斯坦福大学 英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室 美国兴起研究第二代带传感器 有感觉 的机器人 并向人工智能进发 1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey 它带有视觉传感器 能根据人的指令发现并抓取积木 不过控制它的计算机有一个房间那么大 Shakey可以算是世界第一台智能机器人 拉开了第三代机器人研发的序幕 第一章绪论 1 2机器人的发展历史 1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人 加藤一郎长期致力于研究仿人机器人 被誉为 仿人机器人之父 日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长 后来更进一步 催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO 1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作 就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3 1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA 这标志着工业机器人技术已经完全成熟 PUMA至今仍然工作在工厂第一线 1984年英格伯格再推机器人Helpmate 这种机器人能在医院里为病人送饭 送药 送邮件 同年 他还预言 我要让机器人擦地板 做饭 出去帮我洗车 检查安全 第一章绪论 1 2机器人的发展历史 1998年丹麦乐高公司推出机器人 Mind storms 套件 让机器人制造变得跟搭积木一样 相对简单又能任意拼装 使机器人开始走入个人世界 1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝 AIBO 当即销售一空 从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一 2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba 它能避开障碍 自动设计行进路线 还能在电量不足时 自动驶向充电座 Roomba是目前世界上销量最大 最商业化的家用机器人 2006年6月 微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio 机器人模块化 平台统一化的趋势越来越明显 比尔 盖茨预言 家用机器人很快将席卷全球 第一章绪论 1 3机器人的分类 操作型机器人 能自动控制 可重复编程 多功能 有几个自由度 可固定或运动 用于相关自动化系统中 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件 依次控制机器人的机械动作 示教再现型机器人 通过引导或其它方式 先教会机器人动作 输入工作程序 机器人则自动重复进行作业 数控型机器人 不必使机器人动作 通过数值 语言等对机器人进行示教 机器人根据示教后的信息进行作业 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化 控制其自身的行动 学习控制型机器人 机器人能 体会 工作的经验 具有一定的学习功能 并将所 学 的经验用于工作中 智能机器人 以人工智能决定其行动的人 第一章绪论 1 3机器人的分类 机器人技术等级分类 1 第一代机器人 主要以示教 再现的方式工作 目前已商品化 实用化的工作机器人大都属于第一代机器人 2 第二代机器人 拥有外部传感器 对工作对象 外界环境具有一定的感知能力 感知的信息参加控制运算 第二代机器人正在越来越多地用于工业生产中 3 第三代机器人 拥有多种高级传感器 多工作对象 外界环境具有高度适应性和自制能力 可以进行复杂的逻辑思维和决策 是一种高度智能化的机器人 第三代机器人正处于研究和发展阶段 第一章绪论 1 3机器人的分类 其他分类方法 我国的机器人专家从应用环境出发 将机器人分为两大类 即工业机器人和特种机器人 所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人 而特种机器人则是除工业机器人之外的 用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人 包括 服务机器人 水下机器人 娱乐机器人 军用机器人 农业机器人 机器人化机器等 在特种机器人中 有些分支发展很快 有独立成体系的趋势 如服务机器人 水下机器人 军用机器人 微操作机器人等 目前 国际上的机器人学者 从应用环境出发将机器人也分为两类 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人 这和我国的分类是一致的 第一章绪论 1 4机器人的组成 机械手或移动车 机器人的主体部分 由连杆 活动关节以及其他结构部件组成 末端执行器 机械手最后关节上的部件 与其他机构连接并执行需要的任务 驱动器 机械手的肌肉 常见的有伺服电机 步进电机 气缸 液压缸等 传感器 用来收集机器人内部状态的信息与外部环境进行通讯 控制器 与人的小脑相识 从计算机获取数据 控制驱动器的动作 并与传感器信息一起协调机器人的运动 处理器 机器人的大脑 用来计算机器人关节的运动 确定每个关节预定的速度和位置 并且监督控制器和传感器协调动作 软件 操作系统 机器人软件 应用软件 第一章绪论 1 5机器人的应用 工业 工业机器人 通用及专用 一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量 高质量要求的工作 如汽车制造 摩托车制造 舰船制造 某些家电产品 电视机 电冰箱 洗衣机 化工等行业自动化生产线中的点焊 弧焊 喷漆 切割 电子装配及物流系统的搬运 包装 码垛等作业的机器人 日本占世界实际装备机器人总数的一半以上 主要是因为日本的数字中包括了各种工业机器人 但是它所占的比例不断下降 而欧盟及美国工业机器人的数量分别增加了11 及14 各为17 6万台和9 3万台 而我国仅为3000台 从1999 2003年 世界实际装备工业机器人数量预计将由1999年的743 000台增加到892 000台 其中日本有370 000台 世界其他地区通用工业机器人的实际装备数量将由340 000台增加到508 000台 第一章绪论 1 5机器人的应用 工业 第一章绪论 1 5机器人的应用 水下 第一章绪论 1 5机器人的应用 空中 第一章绪论 1 5机器人的应用 太空 第一章绪论 1 5机器人的应用 军事 第一章绪论 1 5机器人的应用 医疗 第一章绪论 1 5机器人的应用 服务 第一章绪论 1 5机器人的应用 服务 第一章绪论 1 5机器人的应用 农业 第一章绪论 1 5机器人的应用 比赛 第一章绪论 1 5机器人的应用 娱乐 第一章绪论 1 5机器人的应用 仿人 第一章绪论 1 5机器人的应用 仿生 第一章绪论 1 5机器人的应用 微小 第一章绪论 1 5机器人的应用 智能 第一章绪论 1 6机器人的社会问题 没有机器人 人将变为机器 有了机器人 人仍然是主人 机器人代替人完成那些枯燥 单调 危险的工作 机器人上岗 人将下岗 这种担心是多余的 先进的机器设备 都会提高劳动生产率和产品质量 创造出更多的社会财富 也就必然提供更多的就业机会 这已被人类生产发展史所证明 英国一位著名的政治家说过这样一段话 日本机器人的数量居世界首位 而失业人口最少 英国机器人数量在发达国家中最少 而失业人口居高不下 美国是机器人的发源地 机器人的拥有量远远少于日本 其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人 从而抑制了机器人的发展 日本之所以能迅速成为机器人大国 原因是多方面的 但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺 政府和企业都希望发展机器人 国民也都欢迎使用机器人 由于使用了机器人 日本也尝到了甜头 它的汽车 电子工业迅速崛起 很快占领了世界市场 从现在世界工业发展的潮流看 发展机器人是一条必由之路 第一章绪论 1 6机器人的社会问题 机器人能和人友好相处吗 1978年9月6日 日本广岛一工厂的切割机器人在切钢板时 突然发生异常 将一名值班工人当作钢板操作 这是世界上第一宗机器人杀人事件 1982年5月 日本山梨县阀门加工厂的一个工人 正在调整停工状态的螺纹加工机器人时 机器人突然启动 抱住工人旋转起来 造成了悲剧 1985年前苏联发生了一起家喻户晓的智能机器人棋手杀人事件 国际象棋冠军古德柯夫同机器人棋手下棋连胜3局 机器人棋手恼羞成怒 突然向金属棋盘释放强大的电流 在众目睽睽之下将这位国际大师击倒 这种意外伤人事件是偶然也是必然的 因为任何一个新生事物的出现总有其不完善的一面 随着机器人技术的不断发展与进步 这种意外伤人事件越来越少 正是由于机器人安全 可靠地完成了人类交给的各项任务 使人们使用机器人的热情才越来越高 第一章绪论 1 6机器人的社会问题 更深的蓝 战胜了什么 北京时间1997年5月12日凌晨4时50分 轰动全球的第二次人机大战结束 深蓝 以3 5 2 5微弱的优势取得了胜利 使人类看到了一个自己不愿看到的结果 人类的工具终于有一天会战胜自己 更深的蓝 是美国IBM公司生产的一台超级国际象棋电脑 重1270公斤 有32个微处理器 每秒钟可以计算2亿步 输入了一百多年来优秀棋手的对局两百多万局 卡斯帕罗夫是人类有史以来最伟大的棋手 在国际象棋棋坛上他独步天下 无人能出其右 人类已经发明了比人类跑得快的 举得重的 看得远的机器 它们只能成为人类的一种工具 并没有影响到人的本质 人类发明的机器或许可以分为两类 体能机器 和 智能机器 体能机器如汽车 飞机等 已经得到了公众的赞许 但智能机器却得到完全不同的反应 于是有人惊呼 今天我们输掉了最伟大的棋手 明天我们还将输掉什么 第一章绪论 1 6机器人的社会问题 机器人是人类的助手和朋友 科幻小说和电影电视中 机器人不外乎分为两种 一种是人类的朋友 协助正义战胜邪恶 另一种则是人类的敌人 给世界带来灾祸 工欲善其事 必先利其器 人类在认识自然 改造自然 推动社会进步的过程中 不断地创造出各种各样为人类服务的工具 其中许多具有划时代的意义 作为20世纪自动化领域的重大成就 机器人已经和人类社会的生产 生活密不可分 机器人的应用领域不断扩大 从工业走向农业 服务业 从产业走进医院 家庭 从陆地潜入水下 飞往空间 机器人展示出它们的能力与魅力 同时也表示了它们与人的友好与合作 世间万物 人力是第一资源 完全有理由相信 象其它许多科学技术的发明发现一样 机器人也应该成为人类的好助手 好朋友 第一章绪论 1 6机器人的社会问题 1 机器人引起社会结构变化人 机器人 机器人 机器2 机器人造成人类心理威胁机器人的发展与人类的进化本质上是完全不同的 3 劳动就业问题人类文明发展的必然结果 4 机脏人 克隆技术机器人的概念的变化 机器人进化 第一章绪论 1 7机器人学 机器人学 人们设计和应用机器人的技术和知识 是一门交叉学科 得益于机械工程 电器与电子工程 计算机科学 生物学以及许多其他科学 基础 机器人的迅速发展 已对许多国家的工业生产 太空和海洋探索 国防以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响 而且这种影响必将进一步扩大 当一种工业 技术和经济发生重大变化时 总是要求科学和教育系统发生与之相适应的调整和发展 为机器人学的建立奠定了基础标志 许多国家先后成立机器人协会或学会 美国 英国 瑞典 日本等国 设立了机器人学位计划 包括博士 以机器人学科为中心的多种国际学术会议每年举行一次 其有关出版刊物也为数不少 我国1985年设立了机器人专业委员会 1993年成立中国人工智能学会智能机器人学会 并有相应的出版物 第一章绪论 1 7机器人学 研究领域 传感器与感知系统 各种新型传感器的开发 传感器硬件模块化 传感系统软件 恶劣工况下的传感器 多传感系统及数据集成 驱动 建模与控制 控制机理与控制算法 控制系统结构 系统动力学分析 控制器接口技术 实时控制 协调控制 自动规划与控制 环境建模 知识表达 路径规划 任务规划 协调操作规划 基于传感信息的规划 任务协商与调度 计算机系统 智能机器人控制计算机系统体系结构 专用计算机语言 标准化接口 神经计算机与并行处理 人机通讯 应用研究 机器人在工业 农业 建筑 服务 核能 高空 水下 危险环境 采矿 军用 救援 排险 抗暴等行业中的应用研究 其他 微电子 机械系统的设计 超微型机器人 产品及其自动加工的协同设计 第一章绪论 1 7机器人学