机器人概论PPT课件.pptx

机器人概论 王建飞 1 机器人分类 军用机器人民用机器人 工业机器人 服务机器人 类人机器人 农业机器人 飞行机器人 爆破机器人 侦查机器人 战车 娱乐机器人 2 美国机器人发展 上世纪60年代 美国诞生第一台工业机器人BigDog四腿军用机器人 能够在负重100kg的情况下以5km的时速在各种地形上行走 2011年 美国Petman仿人军用机器人 时速7公里的步行 即使侧面受到大力冲击也不会摔倒 2011年2月 美国Robonaut2机器人乘坐航天飞机进入太空 进行行星探索 在无人车船以及无人飞行器方面 2011年10月 美国研制的 纳米蜂鸟 无人驾驶侦察机已经成功完成精准试飞 翼展只有16cm宽 能像小鸟一样拍打翅膀前后飞行 2011年11月 美国的四艘WaveGlider无人驾驶船开始了自主跨太平洋之旅 在机器人相关传感器方面也引领了世界的潮流 美国微软公司的Kinect体感游戏外设通过红外测距和模式识别技术实现了高性价比的人体动作识别 引起一股新的人机 自然交互 浪潮 3 日本机器人发展 为了解决劳动力不足问题和提高产品质量 着力开发机器人技术 20世纪80年代超过美国成为 机器人王国 日本在传感器 电机 精密加工 能源以及材料等机器人的关键零部件和关键基础技术均是世界领先 日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO 高1 3m 行走速度达6km h 可完成 8 字形行走 上下台阶 弯腰等动作 还可与人握手 挥手 语音对话 识别出人和物体等 日本川田公司的仿人机器人HRP 2高1 5m 可模仿人的舞蹈动作 索尼公司开发了0 6m高的小型娱乐仿人机器人QIRO 2011年 日本福岛第一核电站事故爆发 本大力开展了对核事故处理机器人的研究 同年11月 由千叶工业大学研发的 ROSEMARY 核事故处理机器人面世 能够在负重50公斤的情况下连续工作5小时 并可进行遥控充电 4 欧洲机器人新发展 在欧洲 英国的机器人产业起步最早 英国不仅大力研制和广泛应用工业机器人 其在服务机器人领域也颇有建树 例如 赫特福德大学设计出一款管家机器人 Greta 能够从主人那里接收命令 然后向下级机器人安排任务 并回答主人相关的问题 德国是拥有工业机器人最多的欧洲国家 其机器人数量在世界范围内也仅次于日本 德国KUKA公司开发的轻型机械臂 不仅高效灵活 而且具有模块化结构 具有广阔的工业和服务应用前景 德国在航天机器人领域也颇有建树 其航空航天局研制的Rollin Justin机器人 不仅能够进行精准的遥操作 而且能泡咖啡能接棒球 12 另外 在服务机器人领域 德国的Care 0 Bot 移动家庭看护机器人能够帮助老年人独立生活的系统 功能十分丰富实用 法国在机器人拥有量以及机器人应用上也居于世界前列 目前 法国Aldebaran公司生产的 Nao 已成为世界上销售量最大的小型类人机器人 Nao高0 57m 仿人机器人 集成了视觉 听觉 压力 红外 声纳 接触等传感器 可用于控制 人工智能等研究 5 我国机器人新进展 工业机器人 目前 国内在弧焊 点焊 喷涂 搬运 装配和特种机器人 水下 爬壁 管道 遥控等机器人 领域 掌握了完整的设计制造技术 2008年9月 哈工大研制完成国内首台165公斤级点焊机器人 并成功应用于奇瑞汽车焊接车间 新松机器人公司开发出RH6弧焊机器人 其焊接质量达到了国外同类产品的水平 同样由新松公司设计制造的LGV 激光自动导引车 也已达到国际的一流水平 多传感器控制系统的研究 离线编程技术 自诊断和安全保护技术等方面均已取得了突破 掌握了工业机器人所有关键技术 在基础元件制造方面 我国在谐波减速器 高效电机的制造领域也有了突破 已研制出了交 直流伺服电机及其驱动系统 测速发电机 光电编码器 液压 气动 元部件 滚珠丝杠 直线滚动导轨 谐波减速器 RV减速器 十字交叉滚子轴承 薄壁轴承等 6 我国机器人新进展 工业机器人2 机构 驱动和控制方向 智能化 重载 高精度 高速 网络化FANUC公司的并联六轴结构的机器人3iA具有很高的柔性 集成iRVision视觉系统 ForceSensing力觉系统 RobotLink通信系统和CollisionGuard碰撞保护系统等多个智能功能 可对工件进行快速识别 利用视觉跟踪系统引导完成作业 哈尔滨工业大学 中国科学院沈阳自动化研究所 中国科学院自动化研究所 清华大学 北京航空航天大学 上海交通大学 天津大学 南开大学 华南理工大学 湖南大学 上海大学等 沈阳新松机器人自动化公司 哈尔滨工业大学博实公司 广州数控设备有限公司 上海沃迪公司 奇瑞公司等企业 7 我国机器人新进展 服务机器人 服务机器人产业将成为继家电和个人电脑之后 全球新经济发展的重要增长点 在监控机器人方面 中科院深圳先进院研制的家庭监控机器人可以在家中自如移动到每个角落 监测家中是否漏水 着火煤气泄露等 一旦发现异常 机器人会主动地向主人的手机发送报警短信 如果有陌生人闯入时 机器人也会立即将其拍照并传给主人 在老人服务机器人方面 中科院深圳先进院研制的管家机器人能够接收用户通过智能手机发送的指令完成特定目标抓取 为老人提供生活便利 中国科学院自动化研究所则研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅 不仅能通过语音控制轮椅自由行走 还可以实现简单的人机对话功能 给行动不变的老人和残疾人提供很大方便 在仿人机器人方面 2011年11月 由浙江大学研制的仿人机器人 悟 和 空 成功实现了乒乓球以及与人类对打 能够持续百余回合以上 8 我国机器人新进展 水下机器人 中科院沈阳自动化研究所通过国际合作 成功研制出6000米自主水下机器人 使我国水下机器人研究与开发达到国际先进水平 2006年 我国研制成功世界最大潜深载人潜水器 海极一号 7000米的工作潜深 可以达到世界99 8 的海底 比世界上另外5台同类产品深500米 2011年8月 我国首台自主设计 自主集成的的 蛟龙号 载人深潜器成功完成了5000级米下潜 使我国成为第五个具有3500米以上载人深潜能力的国家 为资源调查和科学研究的实际应用以及更大深度试验奠定坚实基础 2010年 由中科院研制的机器海豚系统亮相第十二届高交会 它具有模仿生物海豚的外形和腹背式波动运动 能够安全 快捷地进行水质监测 9 10 我国机器人新进展 空间机器人 在未来的空间活动中 将有大量的空间加工 空间生产 空间装配 空间科学实验和空间维修等工作要做 必须充分利用空间机器人等自动化智能设备 在月球车研制领域 2008年1月 北京工业大学率先研制了月球车原理样机 紧接着 中国航天科技集团公司领衔研制的中国首辆月球车工程样机于同年4月通过项目验收 同年6月 哈尔滨工业大学的月球车样机通过了模拟月球地形环境试验 在功能上具备探月工程所需的月球车基本功能和基本组成部分 11 移动机器人 轮式 履带式移动机器人 主要有智能轮椅 导游机器人 野外侦查机器人 以及大型智能车辆等 研究重点 定位 运动规划 自主控制 服务作业等技术和方法 机器人利用航迹推算 计算机视觉 路标识别 无线定位 SLAM simultaneouslocalizationandmapping 等技术进行定位 基于地图完成机器人运动路径的规划和运动控制 结合语音识别 图像识别 实现友好的人机交互 提供引导 解说 物品递送等服务 WillowGarage公司的PR2机器人 具有全向移动功能 双机械臂和夹持器 立体视觉和激光测距系统 夹持器上装有视觉传感器和力觉传感器阵列 通过视觉和力觉的感知 运动规划与控制 已实现打开冰箱 拿取不同物品等作业 12 移动机器人 轮式 履带式移动机器人2 日本物理与化学研究所 InstituteofPhysicalandChemicalResearch 开发的双臂服务机器人RIBA 重180公斤 机械臂上由触觉传感器覆盖 并可通过触觉感知护理人员的引导信息 协助其抱起并移动61公斤重的患者 国内 哈尔滨工业大学 中国科学院沈阳自动化研究所 中国科学院自动化研究所 上海交通大学 北京航空航天大学 北京理工大学 清华大学 中国科学院深圳先进技术研究院 华中科技大学等单位开发了多种轮式 履带式移动机器人 如智能轮椅 可变形机器人 复合结构机器人等 开展了环境建模 避障路径规划 识别语音命令 人机对话 路标识别定位 作业臂抓取 多机协作等方法研究 国防科学技术大学 清华大学 中国科学院合肥智能科学研究院 南京理工大学 浙江大学等单位在无人车自动驾驶方面都开展了大量研究和研制工作 国防科学技术大学研制的HQ3无人车实现了行驶 变线 超车等自主控制 完成了286km的高速公路无人驾驶 13 移动机器人 腿足式移动机器人 腿足式移动机器人是模仿哺乳动物 昆虫 两栖动物等的腿足结构和运动方式而设计的机器人系统 研究包括系统设计 步态规划 稳定性等方面 电机驱动 液压驱动 2006年 波士顿动力公司研制了新型液压驱动四足仿生机器人BigDog 该机器人可负载150公斤 行走20km 负载能力高 环境适应性好 行走速度快 续航能力强 此后 该公司研制的液压四足机器人AlphaDog的抵抗侧向冲击 负重 环境适应性和运动范围等性能得到进一步提高 研制的液压四足机器人Cheetah可以约29km h的速度奔跑 国内研制的腿足式移动机器人 多以电机为主要驱动方式 在四足 六足 八足等机器人机构设计 运动规划 控制方面开展了大量工作 如清华大学 华中科技大学 中国科学院沈阳自动化研究所 哈尔滨工业大学等 山东大学研制了液压驱动四足机器人实验样机 实现了Trot动步态行走 最高速度达到了1 8m s 北京理工大学 哈尔滨工业大学 国防科学技术大学 上海交通大学 北京邮电大学和南京航空航天大学等单位也在液压驱动四足仿生机器人研发方面开展了大量工作 14 15 移动机器人 仿人机器人 仿人机器人研究主要集中于步态生成 动态稳定控制和机器人设计等方面 步态生成有离线生成方法和在线生成方法 离线生成方法为预先规划的数据用于在线控制 可完成如行走 舞蹈等动作 但无法适应环境变化 在线规划则实时调整步态规划 确定各关节的期望角 在稳定性控制方面 零力矩点 Zeromomentpoint ZMP 方法虽广泛应用 但该方法仅适合于平面情况 日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO日本川田公司的仿人机器人HRP 2索尼公司开发了0 6m高的小型娱乐仿人机器人QIRO AldebaranRobotics公司开发的高0 57m的小仿人机器人Nao 波士顿动力公司在液压四足仿生机器人基础上开发的液压驱动双足步行机器人Petman 显示出良好的柔性和抗外力干扰性 可完成上下台阶 俯卧撑等动作 16 ASIMO 17 移动机器人 仿人机器人2 国内 国防科学技术大学研制开发了KDW系列双足机器人 研制了仿人机器人 先行者 北京理工大学研制的BRH系列仿人机器人 高1 58m 32个自由度 行走速度lkm h 实现了太极拳表演 刀术表演 腾空行走等复杂动作 哈尔滨工业大学研制开发了HIT系列双足步行机器人 清华大学研制开发了仿人机器人THBIP I 在小型仿人机器人方面 哈尔滨工业大学等单位开展了大量研究和研制工作 北京理工大学与中国科学院自动化研究所 南开大学等单位合作开展了乒乓球的高速识别与轨迹预测等关键技术研究 实现了两台仿人机器人 人与机器人的多回合乒乓球对打 浙江大学等单位研制的仿人机器人也实现了仿人机器人 人与机器人的乒乓球对打 18 移动机器人 空间探索机器人 美国开发的用于火星探测的移动机器人 探路者 勇气号 机遇号 和 好奇号 都成功登陆火星开展科研探测 好奇号 火星车采用了六轮独立驱动结构 长3m 宽2 7m 高2 2m 自重900公斤 具有一个2 2m的作业臂和摄像头等多种探测设备 在45度倾角状态下不会倾翻 最高速度4cm s 不同于以往火星车采用太阳能供电 好奇号 采用核电池供电 使系统续航能力得到极大提升 哈尔滨工业大学研制了两轮并列式 6轮摇臂 转向架式 行星轮式等多种型号的月球车样车 并搭载太阳能帆板 相机桅杆 定向天线 全向天线 前后避障相机等设备 43 中国科学院沈阳自动化研究所 44 北京航空航天大学 清华大学 上海交通大学 国防科学技术大学 复旦大学等单位都开展了相关研究 并研制了各具特色的月球车原理样机 19 移动机器人 水下机器人 研究工作集中在系统模型 环境感知 定位导航 以及欠驱动和全驱动的推进系统控制 稳定控制等方面 远程操作水下机器人 Remotelyoperatedvehicle ROV 是通过拖缆与母船连接 实现供能 通讯 遥控操纵 可完成水下设备的安装 监控 部件替换 水下探测等 日本研制的装配有摄像头 声纳等传感器和双机械臂的 可深潜11000m的机器人Kaiko 实现了10911m深潜 共完成296次深潜作业 日本JAMSTEC研制了ABISMO 46 并进行了深潜测试 美国伍兹霍尔海洋研究所 WoodsHoleOceanographicInstitution WHOI 研制自治水下机器人 Autonomousunderwatervehicle AUV Nereus完成了10902m的深潜探测 该机器人不仅可以自主探测 也可以拖缆作为ROV使用 20 目前 对于水下机器人的容错控制 水下机器人载体和作业臂的协调控制 多水下机器人协作等方面的研究得到越来越多的关注 如多个水下滑翔器协作的研究 水下滑翔器通过控制机器人的比重和方向舵以高度节能的方式实现水下运动 多个水下滑翔器可以进行长时间 大范围的环境信息采集 移动机器人 水下机器人2 21 医疗与康复机器人 外科手术机器人 分3类 监控类 遥操作型和协作型 监控型是由外科医生针对病人制定治疗程序 在医生监控下由机器人完成手术 遥操作型是由外科医生操纵控制手柄来遥控机器人完成手术 协作型主要用于稳定外科医生使用的器械以便于完成高稳定性 高级度的外科手术 第一例机器人辅助外科手术是由Kwoh等在1985年完成 利用工业机器人将固定装置稳定保持在患者头部附近以便于神经外科手术的钻孔和将组织取样针插入指定位置 此后 用于辅助外科手术的机器人系统Probot ROBODOC AESOP daVinci Zeus相继开发并获得应用 基于虚拟现实和机器人结合的远程外科手术技术也得到重视和研究 目前 daVinci外科手术辅助机器人是其中比较成功的商用系统 获得美国FDA认证 可用于多种外科手术 daVinci系统是一个主从结构的系统 医生通过摄像头传回的图像获取手术部位信息 依靠踏板控制摄像头和手术器械 依靠主控手柄遥控机器臂动作来完成外科手术 此外 HansenMedical公司的血管介入手术机器人使用了触觉主控制器 臂式从动系统和送管机构 Mazor公司开发的脊柱外科手术机器人系统已完成多例骨科手术 Acrobot公司研制的高精度外科手术机器人完成了膝关节外科手术 约翰霍普金斯大学研制了眼科外科手术辅助机器人系统 22 医疗与康复机器人 康复与助力机器人 用于辅助病人康复 生活自理手臂康复治疗机器人有美国MIT大学开发的MIT Manus 加利福尼亚大学研制的ARMGuide和T WREX 此外 还有HWARD Gentle G RUPERT等手臂辅助康复系统 Hocoma公司研制了下肢康复机器人Lokomat由支撑部分 机器人步态校正器和跑步机等几部分组成 用于增强病人的行走功能 类似的康复机器人系统还包括LokoHelp ReoAmbulator ARTHuR ALEX LOPES等 对于瘫痪患者康复的机器人系统主要是通过辅助肢体运动达到锻炼肌肉 增强耐受力 关节灵活性和运动协调性 SwortecSA公司开发的康复机器人MotionMaker 能够依据实时传感信息控制康复训练并配合电刺激以满足治疗需要 临床实验显示系统效果良好 用于足踝 膝盖等康复的机器人 如RutgersAnkle IIT HPARR AKROD Leg Robot NUVABAT PGO PAGO Anklebot MIT AAFO等 57 早期的康复机器人一般采用比例反馈的位置控制方法 目前 基于时间 受力 跟踪误差 肢体速度或体表肌电等信号反馈 阻抗控制 自适应控制等方法已在康复机器人上应用 23 仿生机器人 通过对生物结构和运动方式进行仿生是研究适应某种特定环境的机器人系统的基本方法之一 如皮肤仿生 攀爬运动仿生等 由于鱼类运动的高效率 高机动 低噪声特点 仿生机器鱼研究得到广泛的重视 如MIT大学研制了机器鱼RoboTuna和RoboPike 大阪大学研制了胸鳍推进的机器鱼BlackBass 英国Heriot Watt大学研究了波动鳍 华盛顿大学 英国Essex大学在控制方面 佛罗里达中心大学 日本名古屋大学 美国新墨西哥大学在微小型机器鱼方面 美国西北大大学 南洋理工大学 大阪大学在波动鳍推进方面都取得了很好的研究成果 国内在仿鱼水下机器人 北京航空航天大学研制了SPC系列仿生机器鱼系统 进行了湖试和海试 完成了水下考古 环境监控等示范应用 其中SPC 3UUV体长1 6m 巡航速度1 12m s 航程70 7km 中国科学院自动化研究所研制了尾鳍推进和波动鳍推进的仿生机器鱼 实现了浮潜 倒游 定深 自主避障 快速启动 水平面和垂直面快速转向 多鱼协调等运动控制的实验验证 并实现了仿生机器海豚的跃水运动 国防科技大学在波动鳍仿生机器鱼方面开展大量研究 研制了多种波动鳍推进的机器鱼系统 哈尔滨工程大学 哈尔滨工业大学 中国科学技术大学 北京大学等单位也研制开发了仿生机器鱼系统并开展了很多研究工作 24 仿生机器人2 此外 蛇形机器人有东京工学院研制的ACMR5 密西根大学研制的OmniTread 挪威理工大学研制的Kulko 卡内基梅隆大学研制的UncleSam等 其中UncleSam实现了爬树运动