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南京工业大学自动化学院 1 机器人概论 沈捷 南京工业大学自动化学院 2 课程内容 绪论机器人的应用机器人足球赛国内的机器人比赛机器人的运动学 南京工业大学自动化学院 3 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 中国工程院院长宋健 南京工业大学自动化学院 4 未来的全能机器人可怕吗 2010年9月6日南京晨报源自 新发现 机器人 人类最好的朋友 10年内推出面向大众的家用机器人 售价7000 8000欧元 相当于法国雷诺低端系列汽车logan的价格机器人没有小鱼聪明汉斯 摩拉维克预计2030年后出现每秒处理100万亿条指令的计算机 2050年机器人智慧和人类相当一个bug就足以让机器人把你撕碎确保机器人行为无害的运行规则 编写者承认 即便采取了预防措施 意外仍会发生 南京工业大学自动化学院 5 第一讲绪论 1 1机器人的定义1 2古代人类对机器人的探索1 3机器人的发展简史1 4机器人的分类1 5机器人的 器官 1 6机器人与人 南京工业大学自动化学院 6 对机器人认识的误区 机器人无所不能机器人形状必须像人机器人一定会给人类带来灾难 南京工业大学自动化学院 7 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 新的技术 新的功能不断涌现 同时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 1 1机器人的定义 南京工业大学自动化学院 8 机器人的定义 粗略的说 机器人是自动执行工作的机器装置 机器人可接受人类指挥 也可以执行预先编排的程序 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动 南京工业大学自动化学院 9 机器人的定义 欧美国家认为 机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械 日本认为 机器人就是任何高级的自动机械 包括需人类操纵的机械手 南京工业大学自动化学院 10 机器人的定义 在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上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 森政弘又提出了用移动性 个体性 智能性 通用性 半机械半人性 自动性 作业性 信息性 柔性 有限性等10个特性来表示机器人的形象 南京工业大学自动化学院 11 机器人的定义 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 内部 强调机器人应当仿人 靠手进行作业 靠脚实现移动 由脑完成统一指挥 南京工业大学自动化学院 12 机器人的定义 我国科学家对机器人的定义 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机器人技术的本质是感知 决策 行动和交互技术的结合 南京工业大学自动化学院 13 机器人与其它相关概念 计算机 是机器人的组成部分 相当于神经系统或大脑 机器人可以与周围环境相互作用 如四处走动 改变环境等 计算机无法移动 自动化设备 没思想仅善于执行已经设定好的重复性工作 机器人具有独立自主性 南京工业大学自动化学院 14 机器人的设想从何而来 为什么机器人称之为robot 南京工业大学自动化学院 15 几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器 以便将人类从繁重的劳动中解脱出来 古希腊诗人homeros的长篇叙事诗 伊利亚特 中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司 就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女 希腊神话 阿鲁哥探险船 中的青铜巨人泰洛斯 taloas 犹太传说中的泥土巨人 1 2古代人类对机器人的探索 南京工业大学自动化学院 16 最早记载始于西周时期 列子 汤问篇 记载周穆王时期的偃师研制出了能歌善舞的伶人春秋后期 据 墨子 鲁问篇 记载 木匠鲁班曾制造过一只木鸟 能在空中飞行 三日不下 后汉三国时期 蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了 木牛流马 古代精巧的机器 南京工业大学自动化学院 17 魏国马钧 生于扶风 今陕西扶风县 发明指南车 水转百戏 记里鼓车等 南京工业大学自动化学院 18 南京工业大学自动化学院 19 古代精巧的机器 公元前2世纪 亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人 自动机 它是以水 空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像 它可以自己开门 还可以借助蒸汽唱歌著名的法国哲学家和数学家笛卡儿于1637年有预见性地写道 人类总有一天会制造其行为像动物一样 没有灵魂的机械 那时 谁能制造一个复杂精致的机器人 谁就能享有极高的声望 南京工业大学自动化学院 20 1738年 法国天才技师杰克 戴 瓦克逊发明了一只机器鸭 它会嘎嘎叫 会游泳和喝水 还会进食和排泄 瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析 德国大诗人歌德在日记中挖苦道 此鸭骨瘦如柴 患有严重的营养不良 南京工业大学自动化学院 21 写字玩偶 1773年 瑞士的钟表匠道罗斯父子连续推出了自动书写玩偶 自动演奏玩偶等 他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的 瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶 两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐 南京工业大学自动化学院 22 用木头和黄铜制成 取名叫夏尔 它通过一系列齿轮和凸轮机构控制和传动 把运动传到写字的右手上 就能按照预先编好的程序 写出长达40个字符的词句 还能接受指令自动换行 空格 或者把手中的鹅毛笔伸到墨水瓶里蘸墨水 这个机器人的头和眼睛 在发条的带动下 还能随着书写而转动 南京工业大学自动化学院 23 19世纪中叶自动玩偶分为两个流派 即科学幻想派和机械制作派1831年歌德发表了 浮士德 塑造了人造人 荷蒙克鲁斯 1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品 葛蓓莉娅 1883年科洛迪的 木偶奇遇记 问世 1886年 未来的夏娃 问世 南京工业大学自动化学院 24 文学作品中的描述 捷克语 robota 演变为 robot 人造生物色彩的机器人提出了机器人的安全 感知和自我繁殖问题该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响 引发了人类的反思 罗萨姆的万能机器人 rossum suniversalrobots 卡雷尔 卡佩克 karelcapek 捷克作家 1920 剧本 南京工业大学自动化学院 25 1879年 未来的夏娃 法国作家拉朗小说的女主人公叫雅拉莉 是用齿轮 继电器 配线等制成的一个复杂的机械装置 外表裹着一层细腻的人造皮 有一个人工头脑 不仅能说会想 而且有感情 南京工业大学自动化学院 26 铁臂阿童木 动漫中的机器人 南京工业大学自动化学院 27 动漫中的机器人 手冢治虫1952 1968茶水博士阿童木的生日是2003 4 7 南京工业大学自动化学院 28 电影中的机器人 大都会 1926 寂静的地球 1951 被禁的星球 1956机器人由机械部件构成 南京工业大学自动化学院 29 现代机器人 南京工业大学自动化学院 30 人们对机器人的认识过程 能完成工作的任意形状的机器 生物学部件构成的类人的机器仆人 机械部件构成的类人的机器仆人 南京工业大学自动化学院 31 1 3机器人的发展简史 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 奴隶 劳役 苦工 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 南京工业大学自动化学院 32 1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出 机器人三原则 后来成为学术界默认的研发原则 1948年 诺伯特 维纳 控制论 1954年 钱学森 工程控制论 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 具有通用性和灵活性 南京工业大学自动化学院 33 1956年 在达特茅斯会议上 马文 明斯基提出 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 英格伯格大力研发和宣传工业机器人 被称为 工业机器人之父 南京工业大学自动化学院 34 1961 1965年 传感器的应用提高了机器人的可操作性 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 南京工业大学自动化学院 35 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 南京工业大学自动化学院 36 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 南京工业大学自动化学院 37 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1982年 被评为时代杂志的年度新闻人物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 南京工业大学自动化学院 38 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 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 南京工业大学自动化学院 39 第一个可编程机器人 1954 第一个工业机器人 1959 第一代 以传感器为标志 1965 第二代 第三代 智能机器人 1968 21世纪普及 马文 明斯基 1956 操作型机器人 自动型机器人 智能机器人 1965年左右研制 1990年左右普及 南京工业大学自动化学院 40 机器人三原则 阿西莫夫 科幻作家 19401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 南京工业大学自动化学院 41 背景资料 该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节 利用人手对机器人进行动作示教 机器人能实现动作的记录和再现 即所谓的示教再现机器人 返回这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似 但外形特征迥异 主要由类似人的手和臂组成 返回液压驱动的 能提升的有效负载达45公斤 返回 南京工业大学自动化学院 42 当时 美国的盖伊研制了一种模拟马的4足的步行机构 意大利 俄罗斯和法国也研制成了一种6足步行机构 4足或6足步行机构都容易获得成功 因为在它们移动时 总有3条腿同时支撑着身体 容易保持平衡 两足步行机构在技术上要困难得多 因为在它移动时 身体的重心全部落在一只窄小的脚板上 一只脚抬起 向前移动时 身体重心必须自行转移到另一只脚板上 才能保持身体的平衡 而且 在各种姿态下 如弯腰 屈膝 前倾 后仰 也必须保持身体重心的平衡 不然就很容易摔倒 每步需要30秒 南京工业大学自动化学院 43 常见的机器人名称 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 南京工业大学自动化学院 44 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机器人 南京工业大学自动化学院 45 1 4机器人的分类 我国机器人专家从应用环境出发 将机器人分两大类工业机器人特种机器人 国际上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非制造环境下的服务与仿人型机器人 南京工业大学自动化学院 46 工业机器人按动作形态分 圆柱坐标型机器人它主要由垂直柱子 水平手臂 或机械手 和底座构成 水平机械手装在垂直柱子上 能自由伸缩 并可沿垂直柱子上下运动 垂直柱子安装在底座上 并与水平机械手一起在底座上移动 机器人的工作包迹 区间 就形成一圆柱体 因此 称之为圆柱坐标型机器人 南京工业大学自动化学院 47 南京工业大学自动化学院 48 球坐标型机器人 南京工业大学自动化学院 49 直角坐标型机器人 南京工业大学自动化学院 50 平面关节型机器人 scara 南京工业大学自动化学院 51 多关节式机器人 南京工业大学自动化学院 52 puma562机器人主要技术参数 南京工业大学自动化学院 53 按机器人的控制方式分 非伺服机器人 non servorobots 有限顺序 机器人 使用终端限位开关 制动器 插销板和定序器来控制机器人机械手的运动 插销板用来预先规定机器人的工作顺序 而且往往是可调的 定序器是一种定序开关或步进装置 它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源 驱动装置接通能源后 就带动机器人的手臂 腕部和抓手等装置运动 当它们移动到由终端限位开关所规定的位置时 限位开关切换工作状态 给定序器送去一个 工作任务 或规定运动 也已完成 的信号 并使终端制动器动作 切断驱动能源 使机械手停止运动 南京工业大学自动化学院 54 重载型限位开关 防爆型限位开关 南京工业大学自动化学院 55 非伺服机器人 南京工业大学自动化学院 56 伺服控制机器人 伺服控制机器人 servo controlledrobots 伺服系统的被控制量 即输出 可为机器人执行装置 或工具 的位置 速度 加速度和力等 通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置 如给定电位器 的综合信号 用比较器加以比较后 得到误差信号 经过放大后用以激发机器人的驱动装置 进而带动末端执行装置以一定规律运动 到达规定的位置或速度等 南京工业大学自动化学院 57 伺服控制机器人 南京工业大学自动化学院 58 按驱动系统分 南京工业大学自动化学院 59 按机器人性能指标分 机器人分为五类 超大型机器人 负载能力107n以上大型机器人 负载能力106 107n 作业空间10m2以上中型机器人 负载能力105 106n 作业空间1 10m2小型机器人 负载能力1 104n 作业空间0 1 1m2超小型机器人 负载能力1n以下 作业空间0 1m2以下 南京工业大学自动化学院 60 按机器人控制器的信息输入方式分 jira分类法 日本工业机器人协会机器人分为六类 第1类 手动操作手 是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的加工装置 第2类 定序机器人 是按照预定的顺序 条件和位置 逐步的重复执行给定的作业任务的机械手 其预定信息 如加工步骤等 难以修改 第3类 变序机器人 它与第2类一样 但其工作次序等信息易于修改 南京工业大学自动化学院 61 第4类 复演式机器人 这种机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现原先由人示教的动作 这些示教动作能够被自动地重复执行 第5类 程控机器人 操作人员并不是对这种机器人进行手动示教 而是向机器人提供运动程序 使它执行指定的任务 其控制方式与数控机床一样 第6类 智能机器人 它能够采用传感信息来独立检测其工作环境或工作条件的变化 并借助其自我决策能力 成功地进行相应的工作 而不管其执行任务的环境条件发生了什么变化 南京工业大学自动化学院 62 ria分类法 美国机器人协会把jira分类法中的后四种机器当作机器人 第3类 变序机器人第4类 复演式机器人第5类 程控机器人第6类 智能机器人 南京工业大学自动化学院 63 afri分类法 法国工业机器人协会把机器人分为四种型号 a型 第1类 手控或遥控加工设备 b型 包括第2类和第3类 具有预编工作周期的自动加工设备 c型 含第4类和第5类 程序可编和伺服机器人 具有点位或连续路径轨迹 称为第一代机器人 d型 第6类 能获取一定的数据环境 称为第二代机器人 南京工业大学自动化学院 64 按机器人的智能程度分 一般机器人 不具有智能 只具有一般编程能力和操作功能 智能机器人 具有不同程度的智能 又可分为 传感型机器人 具有利用传感信息 包括视觉 听觉 触觉 接近觉 力觉和红外 超声及激光等 进行传感信息处理 实现控制与操作的能力 交互型机器人 机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人 机对话 实现对机器人的控制与操作 自主型机器人 在设计制作之后 机器人无需人的干预 能够在各种环境下进行自动完成各项拟人任务 南京工业大学自动化学院 65 按机器人的用途分 工业机器人或产业机器人 应用在工农业生产中 主要应用在制造业部门 进行焊接 喷漆 装配 搬运 检验 农产品加工等作业 探索机器人 用于进行太空和海洋探索 也可用于地面和地下探险和探索 服务机器人 一种半自主或全自主工作的机器人 其所从事的服务工作可使人类生存得更好 使制造业以外的设备工作得更好 军事机器人 用于军事目的 或进攻性的 或防御性的 它又可分为空中军用机器人 海洋军用机器人和地面军用机器人 南京工业大学自动化学院 66 按机器人移动性分 固定式机器人 固定在某个底座上 整台机器人 或机械手 不能移动 只能移动各个关节 移动机器人 整个机器人可沿某个方向或任意方向移动 这种机器人又可分为轮式机器人 履带式机器人和步行机器人 其中后者又有单足 双足 四足 六足和八足行走机器人之分 南京工业大学自动化学院 67 1 5机器人的构成 心脏 动力源和驱动机构骨骼 运动执行机构 包括躯干 四肢大脑 计算机神经 计算机命令的传输通道五官 传感器消化 血管等 南京工业大学自动化学院 68 传感器技术 内部传感器和外部传感器1内部传感器限位检测传感器限位开关 光电开关 由led光源 光敏二极管或晶体管组成 相隔一定距离而形成的透光式开关 线 角位移 速度测量传感器电位器 根据电阻大小测量线 角位移 结构简单 性能稳定 使用方便 但分辨率不高旋转变压器 根据输出电压测量转子转角编码器 光学式 磁式 感应式 电容式测速发电机 南京工业大学自动化学院 69 直滑式电位器 碳膜旋转式电位器 测速发电机 编码器 南京工业大学自动化学院 70 加速度测量传感器应变片加速度传感器 由板簧支承重锤构成的振动系统 板簧两面分别贴两个应变片 应变片受振动产生应变 输出电压可检测出电阻变化伺服加速度传感器 将振动系统重锤的位移变换为正比的电流 从而求出加速度压电感应加速度传感器 量程大 工作可靠 应用最广泛的一种传感器 南京工业大学自动化学院 71 倾角测量传感器方位角测量传感器2外部传感器触觉传感器力觉传感器接近觉传感器测距传感器视觉传感器听觉传感器嗅觉传感器 南京工业大学自动化学院 72 机器人的手手是执行命令的机构 实现触觉功能一般由方形的手掌和节状的手指组成在手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件 如灵敏的弹簧测力计 如果要感知冷暖 还可以装上热敏元件在各指节的连接轴上装有精巧的电位器 测量手指的弯曲角度 判断机械手所抓的物体的形状和大小 南京工业大学自动化学院 73 南京工业大学自动化学院 74 机械手的应用 在实际情况中有许多时候并不一定需要复杂的多节人工指 而只需要搬动物体的钳形指 1966年 美国海军就是用装有钳形人工指的机器人 科沃 把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百五十米深的海底捞上来 1967年 美国飞船 探测者三号 就把一台遥控操作的机器人送上月球 它在地球上的人的控制下 可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面四十厘米深处的土壤样品 并且放在规定的位置 还能对样品进行初步分析 如确定土壤的硬度 重量等 它为 阿波罗 载人飞船登月当了开路先锋 南京工业大学自动化学院 75 南京工业大学自动化学院 76 机器人的眼睛 人的眼睛是感觉之窗 有80 以上的信息是靠视觉获取 能否造出 人工眼 让机器也能象人那样识文断字 看东西 这是智能机器人的重要课题 关于机器识别的理论 方法和技术 称为模式识别 所谓模式是指被判别的事件或过程 它可以是物理实体 如文字 图片等 也可以是抽象的概念 如气候等 南京工业大学自动化学院 77 机器认字 大家知道 信件投入邮筒需经过邮局工人分拣后才能发往各地 一人一天只能分拣2 3千封信 现在采用机器分拣 可以提高效率十多倍 机器认字的原理与人认字的过程大体相似 先对输入的邮政编码进行分析 并抽取特征 若输入的是个6字 其特征是底下有个圈 左上部有一直道或带拐弯 其次是对比 即把这些特征与机器里原先规定的0到9这十个符号的特征进行比较 与哪个数字的特征最相似 就是哪个数字 这一类型的识别 实质上叫分类 在模式识别理论中 这种方法叫做统计识别法 机器人认字的研究成果除了用于邮政系统外 还可用于手写程序直接输入 政府办公自动化 银行合计 统计 自动排版等方面 南京工业大学自动化学院 78 机器识图 机器识图就是让机器人来识别图纸 从结构入手 把图像分解成一些直线 斜线 折线 点 弧等基本元素 研究它们是按照怎样的规则构成图像的 机器识图具有广泛的应用领域 在现代的工业 农业 国防 科学实验和医疗中 涉及到大量的图象处理与识别问题 南京工业大学自动化学院 79 机器识别物体 机器识别物体即三维识别系统 一般是以摄像机作为信息输入系统