《机器人课程》PPT课件.ppt

机器人,7.1机器人的诞生与发展7.2机器人的结构与控制方式7.3操纵机器人7.4智能机器人7.5机器人的应用7.6未来机器人的发展方向7.7我国机器人研究的简况,7.1机器人的诞生与发展,7.1.1机器人的定义7.1.2机器人的分类7.1.3古代机器人7.1.4现代机器人,深圳德普施科技网站现提供大量的机器人免费资源下载：,7.2机器人的结构与控制方式,图4-1工业机器人系统结构,7.2.1机器人的结构简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。,执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。,控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。,三菱公司产MOVEMASTER-EX五自由度机器人,图4-2实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片,图4-3MOVEMASTER-EX五自由度机器人结构图,美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人,图4-4PUMA/560机器人,图4-5PUMA/560六自由度机器人结构,7.2.2机器人的工作原理机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。1.“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。,2.“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。,3.“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。4.“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。,7.2.3控制示教再现即分为示教存储再现-操作四步进行。示教：方式有两种：(1)直接示教手把手；(2)间接示教示教盒控制。存储：保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。,控制信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。,位置控制点位控制PTP（PointtoPoint）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；连续路径控制CP（ContinuousPath）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。,7.3操纵机器人,操纵机器人实际上是一种人机系统，由人操纵代替示教。因此，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵机器人研究的重点。操纵机器人可分为两种类型：能力扩大式机器人：负重能力，动作范围放大数倍甚至数十倍，如空间机器人放置和回收卫星；遥控机器人：适用于特殊作业环境，如放射性物质，真空，有毒气体等隔离工作环境。又如高空、建筑、宇宙、海洋开发、火山探测、军事战场等人不能到达的环境。,主从式机器人与人协同动作,7.4智能机器人,第三代智能机器人应具备以下四种机能：运动机能：施加于外部环境，相当于人的手、脚等动作机能；感知机能：获取外部环境信息的能力，如视觉、触觉、听觉、力觉、距离感、接近觉等；思维能力：认识、推理、判断能力；人机对话机能：理解指示命令，输出内部状态，与人进行信息交换的能力。智能机器人既不同于工业机器人的“示教再现”，也不同于操纵机器人的“操纵”，而是一种“认知适应的工作方式。,7.5机器人的应用,机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。工业机器人工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。海洋探测机器人可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等。空间机器人在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。,军用机器人有扫雷排雷机器人、侦察机器人、防核防化机器人等。特种机器人替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。微型机器人进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。,微操作机器人是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMS）中有广泛的应用前景。娱乐机器人充当导游、做表演、甚至与人进行简单交流，如导游机器人、足球机器人、机器狗、机器猫、机器鱼等。服务机器人已经开始或在不久的将来进入人类家庭生活，如保健机器人，导盲机器人、垃圾清扫和擦玻璃机器人等。,工业机器人,汽车装配机器人,汽车装配机器人,弧焊机器人,点焊机器人,铆接机器人,海洋探测机器人,1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）,CR-01型6000米水下无缆机器人,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）,空间机器人,美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形,美国航空航天局（NASA）研究的“索杰纳”火星车,日本研究的火星探测机器人,军用机器人,英国研制的履带式“手推车”（上图）、“土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物,机器警察,德国的排爆机器人,我国沈阳自动化所研制的排爆机器人,工兵机器人,美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车,保安机器人,美国研制的MDARS-E型室外保安机器人,MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作,侦察机器人,美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成,美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人,水下扫雷机器人,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹,无人机,“暗星”无人机,法国“红隼”无人机,“别动队”无人机,高空无人侦察机,鬼怪式无人机,发射Brevel无人机,只有15厘米的微型无人机,特种机器人,复合式直径6.14米盾构掘进机,隧道凿岩机器人,自动无轨堆垛机,机器人化装载机,自动摊铺机,移动机器人,法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE2型移动机械手,法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与机器人实验室研制的LIRMM移动机器人,微型机器人,工业管道机器人移动探测系统,SMA六足微型机器人外观如同一只小甲虫，外形尺寸为253030mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）作为驱动源。微小型机器人将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。,微型飞行器：被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其它功能，有足够小的尺寸（小于20厘米）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。,微型战术无人机：可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。,微操作机器人系统,华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统,娱乐机器人,机器人足球赛,机器人相扑大赛,相扑机器人,机器狗与机器昆虫,小提琴机器人和吹笛机器人,吹笛机器人,小提琴机器人,服务机器人,脑外科机器人辅助系统,护士助手机器人,遥控操作手术（格林系统）,导盲机器人和智能轮椅,智能轮椅,导盲机器人,爬缆索机器人和清洗巨人,爬缆索机器人:在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。,清洗巨人：利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗，不仅减轻了工人的劳动强度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飞机需要95个工时，而机器人清洗仅需12个工时。,高楼擦窗和壁面清洗机器人,雕刻机器人和汽车加油机器人,加油机器人：汽车驶入加油岛，前轮触发一个概略定位器，给出汽车的概略位置。机器人臂抓起相应的油枪，机器人臂伸出，机器人臂上装有一台微型摄像机，它找到油箱盖，利用一个吸气装置将其打开，然后机器人手爪拧开加油口密封盖，插入加油软管。加完油后，机器人盖上密封盖及油箱盖。与此同时，计算机已为用户结完帐。整个过程只需两、三分钟。,雕刻机器人：电脑雕刻系统集扫描、编辑、排版、雕刻诸功能于一体，是CAD/CAM一体化的典型产品，能方便快捷地在各种材质上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形及三维立体浮雕。,农业和林业机器人,摘西红柿机器人,温室中的嫁接机器人,林木球果采集机器人,伐根机器人,仿人形机器人,日本本田公司投入巨资，经过10多年的开发，于1997年研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人P3，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。,我国研究的仿人型机器人,哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯,国防科技大学研制“先行者”仿人型机器人,北京航空航天大学研究的多指灵巧手,7.6未来机器人的发展方向,目前的应用情况机器人的诞生是人类高新技术革命的结晶，经过短短四十多年的发展已取得了巨大成功，但是对于人类的理想来说这还仅仅是开始。据有关资料统计，1996年，全世界有机器人68万台，从1996年以来，世界机器人销售量的年增长率为13%，到2000年，全世界的机器人数量已达到130万台（1999年底销售机器人总台数已达到110万台）。,应用领域的进一步扩大机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等行业将是机器人崭露头角的新领域。深入日常生活在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，娱乐机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人可为老人和残疾人提供保健帮助，是人们强烈需求的对象。,未来的机器人未来的机器人将像人一样，能听、能看、能说、能识别环境，具有记忆、推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制，机器人终将成为人类的忠实助手和亲密朋友。,7.7我国机器人研究的简况,我国机器人研究始于70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在短短30多年里，中国的机器人技术在世界上已占有一席之地，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人，但受市场和资金等因素的影响，截止到1998年我国机器人装机数量仅1200台，其中绝大部分是进口的，这与发达国家相比还存在很大差距。,在特种机器人方面，自第一台水下机器人在沈阳自动化所研制成功后，瑞康（RECON）一号、探索者