智能机器人PPT演示课件

智能机器人介绍,邵长星starshao,1,引言,机器人学是一门高度交叉学科，涉及机械、电子、计算机、自动控制、人工智能、生物以及人类学等众多领域；机器人技术是多种学科综合发展的成果，代表高技术前沿，应用不断扩大；研究发展机器人技术受到世界各国重视：美国“国家关键技术”，“国防部和能源部关键技术”；欧共体“EUREKA”计划，“信息技术研究发展战略计划”；日本通产省“极限环境下作业的机器人”，新加波，韩国，巴西各有计划；,2,引言,对实用机器人技术具有一定了解；对竞赛型机器人结构、制作过程、智能控制等一一介绍；实践应用各学科理论知识一个非常好的综合平台；通过学习相关电路、机械、电机控制、单片机等知识，加深课本知识的理解和掌握，进一步学习研究打基础；,Andalsoinhere,3,机器人一词由来,机器人Robot一词最先出现于1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克（KarelCapek）所写剧本罗萨姆的万能机器人（RossumsUniversalRobots），剧中人造劳动者取名Robota，意为“苦力”“奴隶”。反映了人类希望造出和自己一样具有思考和劳动能力的机器代替自己工作的愿望（“懒惰是人类前进的动力”）。实际代表人类了解自身、重塑自身的一种强烈愿望。,4,古代机器人,机器人概念早已出现，自古以来就有不少科学家和能工巧匠制造出了一些具有人类特点和模拟动物特征的机器人雏形。,据记载西周时期能工巧匠偃师造出能歌善舞的伶人；墨经记载春秋时鲁班研制一种木鸟，空中飞行“三日而不下”；东汉科学家张衡发明了地动仪、计里鼓车和指南车。,5,古代机器人,宋代沈括梦溪笔谈记载一个“自动木人抓老鼠”的故事，木人“身高三尺，能左手扼鼠，右手持铁简毙之，动作灵巧”。三国时期诸葛亮研制的木牛流马，运载粮草，巧胜司马懿。1662年日本的竹田近江用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪演出。1738年法国技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭，可以游泳、喝水、进食和排泄。,6,自动偶人,1768-1774年，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制作出三个真人大小的机器人写字偶人、绘画偶人和弹风琴偶人。,齿轮和发条原理,7,自动偶人,18世纪末日本井源大卫门和源信制造出端茶玩偶，双手捧茶盘，放茶杯于上，便自动前行端给客人，客人喝完茶放回茶杯便又自动回到原位置。,8,现代机器人,20世纪工业机器人的出现使机器人成为现实。现代机器人研究始于20世纪中期。二战期间美国橡树岭国家实验室研制了“遥控操纵器”，用于放射性材料的生产和处理，1947年又改进为电动伺服方式，从动部分可以跟随主动部分运动，称“主从机械手”（Master-SlaveManipulator）第一台主从遥控机器人。1953麻省理工学院辐射实验室研制出按模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。,9,现代机器人,1954年美国人乔治德沃尔（GeorgeC.Devol）研制出第台电子可编程序工业机器人可编程关节传送装置，1960年美国“联合控制公司”根据Devol的专利生产出第一台真正意义上的工业机器人，1969年通用汽车公司用21台工业机器人组成轿车自动焊接生产线。,10,现代机器人,二十世纪七十年代机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科机器人学，机器人应用领域进一步扩大。大规模集成电路和计算机的发展使其性能大大提高，成本不断下降。二十世纪八十年代不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在发达国家进入了实用化普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，已经进入智能机器人研究阶段。现在由工业机器人向特种机器人、拟人机器人发展。,11,现代机器人,工业机器人特种机器人拟人机器人,12,机器人研究,二十世纪七十年代很多大学开设了机器人课程，开展机器人研究。美国MIT、PPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue等研究机器人的著名大学，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国和瑞典等开设了机器人学学位。现在IEEE每年举行机器人学及自动化国际会议，此外有国际工业机器人会议（ISIR），国际工业机器人技术会议（CIRT）；国际期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等。我国机器人技术起步于七十年代末、八十年代初，九十年代中期6000米深水机器人实验成功，现在在步行机器人、精密装备机器人、多自由度关节机器人等方面与国际先进差距正在缩小，其中部分技术领先。,13,机器人定义,机器人至今还没有一个统一、严格、准确的定义，不同国家、不同领域对机器人的定义随基本原则大体一致，但仍有较大区别。机器人仍在发展中，其内涵也在不断扩展。下面是一些有代表性的定义：国际标准化组织（ISO）：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，可具有几个轴，能够借助可编程序操作处理各种材料、零件、工具盒专用装置，以执行种种任务。美国国际标准局（NBS）：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。美国机器人协会（RIA）：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，可通过可编程序动作来执行种种任务的、并具有编程能力的多功能机械手。,14,机器人定义,日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的、能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机械。英国机器人协会：机器人是一种可重复编程的装置，用以加工和搬运零件、工具、特殊的加工器具，通过可变的程序流程以完成特定的加工任务。维基百科：机器人是自动控制机器的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想以及模拟其他生物的机械。,15,机器人定义,机器人可以概括以下特征：机器人的动作具有类似人或其他生物某些器官（肢体、感官等）的功能；机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工的主要组成部分；机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预；概括为：机械装置，可编程，自动控制,16,机器人三定律,1942年科学家兼作家IsaacAsimov在“Runaround”一书中提出机器人三定律：机器人不危害人类，不允许看人受害而袖手旁观；绝对服从人类，除非与第一条矛盾；保护自身不受害，除非与一、二条矛盾；,17,机器人分类,机器人具有很多分类，按不同的分类标准具有不同分类；按由低级到高级的发展程度可分为：第一代机器人（firstgenerationrobots）：可编程、示教再现工业机器人；第二代机器人（secondgenerationrobots）：低级智能机器人；第三代机器人（thirdgenerationrobots）：高级智能机器人；,18,第一代机器人,可编程、示教再现功能，已经商品化实用化；所谓示教，即由人教机器人运动的轨迹、停留点位、停留时间，机器人依照人教的行为、顺序、速度重复运动，即再现。手把手示教：喷涂机器人，控制面板重复；,19,第二代机器人,装备一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能做出简单推理，对动作进行反馈；如焊接机器人的焊缝自动跟踪技术：焊枪按示教位置运行，要求焊接位置非常准确；受热等其他原因，被焊接位置变形，需要能自动跟踪焊缝；传感器感知焊缝位置，反馈控制修正焊枪位置偏差，自动跟踪焊缝；视频焊接机器人.flv,20,第三代机器人,高度自适应的自治机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中可独立行动；感知自身状态：位置，自身是否故障；感知外界状态：道路，协作机器人距离、相互作用力等；根据内外信息综合处理，进行逻辑推理、判断、决策，在变化的内、外环境中自主决定自身行为；机器人发展方向；,21,机器人分类,按形态、负载能力和动作空间分类：超大型机器人：负载能力1000kg以上；大型机器人：负载能力1001000kg；作业空间10m2；中型机器人：负载能力10100kg；作业空间110m2；小型机器人：负载能力0.110kg；作业空间0.11m2；超小型机器人：负载能力0.1kg以下；作业空间0.1m2以下；,22,机器人分类,按开发内容和目的可分为：工业机器人（industrialrobot）：通过更改程序可以方便改变工作内容和方式，满足现代工业生产需求的多样化；操作机器人（teleoperatorrobot）：服务机器人和特种作业机器人；智能机器人（intelligentrobot）：拟人机器人；,23,工业机器人,焊接机器人：点焊，电弧焊；装配机器人：电子装配，汽车装配视频丰田汽车装配.flv；喷漆机器人；搬运、码垛机器人视频码垛机器人.flv；浇注机器人；,24,操纵机器人,服务机器人：可移动平台，机械手，代替或协助完成各种服务和安全保障工作，如爬壁清洗机器人，爬缆索机器人等。,25,操纵机器人,特种作业机器人：深海、外太空探测；,26,机器人分类,按结构形式和运动形态分：直角坐标型机器人；圆柱坐标型机器人；球坐标型机器人；SCARA型机器人（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）：平面关节型机器人（特殊圆柱坐标型）；关节坐标型机器人；并联机构型机器人；,27,直角坐标、圆柱坐标型机器人,手臂移动通过x轴、y轴、z轴方向移动实现，精度高，控制无耦合，避障性好，但结构大，动作范围小，灵活性差；两个移动一个转动；,28,球坐标型、SCARA型机器人,X轴伸缩、y轴俯仰、z轴回转，占地面积小、结构紧凑、重量轻、位置精度尚可，但避障性差，存在平衡问题；两个转动，一个垂直升降，简单实现了二维平面运动，多用于装配作业；,29,关节坐标型、并联机构机器人,立柱回转，前、后臂俯仰构成，结构紧凑、灵活性大、占地面积最小工作空间最大、避障性好，但精度低，控制复杂，应用最多；各连杆复合运动给出末端轨迹，刚性好，应用于数控机床，完成复杂曲面加工；但控制复杂，工作范围小；,30,机器人分类,控制方式分为：点位控制：几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运动过程控制；连续轨迹控制：运动轨迹为空间任意连续曲线；按驱动方式分为：气力驱动式：压缩空气驱动执行机构；液力驱动式：电力驱动式：电动机；新型驱动方式：静电驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、人工肌肉驱动、光驱动等；,31,不同应用领域内的机器人,控制：给出一定指令，令装置达到某个指标，或完成期望动作，或完成某项任务。开环控制：没有反馈，单向；闭环控制：反馈误差校正；,32,不同应用领域内的机器人,工业机器人：弧焊机器人，点焊机器人，装配机器人，喷涂机器人，搬运机器人，抛光机器人，切割机器人，数控机器人；农业机器人：嫁接机器人，采摘机器人，移栽机器人，施肥机器人，喷药机器人，除草机器人，收割机器人，果实分拣机器人，自动挤奶机器人；服务机器人：礼仪接待机器人，医用辅助机器人，助残机器人（道盲），清洗机器人，建筑机器人；特种机器人：排爆机器人，水下机器人，空间机器人，微型机器人；拟人机器人：模仿人的动作、表情，一定智能；,33,焊接机器人,系统组成：多自由度机器人，焊机，焊接电源，焊枪，送丝装置，辅助工装，上下料装置，变位机，围栏，安全光栅和控制箱（焊缝自动寻找跟踪）等。,34,焊缝自动跟踪,电弧传感原理：焊枪与工件距离变化，弧长改变，电流改变；摆动扫描电弧传感和旋转电弧传感；结构简单，不受弧光、弧热、磁场、飞溅、变形等因素影响；,35,焊缝自动跟踪,光学传感：条形光横跨焊接接头，接口处条形光变形，反射图形处理识别，得到焊缝位置信息，调节焊枪与焊缝相对位置，减小偏离；条形光：柱面棱镜（激光发射功率大）；机械扫描，步进电机横向移动，反射镜片反复转动，,36,嫁接机器人和移栽机器人,防病、降低农业化肥使用的比较好的方法，手工效率低、强度大；日本较早，嫁接率高，韩国也在研制，我国设施农业面积大今后需求高；光电传感器探测栽植杯是否缺苗，拣坏苗；,37,采摘机器人,采摘西红柿：手抓利用西红柿重量自锁，简单实用，中心偏离5mm也可抓到；林木球果采摘机器人：东北林业大学，梳，捋，,38,服务机器人,国际机器人联合会对服务机器人定义：一种半自主或全自主工作的机器人，能完成有益于人类的服务工作，不包括从事生产的设备。工业机器人增长有限，服务机器人是未来发展方向，新的产业增长点，各国都制定了发展战略。据统计，2003年全球服务机器人132万台，教育娱乐机器人和家务机器人分别69万、60万。服务机器人朝向家庭化、智能化和模块化方向发展：我国进入老龄化社会，老人和残疾人护理；人机交互能力，周围环境信息交流；接口、构件、软件标准化，模块化，可拆卸重组，开放式平台，目的是像计算机一样走进普通家庭。,39,护理机器人,根据人声音指示把被护理人抱起，40Kg，158cm；分散许多C-Chip感应处理芯片，感应重物加载，协调各电机动作；两部电脑，识别系统电脑，运动系统电脑；,40,智能电动轮椅,36台摄像机，每3台构成一个立体摄像单元，12个摄像单元按正12面体配置，前后、上下、左右全方位实时立体监视，对3米内障碍物测量评估，在发生碰撞、台阶跌落、翻到等危险情况时报警、自动减速、紧急停止；姿态极端改变时无线通知护理人员；识别手势指示前行，刹车；,41,外科手术机器人,2000年美国制造DaVinic机器人手术系统，包括控制台、内镜、切除结扎系统及三个灵活的机械手，临床应用于心脏外科、胆囊切除等各科手术。日本立命馆大学，1cm宽，2cm长，重5g微型医疗机器人，前端镊子提取组织样本，微型相机抓拍图片，特殊注射器散发药物，医生可以控制其运动。,42,导盲机器人,内置数字地图，边走边通过传感信息与地图对照，确定自身位置和方向；根据盲人的行动来决定自己的行动，通过声音振动等方式提醒盲人注意安全；通过摄像机，图像处理可以确定周围物体的形状、种类、大小和远近灯，可以建立周围场景3D地图；,43,爬壁清洗机器人,具有一定吸附力，行走，转弯，越障；磁吸附、真空吸附和推力吸附；真空吸附依靠抽风机、真空泵等真空发生设备在吸盘和墙壁之间形成负压，依靠压差产生对壁面的吸附力；多吸盘吸附；深圳伟翔机器人公司，永磁吸附，60Kg，高压水枪，油罐、船舶清洗；深圳大学，提升机悬挂清洗机，简单经济；,44,排爆机器人,始于20世纪60年代；美、英、德，中国沈阳自动化所、北航、上交、华南理工；军警部门；移动机构一般有轮式、履带式、轮履结合式，轮式轻、摩擦力小、效率高，履带式越野能力强，爬台阶、越沟壕，重量能耗大，轮履式结合两者优点，但结构复杂；计算机视觉精确定位，排爆功能主要依赖于精确定位和准确抓取；有线或无线通讯；朝向具有局部自主能力、通过人机交互方式遥操作的半自主方向发展；航天科工集团研制，美军F6A,45,水下机器人,水下潜水器，遥控、半自治和自治型，军民两用，海上资源勘探开发，电缆铺设，海战中扫雷、侦查等；潜水器本体需要耐压水密、防腐：压力补偿技术，设备仓内充满油、脂等介质，补偿器一端与仓连接，一端与外部水连通；牺牲阳极法防腐蚀；低阻力；开放框架外形或流线形（鱼类形）；螺旋桨推进（传统）或喷水推进（新式，噪音小）；水下目标识别主要依靠水声探测和光成像结合，声在水中传播远，声成像传感器主要有高低频合成孔径声纳、侧扫声纳、前视声纳和三维成像声纳等；一般光在水中衰减很快，在开发激光扫描技术；与水面人员通讯一般有水声通讯、光纤通讯、和激光通讯等，水声通讯距离远，但多途干扰和高数据率传输的困难仍没很好解决；光纤通讯数据量大，有缆；激光通讯在开发阶段；执行器有机械手、切割器、清洗器等作业设备；能源多采用锂离子电池，现大力发展新型电池：蓄热式热电直接转换电池，质子交换膜燃料电池，铝氧半燃料电池；,46,水下机器人,遥控潜水器，观测设备有声纳、照明灯、照相机、微光摄像机，以及机械手等作业设备；97年沈阳自动化所研制的6000米自治水下机器人CR-01，无人无缆，进行摄像、拍照、测量，探测与水文观测；,47,空中机器人,无人机，美国开发早，技术先进，军事；定翼机，机身、发动机、起落架和尾翼组成，气流作用在具有一定速度机翼上产生升力；美国捕食者，翼展14.8m，巡航速度140km/h，载重204kg，高度7620m，作战半径926km，光电系统有电视摄像机和红外摄像机，合成孔径雷达，GPS导航和惯性导航，地面控制站；航天科工集团推出的刀锋无人机；,48,旋翼飞行机器人,旋翼机由机身、旋翼、尾桨、发动机和起落架等组成，通过桨叶的变距实现向前、向后、向左、向右飞行，垂直起飞、