机械工程概论 课件 第7章 面向智能制造的机器人技术

第7章面向智能制造的机器人技术wangweilab@22025/9/25机器人的形象认识机器人机器人与学科机器人与未来机器人的形象—电影机器人的形象—实验室机器人的形象—现实认识机器人硬体认识机器人软体机器人结构驱动器控制器传感器算法界面通讯系统认识机器人—硬体手部机器人系统机械本体驱动装置传感器控制系统腕部臂部肩部电气驱动液压驱动气压驱动内部传感器外部传感器单片机PLC工控机通用PC平台（固定或移动）认识机器人—机械臂小臂大臂肩部腕部基座自由度(DegreeofFreedom,DOF)构件所具有的独立运动的数目(或确定构件位置的独立参变量的数目)。自由度可完全规定所研究的一个物体或一个系统的位置和姿态。3维空间需要6个自由度。wangweilab@102025/9/25认识机器人—机械臂串联机械臂关节坐标圆柱坐标球坐标SCARA坐标直角坐标认识机器人—机械臂并联机械臂wangweilab@122025/9/25认识机器人—手和工具末端夹持器(EndEffector)位于机器人腕部的末端，直接执行工作要求的装置。根据作业任务的不同，可以是夹持器或者专用工具。平台(Platform)可搭载机械臂或其他设备的装置，有固定式和移动式两种。移动平台自身是一个独立的研究方向：移动机器人。认识机器人—平台轮式(Wheeled)认识机器人—移动机器人履带式(CaterpillarTrack)足式(Legged)移动机器人(MobileRobot)认识机器人—其他移动平台认识机器人—结构刚性结构（RigidStructure）高刚度高频响轻质柔性结构（FlexibleStructure）柔顺性安全性轻质认识机器人—减速器行星减速器高传动比紧凑刚性RV减速器重载高精度高传动比谐波减速器高传动比紧凑弹性认识机器人—驱动器伺服驱动系统电气式液压式气压式其他电动机电磁铁及其他油缸马达气缸气压马达与材料有关交流伺服电机直流伺服电机步进电机其他电机压电元件形状记忆合金双金属片电气驱动(ElectricDriven)认识机器人—电气驱动步进电机(StepperMotor)伺服电机(ServoMotor)电机驱动器(MotorDriver)wangweilab@202025/9/25液压驱动(HydraulicDriven)认识机器人—液压驱动液压缸(HydraulicCylinder)液压马达(HydraulicMotor)液压阀(HydraulicValve)液压泵站(HydraulicPumpStation)2025/9/2521适用场合大驱动功率、小体积/质量、高功率密度比高动态响应、高精度对成本不敏感大型军用机器人、航空、航天气压驱动(AirDriven)认识机器人—气压驱动气缸(AirCylinder)气动马达(AirMotor)气压阀(AirValve)气泵(AirPump)气动人工肌肉气动柔性手气动仿章鱼手认识机器人—传感器编码器(Encoder)光栅尺(LinearMotor)旋转变压器(Rotarytransformer)加速度计(Accelerometer)陀螺仪(Gyroscope)罗盘(Compass)姿态和位移检测（PoseandDisplaceDetecting）认识机器人—传感器力传感器(ForceSensor)力检测（ForceDetecting）力矩传感器(TorqueSensor)六维力（腕力）传感器(WristForceSensor)触觉传感器(TouchSensor)认识机器人—传感器红外传感器(InfraredSensor)超声波传感器(SonarSensor)激光雷达(LaserRanger)环境检测（EnvironmentDetecting）视觉传感器(Camera)环形麦克(MultiMicrophone)认识机器人—控制器机器人控制器（RobotController）工控机(IndustrialPC)嵌入式单片机(EmbeddedController)可编程控制器(PLC)认识机器人—控制系统机器人控制系统（RobotControlSystem）认识机器人—软体算法软体界面通讯系统wangweilab@302025/9/25认识机器人—软体运动算法（Algorithm）机器视觉自然语言环境重构定位特定任务认识机器人—运动算法路径/轨迹规划（Path/TrajectoryPlanning）路径规划算法人工势场法图搜索算法空间离散法蚁群算法轨迹插补直线插补圆弧插补三次曲线插补B样条查补算法认识机器人—运动算法运动控制（MotionControl）运动控制类型位移控制速度控制力控制力位混合控制运动控制算法PID模糊控制滑膜变结构认识机器人—机器视觉机器视觉（ComputerVision）应用识别检测场景描述算法基础图像处理算法贝叶斯理论多层神经网络随机方法认识机器人—自然语言处理自然语言处理（NaturalLanguageProcessing-NLP）应用语音识别语义理解语音合成算法/模型隐马尔科夫模型多层神经网络搜索算法认识机器人—环境重构/定位同时定位和建图（SimultaneouslyLocalizationandMapping-SLAM）算法/模型马尔科夫模型扩展卡尔曼滤波粒子滤波图优化wangweilab@362025/9/25认识机器人—软体视觉界面（HumanMachineInterface）听觉力触觉认识机器人—传统人机界面人机界面（HumanMachineInterface-HMI）认识机器人—视/听觉虚拟视/听觉（VisualVisionandAuditory）认识机器人—力触觉力触觉技术（HapticTechnology）认识机器人—软体串行通讯（Communication）并行Internet本地通讯RS232I2CCAN内部通讯广域远距离通讯认识机器人—软体Linux系统（System）AndroidROSMSEmbed……MS机器人与学科机器人硬体软体专业学科基础学科机械工程自动化计算机仪器科学计算机软件工程力学电学数学机器人与学科学科研究内容职业预期·机械工程·自动化·计算机·仪器科学·软件工程·本体··驱动器···控制器··传感器····路径/轨迹规划··运动控制·····机器视觉··自然语言处理····环境重构和定位···界面··通讯··系统·应用数学设计工程师硬件工程师控制工程师信号处理工程师算法工程师控制工程师算法工程师算法工程师算法工程师软件工程师通讯工程师软件工程师wangweilab@442025/9/25能力提升路径设计工程师硬件工程师控制工程师信号处理工程师算法工程师软件工程师通讯工程师初级/中级高级大师机器人系统总工硬件系统总工软件架构师资深算法工程师经验+理论理论抽象数学很重要！机器人与数学机器人运动学和动力学模型（KinematicandDynamiticModels）机器人与数学(一阶泰勒展开)传感器模型（SensorModel）机器人与数学BP神经元网络（BPNeuralNet）

激活函数误差模型权值调整机器人与未来—发展趋势尺度形态交叉极大（空间站）极小（纳米机器人）拟人/仿生虚拟心理学生命科学应用领域：全领域机器人与未来—人机融合的世界人机器人躯体

智能

情感机器人+人工智能的意义：人机融合wangweilab@502025/9/25机器人与未来—人机融合的世界不再是工具而是人的一部分机器人也不再是完全的自然生物而是融合了人工智能的复合物机器人与未来—挑战1情感+道德OR如何约束机器人规则+法律机器人与未来—挑战1规则+法律机器人与未来—挑战1道德+情感规则+法律机器人与未来—挑战1心理学+社会学+人工智能使机器人遵循人类的道德体系实现人机和谐共融wangweilab@552025/9/25机器人与未来—挑战2人工客服智能客服工厂蓝领无人工厂人类情侣机器人情侣智能机器我们会失业吗？机器人与未来—挑战2机遇：新的职业wangweilab@572025/9/25机器人与未来—挑战2机遇挑战挑战技术进步的常态落后生产力注定被淘汰机遇人不再是劳动的奴隶更多地关注科学和艺术，激发创造力更多地关注情