《服务机器人基础》 课件 第1、2章 服务机器人基本知识、 服务机器人机械系统

§1-1机器人的概念和分类01§1-2服务机器人概述021§1-1

机器人的概念和分类2一、机器人的概念机器人可以从不同角度进行定义。在工程学领域，机器人被定义为能够自主执行任务的智能设备。在计算机科学领域，机器人被定义为能够通过计算机程序进行控制的机械设备。在一般语境中，机器人被理解为一种人造的、有形的物体，通常具备一定的机械能力和人工智能。国际标准化组织（ISO）提出，机器人是具有一定程度的自主能力的可编程执行机构，能进行运动、操纵或定位。在国际上，这个定义被广泛接受。这个定义包括了机器人的各技术要素，体现了机器人的自主性、可编程性和多功能性。3在我国，机器人被定义为“具有两个或两个以上可编程的轴，以及一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预定任务的执行机构”（引自国家标准《机器人分类》，标准号：GB/T39405—2020）。该定义与国际标准化组织对机器人的定义基本一致。4随着人工智能和机器学习技术的发展，机器人的智能化和自主性不断提升，其应用领域越来越广泛。在工业领域之外，各种各样的服务机器人相继出现。就家庭服务而言，服务机器人可以帮助人们做家务、开展家庭教育、进行娱乐、养老助残等；就公共服务而言，服务机器人可以在餐饮、金融、物流、文化等领域为人类提供一般服务；就医疗服务而言，服务机器人可以辅助手术、康复等医疗措施。5二、机器人的分类机器人的分类可以分别从应用领域、运动方式、使用空间、机械结构等维度进行。按应用领域分类，机器人可大致分为工业机器人和服务机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，主要用于工厂等固定场所，进行自动化生产和制造，应具备高精度、高速度、高可靠性、高灵活性等特点。服务机器人是专门为人类提供服务的机器人，其主要任务是为人类提供日常生活中的各种支持服务。服务机器人需要与人类进行互动与合作，需要更高的灵活性、安全性和可靠性。6按运动方式分类，机器人大致可以分为轮式机器人、足腿式机器人、履带式机器人、蠕动式机器人、浮游式机器人、潜游式机器人、飞行式机器人和其他运动方式机器人。按使用空间分类，机器人可分为地面/地下机器人、水面/水下机器人、空中机器人、太空机器人和其他使用空间机器人。按机械结构分类，机器人可分为垂直关节型机器人、平面关节型机器人、直角坐标型机器人、并联机器人等。7§1-2

服务机器人概述8一、服务机器人的发展服务机器人的发展历程可分为五个阶段。1960年代至1970年代，是服务机器人的早期研究阶段。1960年代，美国学者罗伯特·海德尔（RobertHeidel）和詹姆斯·皮克尔（JamesPickel）发明了“亲和机器人”（AffectionateRobot）。该机器人可在医疗领域为患者提供交流、倾听和回应服务，用于提升患者的情感状态。91980年代至1990年代，服务机器人的研究得到更多关注和支持，出现了应用于受限环境的服务机器人，即只能在特定环境中执行特定任务的机器人，其任务和场景是受限的。这些机器人通常是专为执行特定任务而设计的。它们执行任务依靠预先编程，很少与人互动。2000年代至2010年代初期，人性化服务机器人兴起。这一时期，随着人工智能和机器学习技术的快速发展，出现了更加人性化的服务机器人。这些机器人不仅能够执行特定的任务，还能在一定程度上开展人机交互。102010年代至2020年代初期，服务机器人的商业应用逐渐扩展，其应用领域不再局限于特定行业或环境。这一时期，机器人可通过语音识别、面部识别和语音合成进行人机交互，被广泛应用于零售业、旅游业和饭店服务业。2020年代初期，出现了基于视觉神经网络系统的人形机器人。其中一些机器人由人工智能大模型提供支持，能够对各种问题做出实时反应，并能较好地模拟人类的语言、表情、动作与人互动，从而能更好地为人类服务。11我国的机器人研究萌芽于20世纪70年代。1986年3月，我国把研究、开发智能机器人列入国家高技术研究发展计划，标志着我国服务机器人的研究和应用正式开始。2000年，我国独立研制的第一台具有人类外形、能模拟人类基本动作的类人型机器人在长沙国防科技大学问世。2007年，哈尔滨工业大学研制出服务机器人“青春”（见下图）。它可以在一定环境下自主行走、躲避障碍，并进行简单的人机对话。2008年11月25日，国内首台家用网络智能机器人——塔米（Tami）在北京亮相。2017年8月，在天津举行的第13届全运会上，国产机器人“优友”与津娃携手点燃全运圣火（见下图）。1213服务机器人“青春”“优友”点亮全运圣火2020年以后，我国服务机器人行业整体发展迅速。2023年我国服务机器人产量783.3万套，2024年产量达到1051.9万套。2023年我国服务机器人行业市场规模超600亿元，2024年则超过700亿元。14当前，服务机器人结合人工智能技术正向各行各业迅速渗透，服务机器人发展进入了高峰期。从技术角度看，服务机器人正沿着智能化、个性化、网络化、生态化和多模态交互的发展道路迈进。●

智能化：随着人工智能技术的发展，服务机器人的智能化水平也在不断提高。未来的服务机器人将拥有更加智能的语音识别、自然语言处理和图像识别等功能，能够更加准确地理解用户的需求，提供更加智能的服务。15●

个性化：随着生活水平的提高，人们的个性化服务需求也越来越高。服务机器人将尽可能满足人们的个性化需求，提供定制化服务，让用户感受更贴心的服务体验。●

网络化：未来的服务机器人将会更加网络化，可实现远程操作和远程管理，进一步提高服务效率，减少人力成本，为用户提供更为便捷的服务。16●

生态化：服务机器人的发展不仅需要技术的进步，而且需要建立完整的生态系统。未来的服务机器人将与其他设备、平台和服务商等形成生态联盟，共同为用户提供更全面且便捷的服务。●

多模态交互：未来的服务机器人将会采用语音、视觉、触觉等多种方式，与用户进行多模态交互。这样的交互形式可以提高用户参与度，进一步提升服务质量。从市场角度看，提高安全性和降低成本是服务机器人今后的发展重点。17二、常见服务机器人的应用场景1. 咨询和指引服务在银行、医院、酒店等场所，服务机器人可提供咨询和指引服务。应用于这类场景的服务机器人采用语音和文字等交互技术、自然语言处理技术，将用户的语言转化为数据再进行处理，从而与用户有效沟通，理解用户需求。这类服务机器人一般都采用机器学习技术，学习用户的需求和偏好，以提供更好的个性化服务。服务机器人承担客服工作可提升咨询和指引服务水平，提升客户体验，减轻人工负担，提高工作效率，如及时自动回复用户的留言，提供24小时服务等。182. 医疗服务在医疗领域，服务机器人通常为患者提供检测、诊断、手术和康复训练服务。它们能通过视觉、听觉、触觉等传感器感知周围环境和人体状况，为医疗服务提供基础数据；能由人控制，辅助执行手术等医疗任务（如图所示为一种外科手术机器人的床旁机械臂系统）；能借助人工智能技术对数据进行分析和处理，为制定诊疗方案提供支持；能借助自然语言处理技术和图像识别技术与人类互动，提供人性化医疗服务。1920一种外科手术机器人的床旁机械臂系统3. 教育服务教育是服务机器人技术广泛应用的领域之一。当前，服务机器人一般用于远程教育、在线学习和个性化教育，通过模拟教师的行为、动作和语言与学生互动，为学生提供个性化的学习辅导和支持。服务机器人可根据学生的学习水平、兴趣爱好和学习进度等学情，调整教学内容和策略，更好地满足学生需求，帮助学生掌握知识和技能，提高学生学习兴趣和学习效率。此类服务机器人一般采用自然语言处理、机器学习、知识图谱等人工智能技术，能自主学习和自我优化；还采用声音识别、视觉识别和触觉识别等多模态感知技术，全面感知学生的学习状态和情绪变化，提供精准的学习服务。214. 零售服务服务机器人可在商场、超市、便利店等场所提供商品介绍、价格查询、促销推广、库存管理等服务（见下图）。它们具备高精度的视觉感知能力，可识别商品、顾客和周围环境；具备自主导航能力，可在商场内自由移动；具备自然语言处理和语音识别能力，可与用户进行语音交互。此外，一些服务机器人还可处理客户需求，提高零售业的效率，提高服务质量和顾客满意度，并能够收集和分析零售数据，帮助零售商更好地制订和调整销售计划。2223超市里的服务机器人5. 餐饮服务服务机器人可在餐厅、咖啡厅、快餐店等餐饮场所中提供咨询、点餐、结账、送餐服务（见下图）。它们的应用大大提高了餐饮行业的服务效率和质量。此类机器人一般采用激光雷达和摄像技术，能做到自主导航，实现在工作场所自由移动；采用语音识别、视觉识别等技术，领会顾客需求，与顾客进行对话交流。此类服务机器人往往还能根据客户的历史偏好提供个性化的服务。2425执行送餐任务的服务机器人6. 物流服务服务机器人可在仓库或配送中心提供拣货、装卸、分拣等服务（见下图），显著提高物流行业工作效率。此类机器人具备较高的效率和运动精确性，能够在复杂环境中自主地规划和执行移动路径，避开障碍物，到达目标位置，精准地抓取、搬运或放置物品。此类机器人以人工智能技术为核心，一般将摄像头采集的视觉数据和激光雷达、超声波传感器、红外传感器等装置采集的数据融合处理，提升导航精度和复杂场景适应性。此类机器人通常还可以集成物联网技术。物联网能实时监控其状态以及仓储环境数据，并与云端系统联动，实现全流程自动化管理。2627仓库内的服务机器人7. 家政服务服务机器人在家政方面可用于完成扫地（这种机器人通常被称为“扫地机器人”，见下图）、洗衣、烹饪、照顾婴儿和老人等家务。此类服务机器人具备高精度的定位和导航能力，可在家庭环境中自由移动并完成工作任务。它们还具备自然语言处理和语音识别能力，可与用户进行语音交流；具备安全感应和响应技能，能够避免与家庭成员和环境发生冲突。28扫地机器人三、服务机器人的主要组成部分按功能划分，服务机器人主要由机械系统、控制与驱动系统、感知系统、定位和导航系统、通信系统组成。机械系统负责为机器人提供稳定的结构支撑，确保各个部件之间的连接稳固可靠，并实现移动和任务操作。机械系统包括机器人的结构框架、关节、运动部件和执行装置。控制与驱动系统负责接收来自上层系统和用户的指令，处理和分析传感器采集的数据，并根据指令和数据处理结果，驱动机械系统完成指定的动作。控制与驱动系统包括控制计算机、传感器、运动伺服驱动系统等部分。29感知系统主要依赖各种传感器，通过获取周围环境的信息，实现视觉、听觉、触觉、距离等多种感知能力。定位和导航系统主要依赖传感器、导航卫星信号接收器等设备，实现服务机器人在室内外未知环境中确定位置、构建地图、规划路径、自主导航。通信系统负责数据的传输、接收和处理。服务机器人的通信包括机器人内部信息传递、与用户或外部其他设备的信息传递两个方面。30§2-1服务机器人机械系统概述01§2-2服务机器人的末端执行器02§2-3服务机器人的手腕0331§2-4服务机器人的手臂04§2-5服务机器人的底盘05§2-1

服务机器人机械系统概述32一、机械系统的重要性机械系统决定了服务机器人的功能和性能，是机器人的核心组成部分。机械系统不仅承载着各种传感器、执行器、控制系统等硬件设备，还要满足服务机器人的运动学和力学需求，保证服务机器人能够完成移动、抓取等任务。机械系统是服务机器人完成任务的实体支撑。合理的机械系统设计可以最大限度地减少服务机器人的体积和重量，提升性能表现，降低制造和维护成本，提高工作效率和可靠性。33二、机械系统的制造服务机器人机械系统的制造过程包括设计、材料选择、加工、装配、质量控制等多个环节。1. 设计机械系统的设计是整个制造过程的第一步，它包括对机器人的各个部分的设计。在设计过程中需要考虑机器人的功能需求、使用环境、材料选择等因素，同时还需要使用CAD软件进行三维建模和分析。342. 材料选择机械系统的材料选择决定了机器人的强度、重量和成本等因素。常见的机械系统材料包括铝合金、钢、碳纤维等。在选择材料时需要考虑材料的力学性能、成本、可加工性等因素。3. 加工机械系统的加工环节包括数控加工、压力成型、注塑、铆接、焊接、粘接等工艺。354. 装配机械系统的装配需要注意工艺流程和操作规范，确保机器人能够正常运行。装配过程中需要进行精确测量和校准，以确保各个部件的位置和配合符合要求。5. 质量控制机械系统的制造过程需要进行质量控制工作，包括对原材料、加工工艺、装配过程等方面的质量进行监控和检测。常用的质量控制方式包括：用统计方法找出与质量相关的系统性问题、在设计和制造开始前找出产品的弱点、通过对生产过程监控减少失误。36三、机械系统的维护服务机器人机械系统的维护分为保养和维修两方面。保养是服务机器人机械系统日常维护的重要环节，其目的在于通过一系列预防性的措施，确保服务机器人长期、稳定、高效地运行。维修是服务机器人机械系统出现故障或损坏后的修复工作，其目的在于恢复服务机器人的正常运行状态。371. 服务机器人机械系统的保养最基础的保养工作是清洁。定期使用柔软的布料和适合的清洁剂，清除服务机器人外部、关节以及内部部件上的灰尘、油污等杂质，防止这些污物对服务机器人造成腐蚀或影响其正常运行。润滑是保养过程不可或缺的一部分。服务机器人的关节、轴承等运动部件需要定期加注适量的润滑油或润滑脂，以减少摩擦、降低磨损，确保部件运转灵活、顺畅。同时，要定期检查润滑系统的状况，及时更换变质的润滑油或润滑脂。38紧固也是保养工作的重要内容。服务机器人的结构部件通过螺栓、螺母等紧固件连接在一起，长期运行后，这些紧固件可能会因振动等原因而松动，需要定期检查并紧固，确保服务机器人的结构稳定可靠。此外，保养还包括对服务机器人的机械部件、传感器、控制系统等进行定期检查。392. 服务机器人机械系统的维修维修工作的首要环节是进行故障诊断。当服务机器人出现故障时，维修人员需要通过观察故障现象、读取错误代码、分析系统日志等方式，确定故障的原因和位置。这一步骤需要维修人员具备丰富的专业知识和实践经验。确定故障后，维修人员需要进行部件更换。部件更换完成后，维修人员还需要对服务机器人进行系统调试。通过运行测试程序、调整参数等方式，确保服务机器人各部件协调工作、性能稳定。同时，还需要对服务机器人的运动轨迹、速度、力度等进行校准，确保其能够满足工作任务的要求。40最后，维修人员需要对修复后的服务机器人进行测试验证。通过模拟实际工作任务、运行特定测试程序等方式，验证服务机器人的性能是否恢复正常、故障是否已被彻底排除。综上所述，保养和维修是服务机器人机械系统维护的两大核心环节。通过定期的保养工作，可以预防故障的发生；通过及时的维修工作，可以迅速恢复机器人的正常运行状态。两者相辅相成，共同保障服务机器人的稳定运行和延长其使用寿命。41§2-2

服务机器人的末端执行器42一、末端执行器的定义和作用末端执行器（见下图）是服务机器人机械系统的重要组成部分，它是服务机器人机械臂的末端工具或设备，通常与待处理的物体直接接触，用于执行各种操作，如抓取、搬运、精确定位、组装等。末端执行器可以是各种各样的装置，如夹具、吸盘、电磁铁等，使服务机器人能够在复杂环境下完成各种任务，并在服务领域提供更加智能化的解决方案。4344一种末端执行器二、末端执行器的结构和工作原理对应不同的应用需求，末端执行器的构造有多种类别，但一般都会包括机械手指或夹具、末端执行器驱动系统、传感器、控制系统等部分。●

机械手指或夹具：用于夹持或抓取物体。机械手指和夹具的设计通常与待抓取的物体特性相匹配，以确保可靠地实施抓取和放置操作。●

末端执行器驱动系统：用于控制机械手指或夹具的开闭动作。驱动系统可以采用电动、气动、液压等形式，具体的设计应该根据机械手指或夹具的大小、质量和所需操作的精度等因素进行考虑。45●

传感器：用于感知待操作物体的位置、形状、大小、材质等信息，以帮助控制系统确定最佳的抓取姿态和力度。●

控制系统：用于控制末端执行器的运动和操作。控制系统可以采用单片机、嵌入式控制系统等不同的控制方式，具体的设计应该根据机械臂的结构和控制要求进行选择。末端执行器的工作原理因类型不同也有所差异。46三、末端执行器的技术指标实际应用中，要根据任务需求和物体属性规划和控制末端执行器的动作，以确保操作的准确性和稳定性，还要对末端执行器进行安全性能评估和优化，以保障操作的安全性和可靠性。末端执行器的技术指标通常包括负载能力、精度、速度、可靠性、灵活性、响应能力、动力消耗。通常情况下，负载能力是指末端执行器在静态情况下所能承受的最大力矩或者重量。末端执行器的精度是指其在运动过程中位置的精确度和稳定性，可通过多种因素来衡量，如运动控制系统的性能、电机的精度、传动系统的精度等。此外，末端执行器的精度也与其应用场景有很大的关系。47末端执行器的速度通常指其动作执行的速度，包括线速度和角速度，该指标主要由其所使用的驱动器和传动机构决定。末端执行器的可靠性是指其在执行任务时的稳定性、持久性和可重复性，常通过故障率、寿命、可维护性、稳定性和可重复性来评估。末端执行器的灵活性指其对不同任务和工作环境的适应能力。灵活性强的末端执行器可以根据工作需求快速调整其姿态、运动路径和速度等参数，以适应不同工作环境和任务需求，提高工作效率和准确性。48末端执行器的响应能力是指其在运动时对外界环境和负载的响应速度和抗干扰能力。良好的响应能力可以确保末端执行器在复杂环境下快速、准确地做出反应，保证负载物的安全性。末端执行器的动力消耗是指其在执行任务时所需的能量消耗，通常以功率或电量消耗来衡量。优秀的末端执行器应具有低动力消耗的特点，既能保证足够的动力输出，又能避免不必要的能源浪费。49§2-3

服务机器人的手腕50一、服务机器人手腕的定义和作用服务机器人的手腕是末端执行器与手臂相连的部分，通常以多个轴为主构成，起到连接和调整末端执行器姿态的作用。多数情况下，服务机器人的手腕有3个自由度，能进行偏转（Yaw）、俯仰（Pith）、翻转（Roll）三种转动。腕部坐标系及上述三种转动如图所示。5152服务机器人腕部坐标系及手腕的三种转动二、服务机器人手腕的主要结构类型1. 3R结构3R结构（见下图）是由3个旋转轴组成的手腕结构。这种结构通常采用锥齿轮进行传动，3个轴的工作范围一般不受限制，结构紧凑、动作灵活、密封性好，但控制难度较大。采用3R结构手腕的服务机器人广泛应用于包装和物流等领域，所执行的具体任务包括抓取、搬运、堆叠和组装等。53543R结构示意图2. RBR结构RBR结构（见下图）

是由2个旋转轴、1个折曲轴组成的手腕结构，折曲轴在2个旋转轴之间。各轴的旋转中心线相互垂直，操控相对容易，并且结构紧凑、动作灵活，可以使服务机器人在工作时具有更大的运动范围和空间适应性，同时也可以提高动作的精度和可靠性。55RBR结构示意图三、服务机器人手腕的驱动和传动方式服务机器人手腕一般依靠安装在上臂的电机驱动，而传动装置一般为传动带、谐波减速器以及减速器之外的齿轮装置。56§2-4

服务机器人的手臂57一、服务机器人手臂概述服务机器手臂模仿人类的上肢结构和运动，可以完成各种精细的操作任务。服务机器人的手臂通常由多个连杆和关节构成，可以在三维空间内执行各种任务。服务机器人的手臂可以根据需求搭载各种传感器和执行器，实现灵活配置和扩展。58服务机器人的手臂可按不同方式分类。按结构，可分为单臂式、双臂式、悬挂式等类型。按应用场景，可分为迎宾导引类、餐饮服务类、互动娱乐类、导览讲解类、教育展示类等类型。服务机器人的手臂通常有3个自由度，即伸缩（或移动）、左右回转和俯仰（或升降）。有的服务机器人手臂还能横向移动，这种运动一般是通过与其相连的立柱横向移动实现的。59二、常见的服务机器人手臂运动机构1. 直线运动机构手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动。直线运动机构形式多样，常用的有活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等形式。其中，活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而应用相对更多。2. 回转运动机构回转运动机构的形式有叶片式回转缸、齿轮齿条传动机构、链传动机构和连杆机构。其中，齿轮齿条机构通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮做往复回转，实现手臂的回转运动。603. 俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动使用的活塞油（气）缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂槽用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。采用无杆活塞缸驱动齿轮齿条或四连杆机构亦可实现手臂的俯仰运动。4. 复合运动机构这种机构常被用于动作程序固定不变的专用机器人，可使机器人的传动结构简单，简化驱动系统和控制系统，使机器人传动准确、工作可靠。对于服务机器人，除手臂可实现复合运动外，手腕与手臂的运动亦能组成复合运动。61§2-5

服务机器人的底盘62一、轮式底盘轮式底盘在服务机器人中应用较为广泛（见下图）。63采用轮式底盘的服务机器人这种底盘具有结构简单、操作方便、速度快等优点。此外，轮式底盘的成本相对较低，制造和维护都比较容易。实际应用中，可以选择不同驱动和转向方式的轮式底盘，以适应不同的运动要求。轮式底盘也有一些缺点。一是地形适应性有限。采用轮式底盘的机器人在不平整的地形上移动相对困难，有时需要额外的措施来保证其稳定性。二是轮子容易磨损或产生其他损坏，需要定期更换，因此也增加了维护成本。641. 单舵轮底盘单舵轮底盘是一种结构简单且应用广泛的底盘类型，商场、餐厅、办公楼等场所的服务机器人常采用这种底盘。单舵轮底盘通常有一个舵轮和两个从动轮（见下图）。65单舵轮底盘示意图舵轮负责驱动和转向，而从动轮则提供稳定性和支撑力。单舵轮底盘的舵轮通过电机驱动，靠轮胎与地面之间的摩擦力使服务机器人产生前进、后退或横向移动。通过调整舵轮的转向角度和速度，可以实现对服务机器人的精确控制。从动轮在机器人行驶过程中保持固定方向，提供必要的稳定性和支撑力，确保机器人能够平稳运行。

单舵轮底盘的优点：结构相对简单，易于制造和维护，成本低廉，可靠性较高；能保证驱动舵轮始终着地，适用的环境较广泛；通过调整舵轮的转向角度和速度，较易实现对服务机器人的精确控制。单舵轮底盘的缺点：只有一个舵轮提供驱动力，因而承载能力较小；二是在复杂环境中，可能出现转向不灵活的问题。662. 两驱差速底盘这种底盘有两个驱动轮和1～2个从动轮（见下图）。每个驱动轮由一个独立的电机控制，通过调节两个电机的转速，可以实现服务机器人的直线运动、曲线运动和原地旋转。当两个驱动轮以相同速度旋转时，服务机器人沿直线前进或后退；当两个驱动轮以不同速度旋转时，服务机器人将绕速度较慢的轮子一侧的某一点旋转，从而实现