机器人智能控制

机器人智能控制第一章

绪论1.机器人的背景及意义2.机器人的国内外研究现状3.

智能机器人的关键技术及应用4.

智能机器人的发展趋势汇报目录2一

、机器人的背景及意义

1.1发展历程我们对机器人的第一印象多来自于电影和科幻小说

。实际中的机器人是什么样呢？《机器人总动员》

的机器人瓦力，

2008《星球大战》

的BB-8机器人,

2016《机器管家》

的管家机器人，

1999《机械战警》

的机器人警察,

198631920年，捷克剧作家卡

雷

尔

·

凯

培

克

提

出

“

Robot

a

”成为机器人

一词的起源。1737

195419201954年，美国乔治.德沃尔

造出世界第一款可编程机

器人尤曼特，能够运送压

铸件并将其焊接到位。1968年，美国斯坦福研究所研发的Shakey，是世界第一台智能移动机器人。197819681978年美国Unimation公司推出机器人Puma，标致着工业机器人技术的成熟。2020年，中国发射“天问一号

”探测器，开展着陆、巡视等火星科学探测任务。2012

201620202016年，美国波士顿公司的仿人机器人Atlas，可以完成跑步、搬运

、甚至后空翻等动作。2000年，本田公司的人

形机器人阿西莫，能以

人类的姿态走路和奔跑。20002012年，美国“发现号

”航天飞机将首台

机器人

宇航员“

R2

”送入国际

空间站。东汉时期，

张衡发明的指南车，是世界上最早的机器人雏形。约公元100年1737年，法国发明家雅克•沃康松制造的机械鸭，它可以扇动翅膀、发出嘎嘎叫声。一

、机器人的背景及意义

1.1发展历程机器人发展的时间轴4近代工业机器人的发展阶段40-60年代

60-80年代

80-90年代

21世纪初至今

I

萌芽阶段II

初级阶段III

迅速发展阶段IV

智能应用阶段工业机器人技术并迅速产业化日本引入1967年

，美国橡树岭等国家实验室初步科研成果一

、机器人的背景及意义

1.1发展历程人工智能等技术发展，机器人具备感知

、决策和学习能力1954年世界第一台可编程机器人诞生于美国机器人具备初步的感知

、反馈能力，

在工业生产中广泛应用德国

、

日本二战后劳动力短缺汽车等制造业爆发助力工业机器人发展制造业升级，

工业生产机器人替代人工5信息物理系统自动化

、信息化电力的广泛应用蒸汽机的发明一

、机器人的背景及意义

1.1

发展历程18世纪末20世纪初

1970年代今天工业4.0应用信息物理融合系统(CPS)

，

机器人和智能制造发挥主导作用工业2.0将人类带入分工明确

、大批量生产的流水线模式和“

电气时代

”工业3.0应用电子信息技术，进一步提高生产自动化水平四次工业革命：

从工业1.0到

工业4.0工业1.0创造

了机

器

工

厂

的“蒸汽时代

”机器人+智能制造电力时代信息时代机械时代复杂度6机器人是制造强国的重要工具一

、机器人的背景及意义

1.2

时代背景在国家重要装备制造中，

机器人能够高效的完成焊接

、加工

、测量

、检测等工作轨道交通装备航空航天装备新能源汽车大型舰船7

我国在大型高铁

、跨海大桥

、隧道

、油气管道

、核电等大型基础设施规模方面位居世界首位，

其建造

、运行

、维护需要大量机器人与自动化装备

机器人将在国家发展战略中的极地科考

、海洋开发

、太空探索

、激光聚变等国家大型科学工程的运维过程中发挥不可替代的作用机器人在国家重大工程/基础设备的运维发挥重要作用8在国家民生工程中，

机器人能够有效辅助或代替人在危险的环境中执行任务1.2

时代背景一

、机器人的背景及意义个性化手机产品

定制化的叶片抛光

劳动力资源短缺，

制造企业迫切需要机器人替代工人一

、机器人的背景及意义

1.2

时代背景

制造模式朝着短周期

、多品种

、定制化的方式转变，传统的制造模式很难满足用户的需求

人口老龄化趋势加重

，制造业工资上涨

，

工人流失

，

制造企业面临招工难的问题在制造产业中，

“机器换人

”

解决制造企业的痛点和难点问题20042005200620072008200920102011201220132014就业人员平均工资我国60岁以上人口占比6000050000400003000020000100000225739563605149530937274601592

741418844706235997197899美国国家机器人计划2.0德国工业4.0战略SPARC计划欧盟一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策世界各国纷纷出台机器人战略，

机器人成为全球智能制造的竞争高地中国制造2025机器人新战略中国日本10NRI-2.0的重点研究的问题包括：

多人与多机器人之间的交互与协作；

机器人在各种环境下完成各种任务；

利用云

、机器人和人的海量信息让机器人

更有效高效的执行工作；

设计机器人的硬件和软件以促进大规模

、可靠的运行。美国机器人战略：

2017年初，

美国发布《国家机器人计划2.0》

。NRI-2.0得到联邦政府多个机构的支持，

包括美国国家科学基金会（NSF）

、美国农业部（USDA）

等

。其目的是将协作机器人无缝集成到人类社会的各个方面

。一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策11”工业4.0

”的三大主题：

智能工厂，

重点研究智能化生产系统及过程，

以及网络化分布式生产设施的实现；

关注数字融合，

探索产

业升级

。。

智能生产，

主要涉及整个企业的生产物流管理

、人机

互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等

。

智能物流，

主要通过互联网

、物联网

、物流网，

整合物流资源，

充分发挥现有物流资源供应方的效率

。德国机器人战略：

德国“工业4.0

”是德国政府提出的高科技战略计划，

以物联网（IoT）

与网络服务（Ios）

为范畴，

发展信息物理系统（CPS）

为技术核心，

构建智能工厂

。其目的是为了提高德国工业竞争力，在新一轮工业革命中占领先机

。一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策12日本机器人战略三个阶段：

第一阶段（2020年前后）

，

发展无人工厂

、无人

农场技术；

利用人工智能开发药物；

通过人工智

能预知生产设备故障

。

第二阶段（2020~2030年）

，

人员和货物运输配送

的无人化；

机器人的多能工化，

协调工作；

实现

个性化的制药；

利用人工智能控制家和家电

。

第三阶段（2030年之后）

，

护理机器人成为家里

的一员；

普及移动机器人的自动化

、无人化

。日本机器人战略：

2015年，

日本发布“机器人新战略

”，

推出1000亿日元的扶持项目，提出迈向世界领先的机器人新时代等三大核心目标

。2017年，

日本政府制定了“人工智能产业化

”路线图，

分3个阶段推进利用人工智能技术，

大幅提高制造业

、物流

、医疗和护理行业效率

。一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策13欧盟机器人战略：

2015年12月，

欧盟发布了SPARC“火花

”计划的技术路线图，

资助机器人领域的创新

。到2020年欧委会投资7亿欧元，

使欧洲机器人行业年产值增长至600亿欧元，

占全球市场份额提高至42%，

为描述欧洲的机器人技术提供一份通用框架

。欧盟“SPARC

”计划的目标：

发展战略所带来的重大社会挑战，

满足欧盟经济发展的需要加强在工业创新上的领导力

。

使机器人成为制定社会目标和解决方案的重要因素，

进一步推动欧洲制造业的发展

。

形成一个促进合作伙伴之间更广泛协作与交流的欧洲机器人共同体，

推动机器人技术进

步

。一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策14关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的……努力实现关键核心技术自主可控，

把创新主动权

、发展主动权牢牢掌握在自己手中

。——习近平总书记在2018年两院院士大会的讲话机器人是“制造业皇冠顶端的明珠

”,

其研发

、制造

、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志……要把我国机器人水平提高上去——习近平总书记在2014年两院院士大会的讲话发展机器人技术和产业是国家的重大战略部署一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策国家领导人对机器人行业的关注15n

国务院《中国制造

2025》n

国务院《新一代人工智能发展规划》n

科技部《智能机器人重点研发计划》n

国家基金委《共融机器人基础理论与关键技术重大研究计划》机器人强国中国制造人工智能我国围绕机器人技术发展颁布多项政策文件《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-

2020年）

》已明确将智能机器人技术作为我国重要发展方向之一

。一

、机器人的背景及意义

1.3

国内外政策智能机器人技术发展需求国家重要战略技术政策导向16

广义的机器人自动完成某种任务或功能的人造物

狭义的机器人高级整合材料

、机械

、电子

、控制

、计算机与人工智能等技术的自动机器机器人（Robot）是一种可以自动执行操作或者移动作业的机械装置，

具有感知

、规划

、决策

、控制等功能，

能够协助或替代人类完成部分工作，

尤其是危险性工作

。一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点机器人的定义17物流机器人

特种机器人陆地机器人

空中机器人水面机器人

室内机器人救援机器人海洋机器人野外机器人防疫机器人太空机器人城市机器人……极地机器人…工业机器人农业机器人医疗机器人巡检机器人排爆机器人分

类

按结构分类按

空

间

分

类机器人按用途…一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点机器人的分类18载人潜水器有缆水下机器人自主水下机器人混合水下机器人一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点汽车焊接机器人

汽车喷涂机器人物流搬运机器人

电子装配机器人水下机器人工业机器人19陆地机器人无人驾驶汽车极地勘察机器人变电站巡检机器人足式机器人好奇号火星车

空间机器人

空间机械臂机器人航天员一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点空间机器人20姿态控制、力度控制、速度控制、伺服电机、液压驱动、气压驱动、

人工肌肉

、化学反应陀螺仪

、加速度计

、GPS

、摄像头

、激光测距仪

、超声传感器

、压力传感器

、红外传感器，

温湿度计任务分配

、路径规划

、躲避障碍

、作业安全

、进化

决策

、速度决策

、轨迹优

化一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点执行系统决策系统感知系统机器人系统的组成控制流程感知信号决策信息执行信号21控制输出机器人系统(伺服电机

、传感器

、人机接口…)状态反馈感知状态听操作人员人机交互示教系统

、安全控制

…感知识别视觉

、触觉

、觉

…控制策略

、控制驱动

…评估

、规划

、优化

…外部环境与操作对象控制执行决策规划决策结果一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点机器人系统的组成机器人控制系统22一

、机器人的背景及意义

1.4

技术特点机器人学等多学科领域

。

23机器人研究涉及到人工智能

、机械工程

、控制论

、计算机

、

电子

、材料和材料

电子计算机

控制论机械工程人工智能机器人学多学科交叉融合1.机器人的背景及意义2.机器人的国内外研究现状3.

智能机器人的关键技术及应用4.

智能机器人的发展趋势汇报目录24平台载体工业机器人飞行机器人移动机器人医疗机器人海洋机器人空间机器人智慧医疗监测巡检导览娱乐疫情防控智能制造智慧物流助老助残能源矿山精准农业极地科考救援抢险核电作业智慧物流空间探索应急安防国防军事应用领域二

、国内外研究现状25机器人已应用于制造

、物流

、医疗

、生活服务

、海洋勘测

、航天等各行各业

。二

、国内外研究现状26川崎电子组装机器人2

01

7年，

川

崎

电机公

司开发协作机器人duAro，可有效地进行物料搬运、印刷电路板组装和板材拉伸等电子生产线操作。宝马自动化焊接生产线2014年，ABB机器人公司为宝马汽车开发自动化生产线，利用工业机器人自动完成车身焊接、涂胶、切割、喷漆等操作，提升工作效率。工业机器人，

常见的有焊接机器人

、喷漆机器人

、装配机器人

、上料机器人等等，

能够高精度

、高可靠

、无疲劳的执行作业，

显著减轻人的劳动强度，提升加工效率

。二

、国内外研究现状

2.1

工业机器人27在航空制造和装配中，

采用多机器人协同能有效解决单个机器人加工能力有限

、加工范围难以覆盖整个区域等难题，极大的增加制造效率

。波音与库卡公司联合研发了一款机身自动直立装置系统FAUB,多台机器人在机身内外部进行协同作业。2017年，波音公司针对787飞机机身装配开发了由四台机器人组成的协作单元Quadbots，协同完成机身的装配工作。二

、国内外研究现状

2.2

装配机器人协作装配机器人Quadbots自动直立机器人系统FAUB28植保无人机农药喷洒2015年，大疆公司推出植保无人机MG-1，具备自动建图、导航定位、避障规划、

自主巡航等功能，可以自动完成农药喷洒、播种等任务。无人驾驶农机机器人2019年，美国约翰迪尔公司研发无人驾驶农机载具机器人，采用U型架构链接农业工具，实现自动耕地、播种、药喷洒、肥料撒播等。用于农业生产的机器人

，

常见的有播种机器人

、收割机器人

、采摘机器人

、灌溉机器人等等

。智能化农业机器人，

智能化程度高，

方便跨区调配，作业数据统计精准，

有效降低劳动力成本

。二

、国内外研究现状

2.3农业机器人29在空间探测领域，

空间机器人代替宇航员出舱活动，

完成捕捉

、装配

、维修

、观测

、采样等工作，

降低宇航员在高真空

、强辐射环境的风险

。但太空的低重力以及非结构化环境给机器人的控制带来挑战

。加拿大灵巧操作臂SPDM中国空间机械臂日本空间机械臂JEMRMS2019年，我国成功发射“玉兔二号

”月球车开展月球探测。利用红外成像光谱仪，全景相机、

中性原子探测仪、测月雷达等科学载荷获得大量科学探测数据。二

、国内外研究现状

2.4

空间探测机器人“玉兔二号

”月球车美国NASA好奇号火星车30深海载人潜水器2009年起，我国自主研制“蛟龙号

”深海潜水器接连取得1000米级、3000米级、5000米级和7000米级海试成功

,

在探索深海中发挥着重要作用。水下捕捞机器人2018年，《科学：机器人》报导了哈佛大学研制的水下捕捞机器人，

12面的外壳像折纸一样折叠和展开，可以捕获和水下生物而不会造成伤害。海洋开发与探测中，

水下机器人能够适应复杂恶劣环境，

在深海矿藏勘探开采

、水下考察

、渔业环境监测等领域发挥了重要作用

。二

、国内外研究现状

2.5

海洋考察机器人31极地漫游者机器人中国自主研发的风能机器人“极地漫游者

”

在中国南极中山站进行试验。在南极中山站附近冰盖上“走

”出了第一步，这是我国研发的首台基于再生风能驱动的机器人。岩壁考察机器人LEMURNASA的四臂机器人LEMUR，具有16个手指中以及数百个细小的抓钩，利用人工智能算法寻找最佳攀登路线，从岩石中扫描远古化石。移动式机器人系统可以替代科考人员进行漫游式数据采集或样本收取，提供有效的测量手段，是未来无人值守的节点式科考站的核心设备

。二

、国内外研究现状

2.6科学考察机器人32Pepper人形情感机器人智能服务机器人可分为个人/家庭服务和专业服务两类

。服务机器人的应用涉及经济和社会发展的各个领域，

如家政服务

、安保巡逻

、陪伴护理等工作

。日本软银推出的Pepper机器人，具备声觉、触觉

及情感系统，通过对面部表情、肢体语言做出分析，获取用户的情感状态和心情状态并做出相应的反馈服务。图书整理机器人扫地机器人二

、国内外研究现状

2.7

智能服务机器人家庭清洁机器人安保巡逻机器人33

·“妙手

”手术机器人2014年中南大学湘雅三医院将“妙手S”

系统应用与临床手术中，此系统在保证手术效果的同时降低了手术费用。达芬奇手术机器人达芬奇手术机器人系统由床旁机械臂、成像系统

、

医生控制台组成，通过多个精密机械手臂灵巧协作，稳定地完成高难度外科手术。在外科手术领域，

凭借先进的感知

、控制

、人机交互技术，机器人能够更好解决医生因疲劳而降低手术精度的问题，

最大程度的减少患者的痛苦

。二

、国内外研究现状2.8

医疗手术机器人34“人体负重外骨骼

”机器人（HULC)“人体负重外骨骼

”（HULC）

由美国洛克希德•马丁公司研制，能够背负大约90公斤重物，以10千米/小时的速度在多种地形中行进，完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作，减少因提举较重载荷而引发的损伤。2014年，在圣保罗举行的巴西世界杯开幕式上，

一名巴西瘫痪少年将在脑控外骨骼机器人的帮助下开球。外骨骼机器人利用机动化金属支撑结构支撑这名少年的大腿，帮助他的大腿弯曲。外骨骼机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置，

为穿戴者提供保护

、身体支撑等功能

。通过感知穿戴者运动意图，

并对穿戴者的行为运动进行放大，提升人体机能

。二

、国内外研究现状

2.9

外骨骼机器人世界杯开幕式的外骨骼机器人35脑机接口是人或动物的脑部与外部设备之间建立的连接通路，

将大脑电信号转换为计算机可以识别的指令

。脑机接口技术将帮助肢体瘫痪患者重建运动功能，

有望在辅助运动功能

、失能者功能重建等诸多领域产生积极影响

。二

、国内外研究现状2.10脑机接口机器人2020年7月，

美国Neuralink开发出脑机接口（BMI）

系统，

利用神经手术机器人向人脑中植入被称为“线

”的

专有芯片和信息条，

通过USB-C接口读取大脑信号

。2020年1月，

浙江大学完成国内第一例植入式脑机接口临床研究，

利用脑机接口技术，

帮助高位截瘫患者用“意念

”

控制机械手臂，

实现喝可乐

、吃油条等操作

。Neuralink脑机接口系统脑机接口-机械臂辅助系统36在国防领域中，

美英等国近年来研制出第二代军用智能机器人，

采用自主控制方式，

能完成侦察

、作战和后勤支援等任务，

在战场上能够自动跟踪地形和选择道路，

具有自动搜索

、识别和消灭敌人能力，

军用智能机器人得到前所未有的重视和发展

。“卡梅尔

”自动驾驶装甲车2019年8月，

以色列国防部公布“卡梅尔

”新型装甲战车，使用人工智能、

自动驾驶和增强态势感知技术

,

提高战车的机动能力和感知能力，获得战场优势。无人机集群2016年10月，美军在加利福尼亚州中国湖基地用3架F/A-18“超级大黄蜂

”战斗机释放了103架“

山鹑

”微型无人机组成的集群。二

、国内外研究现状2.11

军用智能机器人37特种作业机器人面向特殊危险

、极限工作环境，

重点突破环境感知和理解

、路径规划

、导航避障

、伺服跟踪等核心关键技术，

满足极端条件下作业需求，

降低人工操作危险

。桥梁检测机器人湖南大学研发智能桥梁检测特种机器人，通过灵巧检测平台实现桥梁损伤评估自动化检测，成功应用于沪昆高速竹埠港特大桥，长沙圭塘河大桥等。二

、国内外研究现状

2.12特种作业机器人波士顿动力Atlas双足机器人日本福岛核废料运输机器人法国核电站检修机器人SpotMini四足机器人38测温-诊断智能机器人2020年初，湖南大学自主研制测温-诊断智能机器人、智能消毒机器人、

医药物资搬运智能机器人等疫情应急防控机器人，投入多家医院使用。喷洒消毒机器人2020年初，喷洒消毒机器人，解决医院动态、非结构环境下越障、避障时的运行稳定性不高，部署不灵活、消毒方式单一等难题。防疫机器人可通过自主控制或远程操作进行测温

、诊断

、消毒等工作，

降低医务人员工作强度，

减少交叉感染风险

。二

、国内外研究现状

2.13

防疫机器人39面临挑战近年来机器人研究取得了长足的进步，

但要在我们的生活中普及机器人仍是障碍重重

。2019年，《科学：

机器人》杂志列举了机器人普及亟待解决的10大挑战

。包括在未来机器人拥有更强的自主性，

这需要具备鲁棒的感知及决策能力，

实现在光照变化

、

复杂背景等场

景的感知和决策

。

突破自主学习能力，

通过有限的数据快速学习，

适应复杂未知的环境

。

多机协同和人

机交互能力，

机器人与机器人之间

、机器人与人之间合作，

高效的完成操作任务。40⑥

智能机器人⑦

社会交互⑧

脑机接口⑨医疗机器人⑩

机器人的伦理和安全①

新材料和制造方案②

仿生机器人③

动力和能源④

机器人集群⑤

导航和探索二

、国内外研究现状1.机器人的背景及意义2.机器人的国内外研究现状3.

智能机器人的关键技术及应用4.

智能机器人的发展趋势汇报目录41感知要素机器人对环境具有感知的能力，相当于人的眼、鼻、耳，以适应周围环境变化学习要素机器人个体应该具备学习能力,以适应复杂多变的环境运动要素机器人对移动机构进行控制以实现运动，包括位置控制、力度控制等规划要素机器人能推断出其他个体的行为意图,

从而规划出自身的行为决策要素机器人能够判断、逻辑分析、理解等，以实现有效的任务决策三

、智能机器人的关键技术及应用智能机器人具备的关键要素42智能感知

协同规划

精准控制任务执行环境感知工作环境机器人的关键技术：

环境感知技术

规划决策技术

运动控制技术三

、关键技术及应用43稀疏系数1恢复

与

融合稀疏系数2

s.t.

x_

Dα

≤

ε噪声图像1噪声图像2min

α高效图像预处理技术噪声图像恢复与融合同步实现结构化稀疏表示融合图像图像融合智能优化Zhang,

H.,Jin,X.,Wu,Q.J.,Wang,Y.,

He,

Z.,

&

Yang,

Y.

(2018).

Automatic

visual

detection

system

ofrailwaysurfacedefectswithcurvaturefilterand

improvedGaussian

mixture

model.

IEEE

Transactions

onInstrumentation

and

Measurement,

67(7),

1593-1608.三

、智能机器人的关键技术及应用

（

1

）多传感器信息融合感知机器人多传感器融合与感知技术，

实现高效图像预处理

、噪声图像恢复

。0

244关键帧循环检测地面和墙壁点云分割区域滤波下采样离群值去除可视化姿态图优化预滤波

激光雷达测程无损检测扫描扫描数据平面约束坐标变换机器人感知的一个重要目的是实现同步定位与地图创建SLAM

。SLAM技术是机器人系统在未知环境中实现自主导航和完成复杂任务的关键,也是其感知能力和智力水平的集中体现

。Dubé

,

Renaud

,

et

al.

"An

online

multi-robot

slam

system

for

3d

lid

ars

."

2017

IEEE/

RSJ

InternationalConference

on

Intelligent

Robots

and

Systems(IROS).

IEEE,2017.三

、智能机器人的关键技术及应用

（2）

机器人SLAM技术检测45大型复杂构件加工信馈规划数据库环境信息库结构化地图协同控制层规划决策层避障目标监测队形保持自定位跟踪控制协作加工任务分配路径规划进化决策环境感知与人机交互多机器人协同算法WangY,

MiaoZ,Zhong

H,etal."Simultaneousstabilizationand

tracking

of

nonholonomic

mobile

robots:ALyapunov-based

approach."IEEE

Transactions

on

Control

Systems

Technology

23.4(2015):

1440-1450.46三

、智能机器人的关键技术及应用（3）

多机协同控制分布式多机协同控制技术，

应用于大型复杂构件加工，解决加工一致性难题

。多

传

感器

息

反合成叶片仿真模型合成叶片点云模型机器人平台三维概率地图状态空间估计概率算法框架机器人三维测量技术，

基于贝叶斯滤波与体素占用概率估计的，

给出重叠约束和表面几何约束定量比较，

实现未知3维表面的预测和精准测量

。Peng,Weixing,et

al.

"Viewpoints

Planning

for

Active3-D

Reconstruction

of

Profiled

BladesUsing

Estimated

Occupancy

Probabilities

(EOP)

.

"

IEEE

Transactions

on

Industrial三

、智能机器人的关键技术及应用

（4）

机器人测量Electronics(2020).

47ObservationActionReward动作执行状态观测奖励函数智能体环境深度强化学习（DRL）技术将机器人感知能力与决策能力相结合，

通过端到端的学习方式实现从原始输入到输出的直接控制

。但如何将训练的模型有虚拟环境向真实环境迁移具有挑战性

。Haarnoja,Tuomas,etal."Composabledeepreinforcement

learningfor

robotic

manipulation."

2018

IEEE

InternationalConferenceonRoboticsand

Automation

(ICRA).

IEEE,2018.三

、智能机器人的关键技术及应用

（5）

深度强化学习加州大学伯克利分校的研究人员利用基于值函数的深度强化学习实现机器人搭积木的操作。深度强化学习结构48网络控制网络空间物理故障物理系统网络空间网路传感器U(t)执行器Y(t)物理感知执行信息物理空间Cello,

Marco,etal."BalCon:Adistributed

elastic

SDN

control

via

efficient

switch

migration."

2017

IEEEInternational

Conference

on

Cloud

Engineering(IC2E).

IEEE,2017.49弹性控制系统在应对意外干扰或恶意攻击时能够保持可接受的正常运行水平，

对保障网络化多机器人系统的安全性具有重要意义

。三

、智能机器人的关键技术及应用

（6）

分布式弹性控制Tan,

H.,

Miao,Z.,Wang,Y.,Wu,

M.,et.al,(2020).

Data-Driven

Distributed

Coordinated

Control

for

Cloud-Based

Model-Free

MultiagentSystemsWithCommunicationConstraints.

IEEETransactionsonCircuitsandSystems

I:

Regular

Papers.

50三

、关键技术及应用

（7）

多机器人协同调度提出多机器

、多工序

、多任务协同的高效运行控制技术，

实现生产线的快速重构

。三

、智能机器人的关键技术及应用

（

1

）机器人制药应用研制高端制造机器人，

应用于工厂制药柔性生产线控制系统，

实现无菌化制药

无菌化配药

一灌装-封口-转运

一高精度异物检测

一

分拣包装

51技术对比型号检测速度(万瓶/时)检测精度(mm)检出率(%)本产品EBI2899.3日本KTSTS-F1456.82.099.5德国kronesEM3757.01.599.7大型饮料制造自动化生产线研制成功首台高速饮料自动化生产线智能检测分拣机器人，

实现饮料行业关键岗位机器换人

。

CCTV-1新闻联播节目

、《人民日报》(海外版)第二版报道三

、智能机器人的关键技术及应用

（2）

自动检测机器人应用52项目明细技术指标车身焊装速度60台/时工件定位精度±0.2mm系统切换时间≤20s铸铁件精整度±

1mm生

产

效率机器人替代人工作业后提高40%研发多机器人协同作业与优化控制系统设备，

应用于汽车制造机器人自动化生产线三

、智能机器人的关键技术及应用

（3）

机器人汽车制造应用应用于长安

、猎豹

、东风

、广汽等企业53研制出电子制造智能视觉检测与装配系统，

实现电子制造过程高速高精度成像

、定位

、贴装的自动化技术成果实现了电子制造自动视觉定位、纠偏

、贴装，提高了控制精度和装配合格率达到三

、智能机器人的关键技术及应用

（4）

机器人电子检测与装配应用54突破了电力极端环境特种机器人的本体机构设计

、智能感知

、自主控制等关键技术，研制出冷凝器水下清洗机器人

、锅炉管道检测探伤机器人，

高压输电线路除冰

、检修机器人和变电站巡检机器人系列成套装备并进行产业化推广应用

。三

、智能机器人的关键技术及应用

（5）

机器人电力作业应用发电厂锅炉管道检测探伤机器人输电线路除冰检修机器人发电厂冷凝器清洗机器人变电站巡检机器人新冠疫情爆发后，

开发出测温-诊断智能机器人

、智能消毒机器人

、医药物资搬运智能机器人等疫情应急防控机器人，

捐助在湖南省人民医院等多家医院使用

。三

、智能机器人的关键技术及应用

（6）

机器人疫情防控应用捐赠机器人到湖南省人民医院紫外消毒机器人室外消毒机器人561.机器人的背景及意义2.机器人的国内外研究现状3.

智能机器人的关键技术及应用4.

智能机器人的发展趋势汇报目录57机器人4.0自主服务机器人3.0智能协作机器人2.0数字化机器人1.0自动化认知学习人机交互语义分析自然语言处理视觉感知轨迹规划示教引导控制器伺服电机协同学习5G网络知识迁移云-边-端的协同计算四

、智能机器人的发展趋势人机协作数据安全情感交互知识图谱58智能制造云工业互联网智能产品智能服务智能制造智能作业

智能物流工业机器人

移动机器人需求小批量多品种个性定制特征数字化网络化智能化网络化协同制造可以满足个性化的生产与服务模式，

以及复杂多变的作业环境与任务，是未来工业向智能化生产发展的趋势

。机器人将在其中扮演重要作用

。四

、智能机器人的发展趋势

4.1

网络化协同制造59可重构技术移动AGV工业云制造大数据CPS制造执行系统制造过程优化订单和原材料输入工业互联网智能工厂智能物流在智能工厂中，

工业机器人

、搬运小车

、传输线在物理上将离散系统连接，

打通物质流；

工业互联网将自动化设备的数据相连，

打通数据流；

用智能分析替代人的决策，

实现智能决策

。四

、智能机器人的发展趋势

4.2

智能物流工厂产品和服务输出数字化系统智能控制器605G高带宽

、低时延

、支持海量接入等方面的优势，

具备与机器人和各类生产设备前所未有的互动和协调，

在未来可实现5G+无人机

、5G+云端机器人

、5G+远程控制

、5G+机器视觉以及5G+云化AGV，

5G+AR等一系列应用

。四

、智能机器人的发展趋势

4.3

5G机器人技术61智能网联无人驾驶汽车，

未来将向动态

、未知环境的全自动驾驶发展

。利用多维度交通状态智慧综合感知，

实时准确地获取交通路网的多维交通参数，

为智能交通诱导与交通综合信息服务

、交通管理和交通规划提供决策依据的客观需求

。四

、智能机器人的发展趋势

4.4

智能网联汽车62人机协作模式将人的优势（智慧性

、灵巧性）与机器人优势（高速率

、高精度）

深度结合，

实现人机柔性作业，解决机器人部署成本高

、柔性不足的问题

。四

、智能机器人的发展趋势

4.5

人机交互协作63智能无人系统快速发展，

各种智能无人机器人在工业

、农业

、物流

、交通

、教育

、医疗保健

、军事等领域将得到广泛应用

。智能自主无人系统的低功耗

、超高速

、鲁棒型新型器件

、“存算一体

”与认知智能化新型芯片架构等内容将成为未来重要的研究方向

。四

、智能机器人的发展趋势

4.6

智能无人系统64n

网络化。引入云计算、云存储、边缘计算等技术，云-边-端融合架构下的网络化机器人拥有信息和知识共享、平衡计算负载、协同合作、独立于本体持续升级等优势。n

自主化。智能自主机器人具有感知、处理、决策、执行等模块，机器人像自主的人一样独立地活动和处理问题，具备“信息深度--自感知、智慧优化--自决策、精准控制-自执行

”等功能特征。n

协作化。新一代机器人的目标是成为人类的工作助手和亲密伙伴，因此需具备多层次人的协作能力，通过

“多机协作

”、

“人-机合作

”

，将人的优势与机器人优势深度结合。n

灵巧化。开发新材料、新驱动，制造类似生物结构的、柔软灵活的机器人。研究灵巧操作方法，使机器人具备灵巧柔顺操作能力。四

、智能机器人的发展趋势机器人发展趋势65n

机器人发展战略和规划：

共同研究制定可操作性强的机器人发展战略和规划，促进我国机器人产业又快又好发展。n

创新环境建设：推进智能制造机器人、

医疗机器人和特种机器人等应用领域的示范工程，建设先进机器人技术的实验环境，加大资金扶持力度，支持公用技术平台建设。n

下一代技术和标准：攻克伺服电机、精密减速器、伺服驱动器、末端执行器等关键零部件技术，重视人工智能、感知、决策和控制等下一代技术的研发。推进技术研发成果的实用化，积极争取国际标准制定权。n

机器人产业人才队伍：将机器人技术纳入相关学科建设体系，着力培养一批高水平科研带头人，吸引海外留学人员回国创新创业;

加强中小学校、科技馆等开设机器人兴趣课堂，进行展示、宣传和推广。四

、智能机器人的发展趋势机器人产业的发展66谢

谢！67机器人路径规划与运动规划参考书目(1)

贠超,王伟.机器人学导论，

机器人学导论.北京：机械工业出版社，

2018(2)Bruno

Siciliano,Lorenzo

Sciavicco,

et

al.Robotics:Modeling,Planning

and

Control.Springer

Press,

2009(3)蔡自兴.机器人学(第二版).北京：

清华大学出版社，2009(4)谭民，

徐德，

侯增广等.先进机器人控制.北京：

高等教育出版社，

2007机器人智能控制

运动学动力学

机器人控制

经典控制

现代控制

轨迹规划

线性控制非线性控制

力控制

电机驱动课程内容机器人智能控制1.机器人规划的定义和作用2.机器人轨迹规划的一般问题3.

关节插值轨迹4.笛卡尔路径轨迹规划机器人轨迹规划机器人智能控制操作者内部传感器控制器

驱动器

执行器

环境外部传感器人机接口计算机硬件及软件（任务规划，

轨迹规划）机器人系统2.1.1概述机器人学中的一个基本问题是为解决某个预定的任务而规划机器人的动作，

然后在机器人执行完成那些动作所需的命令时控制它

。2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制2.1.1概述规划的意思就是机器人在行动前确定一系列动作(作决策)，这种动作的确定可用问题求解系统来解决，

给定初始情况后，该系统可达到某一规定的目标

。因此

，规划就是指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述

。许多规划所包的步骤是含糊的

，

而且需要进一步说明（子规划）。大多数规划具有很多的子规划结构，

规划中的每个目标可以由达到此目标的比较详细的子规划所代替

。2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制2.1.1概述Problem-solvingtechnique

belongtoAutomaticplanning

typicalexampleRobot

planningresearcharea

ofRobotics2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制2.1.1概述把某些比较复杂的问题分解为一些比较小的问题的想法使我们应用规划方法求解问题在实际上成为可能

。有两条能够实现这种分解的重要途径：u第一条是当从一个问题状态移动到下一个状态时，

无需计算整个新的状态，

而只要考虑状态中可能变化了的那些部分

。例如：

一个机器人从一个房间走动到另外一个房间，

这并不改变两个房间内门窗的位置

。当问题状态的复杂程度提高时，研究如何决定哪些事物是变化的以及哪些是不变的问题（框架问题）

就变得越来越重要

。2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制2.1.1概述把某些比较复杂的问题分解为一些比较小的问题的想法使我们应用规划方法求解问题在实际上成为可能

。有两条能够实现这种分解的重要途径：u第二条是把单一的困难问题分割为几个有希望的

、较为容易解决的子问题，

这种分解能够使困难问题的求解变得容易些

。虽然这样做有时是可能的，

但往往是不可能的

。替代的办法是，

可以把许多问题近似看做可分解问题，

即意味着它们可以被分割为只有少量相互作用的子问题

。2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制机器人规划分为高层规划和低层规划

。

自动规划在机器人规划中称为高层规划

。自动规划是一种重要的问题求解技术，

它从某个特定的问题状态出发，

寻求一系列行为动作

，并建立一个操作序列，

直到求得目标状态为止

。我们在阐述机器人自动规划问题时，

机器人一般配备有传感器和一组能在某个易于理解的现场中完成的基本动作

。种状态或这些动作可布局

。例如CAB2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制初始状态C

ABCA

BBBA

C

ACC目标状态CA

BABCACBCBACABBACBCAACABBC机器人能得到的一个解答是一系列的抓取操作

。机器人规划是机器人学的一个重要研究领域，

也是人工智能与机器人学一个重要结合点

。2.1机器人规划的定义和作用机器人智能控制机器人轨迹规划属于机器人低层规划，

基本上不涉及人工智能问题，

而是在机械手运动学和动力学的基础上，

讨论机器人运动的规划及其方法

。所谓轨迹，

就是指机器人在运动过程中的位移

、速度和加速度

。轨迹规划问题通常是将轨迹规划器看成“黑箱

”，

接受表示路径约束的输入变量，

输出为起点和终点之间按时间排列的机器人中间形态（位姿,速度和加速度）

序列

。{q(

t

),

q.(

t

),

q..(

t

)路径约束轨迹规划器动力学约束路径设定2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制由初始点运动到终止点，

所经过的由中间形态序列构成的空间曲线称为路径

。这些形态序列即是曲线上的“点

”。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制以二自由度平面关节机器人为例

。如下图所示,要求机器人从A点运动到

B点

。机器人在A点时形位角为α=20

°,

β=30

°

;达到B点时的形位角是α=40

°,

β=80

°

。两关节运动的最大速率均为10

°/s

。当机器人的所有关节均以最大速度运动时,下方的连杆将用2s到达,而上方

的连杆还需再运动3s,可见路径是不规则的,手部掠过的距离点也是不均匀的

。二自

由度机器人关节空间的非归一化运动2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制设机器人手臂两个关节的运动用有关公共因子做归一化处理,使手臂运动范围较小的关节运动成比例的减

慢,这样两个关节就能够同步开始和结束运动,

即两个关节以不同速度一起连续运动,速率分别为4

°/s和10

°/s

。如下图所示为该机器人两关节运动

轨迹,与前面的不同,其运动更加均

衡,且实现了关节速率归一化

。二自

由度机器人关节空间的归一化运动2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制如果希望机器人的手部可以沿AB这条直线运动,最简单的方法是将该直线等分为几部分(图中分成5份),然后计算出各个点所需的形位角α和β的值,

这一过程称为两点间的插值

。这时路径是一条直线,

而形位角变化并不均匀

。如果路径点过少,将不能保证机器人在每一小段内的严格直线轨迹

。因此,为获得良好的沿循精度,应对路径进

行更加细致的分割

。由于对机器人轨迹的所有运动段的计算均基于直角坐标系,

因此该法属直角坐标空间的轨迹规划

。二自

由度机器人直角坐标空间的运动2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制规划机器人的轨迹有两种常用的方法：

第一种方法：

要求使用者在沿轨迹选定的位置点上(称为结节或插值点)显式地给定广义坐标位置

、速度和加速度的一组约束(例

如，

连续性和光滑程度等)

。然后，

轨迹规划器从插值和满足插值点约束的函数中选定参数化轨迹

。显然，

在这种方法中，

约束的

给定和机器人轨迹规划是在关节坐标系中进行的

。

第二种方法：

使用者以解析函数显式地给定机器人必经之路径，例如，

笛卡尔坐标中的直线路径

。然后，

轨迹规划器在关节坐标

或笛卡尔坐标中确定一条与给定路径近似的轨迹

。在这种方法中，路径约束是在笛卡尔坐标中给定的

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制轨迹规划既可在关节变量空间中进行，

也可在笛卡尔空间进行

。对于关节变量空间的规划，

要规划关节变量的时间函数及其前二阶时间导数，

以便描述机器人的预定运动

。在笛卡尔空间规划中，

要规划机器人手部位置

、速度和加速度的时间函数，

而相应的关节位置

、速度和加速度可根据手部信息导出

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制笛卡尔空间进行轨迹规划的特点：

面向笛卡尔空间方法的优点是概念直观，

而且沿预定直线路径可达到相当的准确性

。

可是由于现代还没有可用笛卡尔坐标测量机器人手部位置的传感器，

所有可用的控制算法都是建立在关节坐标基础上的

。

因此，

笛卡尔空间路径规划就需要在笛卡尔坐标和关节之间进行实时变换，

这是一个计算量很大的任务，

常常导致较长的控制间隔

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制笛卡尔空间进行轨迹规划的特点：

由笛卡尔坐标向关节坐标的变换存在病态，

因而它不是一一对应的映射

。

如果在轨迹规划阶段要考虑机器人的动力学特性，

就要以笛卡尔坐标给定路径约束，

同时以关节坐标给定物理约束(例如

，每个关节电机的力和力矩

、速度和加速度权限)

。这就会使最后的优化问题具有在两个不同坐标系中的混合约束

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制关节变量空间的规划的特点

直接用运动时的受控变量规划轨迹；

轨迹规划可接近实时地进行；

关节轨迹易于规划

。伴随的缺点是难于确定运动中各杆件和手的位置，

但是，

为了避开轨迹上的障碍，

常常又要求知道一些杆件和手位置

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制由于面向笛卡尔空间的方法有前述种种缺点，

使得面向关节空间的方法被广泛采用

。它把笛卡尔结点变换为相应的关节坐标，

并用低次多项式内插这些关节结点

。这种方法的优点是计算较快，

而且易于处理机器人的动力学约束

。但当取样点落在拟合的光滑多项式曲线上时，

面向关节空间的方法沿笛卡尔路径的准确性会有损失

。2.2机器人轨迹规划的一般性问题机器人智能控制关节轨迹的插值计算：u为了控制机械臂，

在规划运动轨迹之前，

需要给定机器人在初始点和终止点的手臂形态

。在规划机器人关节插值运动轨迹时，

需要注意下述几点：1.抓住一个物体时，

手的运动方向应该指向离开物体支承表面的方向

。

否则，

手可能与支承面相碰。2.若沿支承面的法线方向从初始点向外给定一个离开位置(提升点)，

并要求手(即手部坐标系的原点)经过此位置，

这种离开运动就是允许的

。

如果还给定由初始点运动到离开位置的时间，

我们就可以控制提起物体运动的速度。7.3

关节插值轨迹机器人智能控制关节轨迹的插值计算：3.对于手臂运动提升点的要求同样也适用于终止位置运动

的下放点(即必须先运动到支承表面外法线方向上的某点，再慢慢下移至终止点)。

这样，

可获得和控制正确的接近方向。4.对手臂的每一次运动，

都设定上述四个点：

初始点，

提

升点，

下放点和终止点。5.位置约束

。(a)初始点：

给定速度和加速度(一般为零)；(b)提升点：中间点运动的连续；

(c)下放点：同提升点；(d)终止点：

给定速度和加速度(一般为零)。6.

除上述约束外，

所有关节轨迹的极值不能超出每个关节

变量的物理和几何极限。7.3

关节插值轨迹机器人智能控制关节轨迹的插值计算：7.

时间的考虑

。

(a)轨迹的初始段和终止段：时间由手接近和离开支承表面的速率决定；

也是由关节电机特性

决定的某个常数

。(b)轨迹的中间点或中间段：时间

由各关节的最大速度和加速度决定，

将使用这些时间

中的一个最长时间(即用最低速关节确定的最长时间来

归一化)。在关节轨迹的典型约束条件之下，

我们所要研究的是选择一种n次(或小于n次)的多项式函数，

使得在各节点(初始点，提升点，

下放点和终止点)上满足对位置

、

速度和加速度的要求，

并使关节位置

、

速度和加速度在整个时间间隔[t0,tf]

中保持连续。7.3

关节插值轨迹机器人智能控制1.位置(给定)2．

速度(给定，

通常为零)3.加速度(给定，

通常为零)4.提升点位置(给定)5．

提升点位置

（与前一段轨迹连续）6.速度

（与前一段轨迹连续）7．

加速度

（与前一段轨迹连续）8.下放点位置(给定)9．

下放点位置

（与前一段轨迹连续）10.速度

（与前一段轨迹连续）11.加速度

（与前一段轨迹连续）12.位置(给定)13.速度(给定，

通常为零)14.加速度(给定，

通常为零)规划关节插值轨迹的约束条件：7.3

关节插值轨迹终止位置

{机器人智能控制初始位置中间位置关节轨迹的插值计算：u运动轨迹的描述可用起始点关节角度与终止点关节角度的一个平滑插值函数来表示，

在t0＝0

时刻的值是起始关节角度，

在终端时刻

tf

的值是终止关节角度

。u现在的问题是求出一组通过起点和终点的光滑函数

。显然，

有许多平滑函数可作为关节插值函数，

如下图所示

。q(t)qfq00

t

f

t2.3

关节插值轨迹机器人智能控制单个关节的不同轨迹曲线t

=

t0循环：

等待下一个控制间隔；t

=

t0

+

Δth(t)=

t时刻机器人关节所处的位置；若

t=

tf

，

则退出循环；转向循环

。从上述算法可以看出，

要计算的是在每个控制间隔中必须更新的轨迹函数(或轨迹规划器)