机器人系统设计及其应用技术（第2版）课件 第1章 绪论

机器人系统设计及其应用1我院“机器人工程”专业获批2018年度新增本科专业。（2018年王耀南院士湖南大学成立全国第一个机器人学院）2016年4月26日，由湖南大学电气与信息工程学院、湖南大学机械与运载工程学院、湖南大学信息科学与工程学院、湖南大学设计艺术学院等学院的学科通过交叉融合组成的湖南大学机器人学院正式成立。2017年3月，教育部公布了2016年度普通高等学校本科专业备案和审批结果，湖南大学新增机器人工程本科专业。机器人含义：机：机器人人：

器：小脑+大脑

机械（一切实物载体）电气：控制板、传感器、驱动器等2026/10/63考勤及课堂表现10%作业和实验40%期末测验50%最终评价学生A第2节课学生A第4节课大三本科生A（前三排）大三本科生B（最后一排）系统框图电气框图设计下图1所示的中国矿业大学（北京）自行设计的四轮机器人平台系统，完成图2四轮火星机器人抓取桌上红色、绿色、黄色矿物的任务。该机器人系统，包括（1）整体系统框图设计；（2）设计系统的控制方案并画出框图；（3）进行系统软件流程图设计；（4）描述整个系统工作过程。机器人系统：1、机械系统设计2、数学模型建立3、电气系统设计4、控制系统（多闭环）5、传感器系统6、路径规划（超声、图像）7、图像处理算法8、软件系统设计及调试9、实验验证机器人技术基础第一部分01主要内容教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材高等学校电子信息类专业系列教材1.机器人概述2.机器人应用技术3.机器人系统设计基础4.基于智能车的机器人本体设计5.机器人视觉系统6.机器人传感器技术7.机器人系统仿真8.机器人系统开发《机器人系统设计及其应用技术》注重将机器人基础理论与应用技术相结合，力求反映国内外机器人研究领域的新进展。使工科学生能真正的将理论学习与实际相结合，完成对机器人系统的四部分（机械系统、电气系统、控制系统、软件系统）的深刻认识。英文中的机器人Robot---1920年，捷克剧作家：卡雷尔.卡佩克，科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，来自于捷克语的“robota”，中文意为“劳役、苦工”

和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出，“机器人”这个词。

Android1886年，法国剧作家：利尔.亚当，小说《未来夏娃》，将外型像人的机器，命名为：android。新词：Gynoid，女性机器人

Humanoid人形机器人，特指外形具有人类特征的机器人。外形具有人类特征：双腿行走1912年出现，原意是指相似于人类骨骼的化石，之后变为机器人的含义一、机器人概述1.1机器人的出现1、1959年，美国德沃尔获得了可编程机械手专利，该机械手臂可按先前编写程序进行工作，可根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有灵活性和通用性。

2、德沃尔一生致力于研究机器人。1959年，德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，标志着现代意义上机器人历史的才真正拉开序幕。

3、机器人为什么会出现？

让机器人替代人类从事那些危险而又必须去做的工作。

在现实生活中有些工作会对人体造成伤害；

有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任；

有些工作人类无法身临其境；

有些工作不适合人做，比如一些枯燥单调的重复性劳作、一些恶劣的环境等；

服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安；

水下机器人可以帮助铺设电缆、打捞沉船；

工程机器人可以上山入地、开洞筑路；

农业机器人可以施肥除虫、耕耘播种；

军用机器人可以冲锋陷阵、排雷弹……

1.1.1机器人发展简史一场新技术革命悄然来临，人类正从PC（个人时代）向PR（个人机器人）时代迈进。从概念到实用，机器人正大步走进我们新机器人学

新机器人学视频包容体系结构发明者纪录片《掀起机器人风暴的人》

播出平台：中央电视台科教频道《人物》栏目

罗德尼•布鲁克斯(RodneyBrooks)，1954年生，获得南澳大利亚

Flinders大学抽象数学学位和斯坦福大学计算机博士学位，毕业之后就职于斯坦福人工智能实验室。1984年，罗德尼转往麻省理工学院计算机与人工智能实验室（全球最大的机器人实验室）。后来，罗德尼不仅担任了该实验室的主任，而且成为美国人工智能研究协会的创建者，美国国家工程院院士2013,10月，谷歌(微博)旗下工程与机器人设计公司波士顿动力（BostonDynamics）发布了自主研发的WildCat野猫四足机器人视频，该机器人的最高跑步速度达到每小时16英里。现在，麻省理工学院（MIT）也发布了一段机器人视频，从视频画面中可以看到，MIT研发的猎豹机器人奔跑过一片场地，并跃过障碍物。MIT仿生机器人实验室BiomimeticsRobotLab的研究人员在实验中发现，在脱离任何能量源的情况下，猎豹机器人的短跑冲刺速度能够达到每小时10英里（约1.6公里）。MIT的研究人员认为，当前这款原型机最终的短跑冲刺速度将能够达到每小时30英里（约4.8公里）。MIT早在几年前便开始了该项目的研发工作，该项目由美国国防部先进研究项目局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA)下属最大限度移动和操控机器人项目（MaximumMobilityandManipulationroboticsprogram）提供资助。DARPA该项目旨在提高机器人的活动能力。据悉，猎豹机器人原型机最近在软件方面取得了进展，研究人员研发出了新的“运动算法”，以此计算机器人跃起落地时双腿所需要的具体力量数据，以确保能够在既定速度下，为机器人提供支撑。机械工程学教授金尚裴（SangbaeKim）认为，该机器人的跑步方式与世界级竞跑选手相近。实用新型公开了一种关节式履带机器人2014/06/0309:19据TheVerge报道，MIT正在研发一种新型的机器人，这种机器人最大的特点就是加热后可自动变形。从MIT对外公布的材料及视频来看，这种机器人是3D打印的，传感器等材料在加热时都可以弯曲变形，机器人可以变形成特定的形状。具体但如何具体控制这种机器人变形，还暂未提及，很有可能需要编程控制操控。MIT研发团队将会在即将到来的IEEE机器人与自动化国际大会上展示这款机器人。MIT对于可机器人研究热情一直很高，目前他们已经研究出了不少机器人，比如可以折叠成多种形状的机器人、可以识别笑声的机器人、可以自行组装的块状机器人。如果这种加热后可自变形的机器人问世，未来用户就可以按照自己的需求，打印定制化的机器人，并根据不同的场景变身。当然，这样的机器人在地震后救灾时也可以大显身手了。随着材料技术的成熟，这种可变形的机器人或许也有可能进入到人体，并根据不同的场景需求变形，实现特定的功能甚至手术。MIT正在研发新型机器人，可3D打印，加热后可自变形1.2机器人的定义及其特点

1.2.1机器人的定义及组成

机器人的定义

在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，提出了两个十分具有代表性的定义。1.一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有个体性、移动性、智能性、自动性、通用性、半机械半人性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用个体性、智能性、自动性、半机械半人性、作业性、信息性、通用性、有限性、柔性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。2.另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：1）具有脑、手、脚等三要素的个体；2）具有平衡觉和固有觉的传感器；3）具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器。该定义强调了机器人应当仿人的含义机器人的组成

1886年法国著名作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：

（1）生命系统（平衡、发声、身体摆动、步行、表情、感觉、调节运动等）；

（2）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；

（3）人造肌肉（在上述盔甲上有性别、肉体、静脉等身体的各种形态）；

（4）人造皮肤（含有肤色、头发、机理、视觉、轮廓、牙齿、手爪等）。

对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已经远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增加，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。2.机器人开发准则

1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在这个剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三定律”：1，机器人不应伤害人类；2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。反思：

1机器人未来是否会成为人类的敌人？

2机器人三定律能否有效约束机器人的行为？

3也说说克隆！

4法律真的是我们的救命稻草吗？机器人含义：机：机器人人：

器：小脑+大脑

机械（一切实物载体）电气：控制板、传感器、驱动器等机器人的结构关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式见表：我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务机器人，这和我国的分类是一致的。机器人上的传感器能够把机器人所得的信息依次送给机器人的记忆装置。记忆装置可以把机器人各部分运动顺序、位置、速度等记录并存储起来。这一过程也叫编程过程。机器人工作时，记忆装置把信号放出来控制机器人动作，这就是“再现”的过程，它的动作完全再现了人教给它的动作，并且可以自动地、不断地、反复地进行工作。会生病的机器人培养医生需要进行很多次临床实习。从实践中获得经验的过程是漫长的，而且会使很多病人付出代价。因此，美国南加利福尼亚大学医学院研制出一种患者机器人“西姆”l号。它能模仿人生病，表现出人患各种病时的症状。比如得肺炎，它就会呼吸困难，身体发烧。实习医生给它打针和输氧，它也能和真人一样有反应。日本研制的一种患者机器人“亚当”3号，它的心跳、脉搏、呼吸、血压、瞳孔反应等都和病人一样。学生进行治疗抢救时，若是抢救失败了，“亚当”3号的瞳孔就会张开，监视器上显示出死亡的标志。英国制造的一种患者机器人能生25种心脏病，它对学生进行心脏病实习非常有用。日本也有心脏病机器人，供实习者鉴别有病心脏的声音。分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。“示教再现型”机器人通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。010203机械结构设计Designofmechanicalsystem电气结构设计Designofelectricalsystem控制程序设计DesignofcontrollingprogramCHR机器人CONTENT04实验与展示Experimentanddemonstration系统设计总框图系统设计总框图（研究生画出）系统设计总框图（机器人19级刘凝哲画出）系统框图（机器人19级刘凝哲画出）电气系统框图

01机械结构设计DesignofmechanicalstructurePARTONE2.机械结构设计

--机器人构造零件三维模型及装配图机器人样机实物02电气结构设计DesignofelectricalstructurePARTTWOArduino是一款便捷灵活、方便上手的开源系统平台，包含硬件（各种型号的arduino板）和软件（arduinoIDE)。它适用于艺术家、设计师、爱好者和对于“互动”有兴趣的朋友们。特色：便宜、好用！Ardunio介绍Ardunio编程单片机编程vsPC编程ArdunioCvs标准C语言编程Arduino支持多种编程语言和编程模式电气结构设计——核心处理器特点：

跨平台

ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系统上运行，而其他的大多数控制器只能在Windows上开发。

简单清晰

ArduinoIDE基于processingIDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。

开放性

Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

发展迅速

Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。

因为Arduino的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目、产品；越来越多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域；大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino相关课程。

C语言特色中级语言；编译型语言：编译->连接->可执行文件；数据类型：整型、浮点型、布尔型；常量与变量；循环语句：for、while；条件语句：if、switch()...case....break；函数；main()函数；子函数；ArdunioC编程特色简化的C语言Setup()Loop()软件编程：

核心处理器编程语言采用Arduino语言编程，Arduino语言是建立在C/C++基础上的，其实也就是简化的C语言，Arduino语言只不过把AVR单片机（微控制器）相关的一些参数设置都函数化，不用我们去了解他的底层，让不了解AVR单片机（微控制器）的初学者也能轻松上手。

编程结构:

voidsetup()

初始化变量，管脚模式，调用库函数等

voidloop()

连续执行函数内的语句

部分功能：数字

I/O

pinMode(pin,mode)

数字IO口输入输出模式定义函数，pin表示为0～13，mode表示为INPUT或OUTPUT。

digitalWrite(pin,value)

数字IO口输出电平定义函数，pin表示为0～13，value表示为HIGH或LOW。比如定义HIGH可以驱动LED。

intdigitalRead(pin)

数字IO口读输入电平函数，pin表示为0～13，value表示为HIGH或LOW。比如可以读数字传感器。

模拟

I/O:intanalogRead(pin)

模拟IO口读函数，pin表示为0～5（ArduinoDiecimila为0～5，Arduinonano为0～7）。比如可以读模拟传感器（10位AD，0～5V表示为0～1023）。

analogWrite(pin,value)-PWM

数字IO口PWM输出函数，Arduino数字IO口标注了PWM的IO口可使用该函数，pin表示3,5,6,9,10,11，value表示为0～255。比如可用于电机PWM调速或音乐播放。

扩展

I/O:shiftOut(dataPin,clockPin,bitOrder,value)

SPI外部IO扩展函数，通常使用带SPI接口的74HC595做8个IO扩展，dataPin为数据口，clockPin为时钟口，bitOrder为数据传输方向（MSBFIRST高位在前，LSBFIRST低位在前),value表示所要传送的数据（0～255），另外还需要一个IO口做74HC595的使能控制。

unsignedlongpulseIn(pin,value)

脉冲长度记录函数，返回时间参数（us），pin表示为0～13，value为HIGH或LOW。比如value为HIGH，那么当pin输入为高电平时，开始计时，当pin输入为低电平时，停止计时，然后返回该时间

3.电气结构设计——电机驱动驱动方式：闭环驱动直流电机驱动电路板集成PID运算控制电路与驱动电路Faulhaber2342直流减速电机（额定电压12V，功率17W，减速比64：1）HEDS-9100AB双相500线编码器闭环PID控制集成驱动电路板Faulhaber2342直流减速电机红外/可见光传感器:3.电气结构设计