机器人创意设计与实践 PPT课件

1、1,机器人创意设计与实践,2,机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然没有一个统一的意见，主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。,为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫1950年在我是机器人一书中提出了“机器人三原则”： 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。,3,我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种

2、自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。” 在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。,4,美国 美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称“机器人王国”的日本起步至少要早五六年。 80年代中后期，第一代机器人的技术性能满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了60

3、的机器人市场。从90年代至今，美国机器人更是得到了前所未有的发展，成为了全球机器人强国。,5,美国 1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木, Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。,1970-Shakey the robot reasons about its blocks,6,日本 日本的工业机器人是在引进美国工业机器人的基础上，经过消化、吸收、创新发展起来的。20世纪80年代，日本工业机器人飞速发展，生产量和应用量都一跃成为世界第一，被世人冠以机器人王国之美誉。目前，日本工业机器人的

4、装备量约占世界工业机器人装备量的60。 在日本，机器人文化对社会影响非常大。为了推动日本机器人比赛的发展，日本政府于2000年组织了国际机器人节。之所以日本政府也介入机器人比赛，是因为他们看到了机器人比赛对提高全民的科技素质有着巨大的影响。,7,日本 1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。,Link to I ,Link to II ,8,中国 目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪8

5、0年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。,-大学生创新创业实践基地-,9,中国,-大学生创新创业实践基地-,北京航空航天大学灵巧手,我国第一台自主研制的全自动工业焊接机器人“昆山一号”,10,机器人大致经历了三个成长阶段：第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是

6、有知觉、有思维 、能与人对话。 第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是智能机器人，它不仅具备了感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。,-大学生创新创业实践基地-,11,-大学生创新创业实践基地-,Robot Soccer World Cup,什么是RoboCup？,Robot World Cup,国际上发展足球机器人的一个创新动议（initiative）,新的里程碑(Landmark)工程,长远目标：到2050年，完全自主的类人的机器人将打败当时的世界足球冠军队，这是一个50年的长远计划。,促进人工智能、

7、智能机器人与智能控制技术的研究和发展，突破的关键技术将推动工业和军事的发展。,Apollo 登月 从Wright 兄弟的第一次飞行到Apollo 登月经过了50年,计算机下棋 从发明计算机到深蓝打败卡斯帕罗夫也经过了50年,?,12,RoboCup的起源与发展,-大学生创新创业实践基地-,加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授Alan Mackworth在1992年的论文On Seeing Robots中提出训练机器人进行足球比赛的设想。,1992年10月，日本东京：关于人工智能领域重大挑战的研讨会。与会的研究人员对制造和训练机器人进行足球比赛以促进相关领域研究进行了探讨。,1996年，RoboCup

8、国际联合会成立，并于1996年在日本举行了表演赛。,1997年首届RoboCup比赛及会议在日本的名古屋举行，以后每年举办一届。,13,-大学生创新创业实践基地-,足球比赛 RoboCupSoccer 仿真组 Simulation League 小型组 Small Size Robot League 中型组 Middle Size Robot League 四腿组 Sony Legged Robot League 类人组 Humanoid League,救援比赛 RoboCupRescue 仿真组 Rescue Simulation League 机器人组 Rescue Robot Leagu

9、e,青少年比赛 RoboCupJunior 足球机器人 Soccer Challenge 舞蹈机器人 Dance Challenge 救援机器人 Rescure Challenge,14,-大学生创新创业实践基地-,中型组：使用橙色足球进行比赛。机器人全自主。,Link to,15,-大学生创新创业实践基地-,小型组,16,-大学生创新创业实践基地-,四腿组,Sony公司生产的“爱宝”(AIBO)机器狗,17,-大学生创新创业实践基地-,舞蹈机器人,Link to,18,-大学生创新创业实践基地-,据英国每日邮报消息，美国官方公布了一段关于军用机械狗的录像，这个形似机械狗的四足机器人被命名为“

10、大狗”（Bigdog），由波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）专门为美国军队研究设计。Boston Dynamics公司曾测试过BigDog，它能够在战场上发挥重要作用:为士兵运送弹药、食物和其他物品。 其原理是,由汽油机驱动的液压系统能够带动其有关节的四肢运动。陀螺仪和其他传感器帮助机载计算机规划每一步的运动。机器人依靠感觉来保持身体的平衡，如果有一条腿比预期更早地碰到了地面,计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡,然后BigDog就会相应地调节自己的步伐。该液压装置由单缸两冲程发动机驱动。它可以承载40多公斤的装备，约相当于其重量的30%。,Link to,Other,1

11、9,-大学生创新创业实践基地-,美国电气和电子工程师协会（IEEE）统计，至2008年底，世界各地已经部署了100万台各种工业机器人。其中，日本机器人数量据世界首位。 他们的算法基于制造工人与机器人的比例，即每万名工人拥有多少台制造机器人。其中日本的工业机器人密度达到了世界平均水平的10倍。,Link to,20,planetary gearhead,-大学生创新创业实践基地-,brushless DC motor,brushed DC motor,/wiki/index.php/Brushed_DC_Motor_Theory,

12、21,伺服电动机伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。,-大学生创新创业实践基地-,直流无刷电机首先控制部根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。,22

13、,基于DSP控制器技术的全数字智能伺服驱动器,-大学生创新创业实践基地-,TML运动控制语言 （Technosoft Motion Language）,无刷直流电机（BLDC） 永磁同步电机（PMSM） 直流有刷电机,为单轴或多轴应用提供了一个灵活，紧凑，易于实现的解决方案。通过RS232/485送入运动命令。,23,IPM100 INTELLIGENT SERVO DRIVE,-大学生创新创业实践基地-,扭矩速度位置控制模式 电子齿轮曲线轮廓线运动模式 适应外部变量压力流量温度等控制运动模式,IPM100具有可以选择的多种运动控制模式,24,运用IPM Motion Studio，一套高级的

14、图形工具集成开发平台：,-大学生创新创业实践基地-,TML运动语言提供了多种运动模式的编程：如位置/速度梯形或S形曲线，点到点直线插补，脉冲方向等。,25,-大学生创新创业实践基地-,26,全向轮是近年来比较热门的一种驱动方式，所谓的全向就是转向就可以直接朝任意方向移动的一种驱动方式。一般情况下，3个全向轮就能提供全向的移动能力。 在足球比赛中，全向轮的采用可以大大提高驱动效率，由于机器人不用通过转向就能到达场上的任意位置那会节约多少时间，找球、进攻、回防的效率会得到很大的提高。因此，全向驱动要远远优于传统的差动驱动方式。当然，全向驱动也不是那么十全十美，它在功率的输出上就要略逊于差动驱动。,

15、-大学生创新创业实践基地-,27,-大学生创新创业实践基地-,Differential drive wheeled mobile robot,正运动学方程,逆运动学方程,28,四轮全向机器人模型,-大学生创新创业实践基地-,各车轮的旋转速度与机器人速度之间的关系为：,29,-大学生创新创业实践基地-,全向视觉,视觉定位的核心任务是：从这些传感器捕捉的图像中提取出期望的图像特征并与环境特征建立某种一致性的联系。图像特征往往以色块，曲线或者点集等形式表述，这种特征的表述形式取决于由静态形式的路标或地图所描述的环境特征，尽管机器人足球的环境是动态的，但机器人必须依据这些已知的静止参考系来实现自定位,

16、视觉传感器 捕获图像,探测和分割 图像中的特征,确定机器人 的位姿,确定观测特征 和期望特征的 一致性关系,30,-大学生创新创业实践基地-,全向视觉,全向视觉系统由全向反射镜面和摄像机组成，其中全向反射镜面起着反射光线的作用，而摄像机则通过镜头折射采集全向反射镜面反射的光线来获取全景图像。全向视觉系统作为RoboCup Middle-Size机器人最重要的传感器，其主要用于采集全景图像，以进行目标识别和自定位。,Robot Self-Localization: Detect landmarks Use statistical methods Share information with ot

17、her robots Vision is still a key research issue: Color information Auto-color calibration Shape detection Edge detection,31,-大学生创新创业实践基地-,为了获取更大视野的场景，目前已经提出了很多全向成像方法。在众多的方法中，用单个曲面反射镜面制作的全向视觉系统能够实时获取水平方向360和垂直方向一定角度的全向图像，常见的全向反射镜面包括圆锥形镜面、球形镜面、椭球形镜面、抛物线镜面以及双曲线镜面等。,内侧部分为水平等比镜面 外侧部分为垂直等比镜面,双曲线镜面获得的球场全景图

18、像,全向视觉,32,-大学生创新创业实践基地-,The main parameters to be chosen are the height of the mirror and the distance between the mirror and the camera. They also determine the viewing angle of the lens for a full-size image of the mirror.,Camera,Mirror,原始图像经过校正后 得到场地上的直线,场地特征提取与 基于三角测量的自定位,全向视觉,33,-大学生创新创业实践基地-,视

19、觉的距离标定,例如，若全向视觉利用了凸面反光镜，因此视觉产生了畸变。为了达到从视频图象中计算有关距离信息的目的，需要在实际距离和捕获的像素点之间建立起一一对应的关系。因此，需要进行距离标定，以产生对应的“图象-实际”距离映射表。 例如，分别在距离摄像头中心0.5、1、1.5.8米处记录所对应的像素，并作为原始数据，再用插值的方法，就可获得其它像素点对应的距离。 由于全维视图从中心点到向外辐射的每一个同心圆上距离相同，只需选取一条半径进行标定，即可确定其他半径上点对应距离信息。,全向视觉,34,研究内容,OpenCV下摄像头及其视频流的获取； 基本的图像预处理（图像消噪、直方图均衡化）； 运动目

20、标的检测与跟踪（色彩空间转换、Camshift目标跟踪算法）； 全景视图的水平柱面展开。,35,研究内容 -1,常见的全向反射镜面包括圆锥形镜面、球形镜面、椭球形镜面、抛物线镜面以及双曲线镜面等。采用双曲镜面构成的全向视觉系统。,PHILIPS SPC900NC 130万像素,36,设置VC6.0的环境，在编译时调用 OpenCV 的头文件 在 OpenCV 中使用模块 CVCAM 实现对摄像头和视频流的获取。,研究内容 -2,37,研究内容 -3,在OpenCV中采用线性滤波，实现图像噪声的消除。 直方图均衡化处理前后的图像对比，右图明显比左图层次丰富,图形滤波前与滤波后对比,38,研究内容

21、 -1,色彩表示空间的选择 RGB是一种应用比较广泛的颜色模型，与其他的颜色模型(CMY、YUV、HLS、HSV、HSI)能够比较方便地进行相互转换，RGB色彩模型很容易受到光照的影响。YUV、HLS、HSV和HSI色彩空间都是用两维来表示光谱，用第三维来表示色彩的强度。,YUV HSV HLS HIS,RGB,39,研究内容 -1,从RGB到HSV的转换,40,研究内容 -1,从RGB到HSI/HSV的转换,RGB to HSI,RGB to HSV,41,研究内容 -1,42,研究内容 -1,Camshift算法 Camshift算法，是Meanshift算法的修改，其基本原理是将跟踪目标

22、的色彩信息做为特征。,红球区域的直方图,程序运行窗口 选取红球为跟踪目标,反射投影窗体,43,研究内容 -1,红球从视野范围中消失 红球再次出现后被重新跟踪,44,研究内容 -1,图像解算-柱面展开后,Center 257 ，433 radius 216,原始全景图像,45,-大学生创新创业实践基地-,定位方法,RoboCup自主机器人视觉定位方法的发展总体上可概括为如下三个过程： 研究方法：从简单的几何推理到较为复杂的概率统计法的应用过程； 适用范围：从简单静态环境到复杂动态环境的扩展过程； 研究对象：从封闭式个体到分布式信息共享群体的系统过程。,Carnegie Mellon Univer

23、sity,46,-大学生创新创业实践基地-,传感器分类,A: 主动； P: 被动； PC: 本体感受； EC: 外感受,本体感受传感器测量系统的内部值，例如，电机速度、轮子负载、手臂关节的角速度等。 外感受传感器从机器人的环境获取信息，如距离测量、亮度、声音幅度等。 被动传感器测量进入传感器的周围环境的能量，例如温度传感器、CMOS摄像机。 主动传感器发射能量到环境，然后测量环境的反应，因其能与环境交互，因此它们往往具有较为优越的性能指标，例如轮子的正交编码器、超声传感器和激光测距仪。,47,Consider the traversing problem shown below：,-大学生创新

24、创业实践基地-,Note：diagonal movement is allowed,48,Navigating a terrain and finding the shortest path to a Goal location is one of the fundamental problems in path planning. While there are many approaches to this problem, one of the most common and widely known is the A Star search(A*).,-大学生创新创业实践基地-,A b

25、rute force approach start of with a square identify all the squares that surround it. move to the next square repeat this process -until the goal square is found.,49,Drawback： Computational burden Not always guarantee the best path,-大学生创新创业实践基地-,The key lies in： How to identifying the appropriate su

26、ccessor square?,50,Lets make an educated guess,-大学生创新创业实践基地-,For example if you know your target lies to the east, explore squares to the east of your current location.,51,-大学生创新创业实践基地-,Can you come up with of a better way of determining which square needs to be selected?,Now，we will discuss the A*

27、algorithm together.,52,-大学生创新创业实践基地-,Firstly: A* uses the distance between the current location and the target and moves to the square that has the smallest distance.,Q1: how to define the distance, that is to say whats it make up of？,secondly: Calculating the total cost F (n) = G (n) +H (n) for eac

28、h successor node, and selecting the node with the smallest cost F (n) as a successor.,WHERE, G (n) the distance between the father node and others around it. H (n) the distance to get from that node to the goal.,53,Determine the distance cost of H (n) ： Approach1：Manhattan Method H = 10*abs(currentX

29、-targetX) + abs(currentY-targetY) Approach2：Diagonal Shortcut xDistance = abs(currentX-targetX)yDistance = abs(currentY-targetY)if xDistance yDistance H = 14*yDistance + 10*(xDistance-yDistance)else H = 14*xDistance + 10*(yDistance-xDistance)end,-大学生创新创业实践基地-,54,-大学生创新创业实践基地-,The distance between tw

30、o nodes is simply determined by calculating the straight distance between the two nodes. Though this might not the true distance (given the fact that there are obstacles that need to be avoided), it should never overestimates the actual distance.,About the distance of H (n),55,-大学生创新创业实践基地-,FROM 1,1

31、1,21,3, There is no ambiguity, until reaches node 2,4,F(n) for 3,3 has been found to be the smallest between node 3,3 and 3,4,56,-大学生创新创业实践基地-,We have divided our search area into a square grid for simplifying the search area.,Simplify search area to a two dimensional array. Each item in the array r

32、epresents one of the squares on the grid.,Status of the squares is recorded as walkable or unwalkable.,57,-大学生创新创业实践基地-,Now we shall conduct a search to find the shortest path by following the steps:,begin at the starting point A and add it to an “open list” of squares to be considered; checking all

33、 the reachable squares adjacent to the starting point, ignoring squares with obstacle, and add them to the open list; drop the starting square A from your open list, and add it to a “closed list” of squares that you dont need to look at again for now.,58,-大学生创新创业实践基地-,the yellow square in the center

34、 is starting square. It has been added to the closed list. All of the adjacent squares are now on the open list of squares to be checked. Each has a pointer that points back to its parent node.,59,-大学生创新创业实践基地-,The method we use here is Manhattan method, where you calculate the total number of squar

35、es moved horizontally and vertically to reach the target square from the current square, ignoring diagonal movement.,The key to determining which squares to use when figuring out the path is the following equation: F = G + H Our path is generated by repeatedly going through our open list and choosin

36、g the square with the lowest F value.,60,-大学生创新创业实践基地-,61,-大学生创新创业实践基地-,we simply choose the lowest F value square from all those that are on the open list. We then do the following with the selected square:,Continuing the Search,将其从开放列表中移除，并加到封闭列表中。 检验所有的相邻方格，忽略那些不可通过的或者已经在封闭列表里的方格。如果这个相邻方格不在开放列表中，

37、就把它添加进去。并将当前选定方格设为新添方格的父方格。 如果某个相邻方格已经在开放列表中了,就看看有没有到达那个方格的更好的路径。如果不能，就不进行任何操作。,62,63,64,工业机器人是机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的应用前景。 机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机等学科领域，是一门跨学科综合技术。而机器人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械原理研究的主要内容

38、。,-大学生创新创业实践基地-,工业机器人,65,-大学生创新创业实践基地-,6自由度串联机器人,机器人采用串联式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，各关节采用伺服电机和步进电机混合驱动，如图所示。各关节轴线相互平行或垂直。连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。关节的传动采用模块化结构，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速器等多种传动结构配合实现。,66,圆锥齿轮传动,-大学生创新创业实践基地-,空间齿轮机构,这种齿轮的轮齿排列在圆锥体的表面上，按轮齿的形状，它可分为直齿圆锥齿轮（俗称伞

39、齿轮）和曲齿圆锥齿轮（俗称螺旋伞齿轮）。,67,同步齿型带传动,-大学生创新创业实践基地-,空间齿轮机构,同步齿型带传动是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，如图所示。与摩擦型带传动相比，同步带传动兼有带传动、链传动和齿轮传动的一些特点，与一般带传动相比具有以下特点:,传动比准确，同步带传动是啮合传动，工作时无滑动； 传动效率高，可达98%以上，节能效果明显； 不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小，所占空间小，重量轻，结构紧凑； 传动平稳，动态特性良好，能吸振，噪音小；,68,-大学生创新创业实践基地-,谐波齿轮传动由三个基本构件组成：,谐波齿轮传动,谐波发生器：是由

40、凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成， 随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）； 刚轮：是刚性的内齿轮； 柔轮：是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。,波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之为错齿运动，由于错齿运动，使减速器可以将输入的高速转动变为输出的低速转动。,空间齿轮机构,69,主要的控制信号： 步进脉冲信号 CP ：这是最重要的一路信号，控制卡发出此信号用来控制步进电机旋转，驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一个步距角，CP的频率和步进

41、电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到控制电机位置和速度的目的。,-大学生创新创业实践基地-,步进电机控制系统,方向电平信号 DIR ：控制卡发出此信号用来控制电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。,使能信号 EN ：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，此信号为选用信号。,70,交流伺服控制系统,71,关节机器人通常是由一系列连杆和相应的运动副组合而成的空间开式链。因此，机器人运动学描述的第一步，自然是描述这些连杆之间以及

42、它们和操作对象(工件或工具)之间的相对运动关系。假定这些连杆和运动副都是刚性的，描述刚体的位置和姿态(简称位姿)的方法是这样的：首先规定一个直角坐标系，相对于该坐标系，点的位置可以用3维列向量表示；刚体的方位可用33的旋转矩阵来表示，而44的齐次变换矩阵则可将刚体位置和姿态(位姿)的描述统一起来。,机器人坐标系,机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的三原则： 1、Z轴沿着第n个关节的运动轴； 2、X轴垂直于Z轴并指向离开Z轴的方向； 3、Y轴的方向按右手定则确定。,72,-大学生创新创业实践基地-,两个参数来描述一个连杆，即公共法线距离 和垂直于 所在平面内两轴的夹角 ； 另外两个参数来表示相邻两杆的关系，即两连杆的相对位置 和两连杆法线的夹角 。,连杆长度： 为连杆扭角： 两连杆距离： 两连杆夹角：,机器人坐标系,73,-大学生创新创业实践基地-,机器人坐标系,74,-大学生创新创业实践基地-,我们可以把齐次变换矩阵定义为这样一个4*4矩阵，该矩阵能把矢量从一个坐标系通过同时旋转和