第一章机器人技术 绪论

1、2020/9/15,1,机器人技术 绪论Introduction of Robotics,1. 1 机器人学的发展 12 机器人的特点、结构与分类 13 机器人学与人工智能 14 如何学好机器人技术,2020/9/15,2,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展 1.1.1机器人的由来 1）东汉、张衡发明的指南车 2）1768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器人 3）1920捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词 4）1950美国科幻作家Assimov,提出机器人三守则 5）1954美国人设计了第一台电子可编程机器人 6）1962美国GM公司使用全球第一台机器人Uni

2、mate,魏国马钧，生于扶风（今陕西扶风县），发明指南车、水转百戏、记里鼓车等,2020/9/15,3,写字玩偶 1773年，瑞士的钟表匠道罗斯父子连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐,2020/9/15,4,1954年，美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性,2020/9/15,5,南京工业大学自动化学院,6,1965年，约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人

3、。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。,南京工业大学自动化学院,7,1968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，不过控制它的计算机有一个房间那么大。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 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

4、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 1973年， 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。,南京工业大学自动化学院,8,1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线 1984年，英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。 1998年 ，丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制

5、造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。,南京工业大学自动化学院,9,1999年，日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一 2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球,南京工业大学自动化学院,10,第一个可编程机器人，1954,第一个工业机器人，1959,第一代,以传感器为标志，1965,第二代,第三代,智能机器人，1968，21世纪普及,马文明斯基，1956,操作型机器人,自动型

6、机器人,智能机器人,1965年左右研制，1990年左右普及,南京工业大学自动化学院,11,“机器人三原则”，阿西莫夫，科幻作家，1940 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。,2020/9/15,12,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展 1.1.2机器人的定义 美国、日本机器人协会、ISO定义不同 共同属性：1）象人或人的一部分，并模仿人的动作 2）具有智能或感觉与识别能力 3）是人制造的机器或机械电子装置,南京工业大学自动化学院,13,机器人的定义,粗略的说，机器人是自动执行工作的机器装置。机器人

7、可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。,南京工业大学自动化学院,14,机器人的定义,欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械。 日本认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。,南京工业大学自动化学院,15,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 森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。 森政弘又提出了用移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、作业性

8、、信息性、柔性、有限性等10个特性来表示机器人的形象。,南京工业大学自动化学院,16,机器人的定义,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 具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器； 3 具有平衡觉和固有觉的传感器。 强调机器人应当仿人，靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑完成统一指挥。,南京工业大学自动化学院,17,机器人的定义,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备

9、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” 机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合,2020/9/15,18,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展 1.1.3机器人学的进展 简单历史回顾 目前发展情况 1）机器人投资理论 2）日本成为机器人生产大国，美国为研究大国 3）机器人产业迅速发展 4）应用范围遍及各领域 5）机器人学兴起 6）机器人向智能化发展,2020/9/15,19,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.1机器人的主要特点-通用性和适应性 通用性versatility-可执

10、行不同功能和完成不同任务的能力 取决于其结构特点和承载能力 一般自由度越多，通用性越强 适应性adaptivity-主要指其对工作环境变化的适应能力 需具有（1）传感与测量环境变化的能力 （2）分析任务和执行操作规划的能力 （3）自动执行指令能力,2020/9/15,20,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.2机器人系统的结构 机器人系统由机械部分、环境测量、任务规划、控制器等四部分组成，结构如图1.1。,2020/9/15,21,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类,2020/9/15,22,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类

11、 1.2.3机器人的自由度 1）刚体的自由度 任何空间刚体具有6个自由度，即可任意运动。 2）机器人的自由度 机器人靠末端执行器工作，末端执行器具有6个自由度即可保证其灵活运动。3个位置、3个姿态自由度。图1.4,2020/9/15,23,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.3机器人的自由度 3）自由度与机动性 一般自由度越多，机器人越灵巧。,2020/9/15,24,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.4机器人的分类（考点） 按几何结构分:直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节球面坐标机器人。 按机器人控制分：非伺服机器人

12、、伺服机器人（点、轨迹） 按用途分：工业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器 人（地面、海洋、空中） 按机器智能分：一般机器人、智能机器人（传感机器人、交互 机器人、自主机器人） 按移动性分：固定机器人、移动机器人（轮式、履带、步行）,2020/9/15,25,Robotics 绪论,它主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起在底座上移动。机器人的工作包迹（区间）就形成一圆柱体。,2020/9/15,26,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.4机器人的分

13、类,2020/9/15,27,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 1.2.4机器人的分类,2020/9/15,28,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,29,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,30,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,31,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,32,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,33,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,34,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2020/9/15,35,Robotics 绪论,1.3机器人学与人工智能 1.3.1机器人学与人工智能的关系 1. 传感信息处理 2. 机器人规划