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1、1 清華大學(xué)自動化系 石宗英 2一機器人簡介 發(fā)展 定義和分類 涉及的學(xué)科和技術(shù)二仿人機器人研究及系統(tǒng)開發(fā) 性能設(shè)計 結(jié)構(gòu)方案 控制系統(tǒng)設(shè)計31.1.機器人的發(fā)展概況機器人的發(fā)展概況“Robot”Robot”的出現(xiàn)的出現(xiàn) v1921，機器人(Robot)一詞最早出現(xiàn)于捷克斯洛伐克劇作家Karel Capek的劇本Rossums Universal Robots中.劇中把捷克語“Robota” (農(nóng)奴)寫成“Robot”(機器人)v1942年，著名科普讀物作家Isaac Asimov在科幻小說流浪者中提出了機器人學(xué)(Robotics)一詞，預(yù)測了機器人所涉及的科學(xué)領(lǐng)域和存在的問題。4v1950年

2、，Isaac Asimov在科幻小說I Robot中，不僅描寫了機器人機械方面的具體內(nèi)容，而且描述了它在智能方面的內(nèi)容，如機器人如何進行選擇、決策等。并提出了有名的“機器人三原則”：1.1.機器人不可傷害人或眼看人將遇害而袖手機器人不可傷害人或眼看人將遇害而袖手旁觀。旁觀。2.2.機器人必須服從人的命令，但若命令的內(nèi)機器人必須服從人的命令，但若命令的內(nèi)容違反容違反1 1時，則不受此約束。時，則不受此約束。3.3.只要不違反上述兩條，機器人必須自己保只要不違反上述兩條，機器人必須自己保衛(wèi)自己。衛(wèi)自己。5機器人的起源機器人的起源 機器人起源于遙控操作器和數(shù)控機床 v二戰(zhàn)期間,為處理放射性材料研制出

3、了遙控的主從式操作器 (連桿機構(gòu))。 v1949年,由于研制新型飛機時零件加工的需要,美國空軍發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。v1953年,MIT研制出數(shù)控銑床(伺服技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合) 。6機器人的出現(xiàn)及發(fā)展機器人的出現(xiàn)及發(fā)展v1954,George Devol( 美)提出機器人不一定要象人的樣子,但要能做人的工作。他具體描述了如何建造能控制的機械手,并申請了專利 v1961, George Devol研制出第一臺采用伺服控制技術(shù)的工業(yè)機器人。它是一臺將遙控操作器的連桿機構(gòu)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來的設(shè)備 v60年代，工業(yè)機器人進入成長期,機器人開始向?qū)嵱没l(fā)展,并被用于焊接和噴涂作業(yè)中 l1967, 日

4、本的川崎重工購買了美國的專利許可,機器人遠渡重洋來到日本 7v70年代，出現(xiàn)了更多的機器人商品，機器人進入實用化時代。日本成為“機器人王國”l1974年，Cincinati Milacron 推出了第一臺計算機控制的工業(yè)機器人T3，它可以舉起100磅重的物體，并可跟蹤在裝配線上的工件 v80年代 ，工業(yè)機器人進入普及時代,開始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用,推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 l1982年，研制出第一臺示教再現(xiàn)機器人 v90年代初,工業(yè)機器人的生產(chǎn)與需求進入高潮期。l1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機器人。v90年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動作能力的智能機器人,產(chǎn)生了智能機器或機器人化

5、機器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,機器人的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大82. 2. （工業(yè)）機器人的定義（工業(yè)）機器人的定義 機器人是機構(gòu)學(xué)、控制論、電子技術(shù)及計算機等現(xiàn)代科學(xué)綜合應(yīng)用的產(chǎn)物，目前尚處于發(fā)展階段，關(guān)于機器人的一些概念、定義，仍處于不斷充實、演變之中。v美國機器人協(xié)會(RIA)的定義 機器人是“一種用于移動一種用于移動各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的, ,通過程序化的動通過程序化的動作來執(zhí)行各種任務(wù)作來執(zhí)行各種任務(wù). .并具有編程能力的多功能操作機并具有編程能力的多功能操作機” 。v國際標準化組織(ISO)的定義 “機器人是一種自動的、位機器人是一種自動

6、的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機。這種操作機置可控的、具有編程能力的多功能操作機。這種操作機具有多個軸具有多個軸, ,能夠借助可編程操作來處理各種材料、零部能夠借助可編程操作來處理各種材料、零部件、工具和專用裝置件、工具和專用裝置, ,以執(zhí)行各種任務(wù)以執(zhí)行各種任務(wù)”。9v日本工業(yè)機器人協(xié)會的定義 “工業(yè)機器人是在三維工業(yè)機器人是在三維空間具有類似人體上肢動作機能及結(jié)構(gòu)空間具有類似人體上肢動作機能及結(jié)構(gòu), ,并能完成并能完成復(fù)雜空間動作的、多自由度的自動機械復(fù)雜空間動作的、多自由度的自動機械” 。v中國機械工業(yè)部(1986)的定義 “工業(yè)機器人是一種工業(yè)機器人是一種能自動定位、可重復(fù)編

7、程的多功能、多自由度的操能自動定位、可重復(fù)編程的多功能、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或夾持工具作機。它能搬運材料、零件或夾持工具, ,用以完成用以完成各種作業(yè)各種作業(yè)” 。v智能機器人智能機器人,“,“能根據(jù)感覺機能和認知機能來自行能根據(jù)感覺機能和認知機能來自行決定行動的機器人決定行動的機器人”10 總括起來可以認為，機器人是具有以下特點的機電一體自動裝置： v具有高度靈活性的多功能機電裝置，可通過改編程序獲得靈活性。簡單地更換端部工具實現(xiàn)多種功能。 v具有移動自身、操作對象的機構(gòu)，能實現(xiàn)人手或腳的某些基本功能。 v具有某些類似于人的智能。有一定感知，能識別環(huán)境及操作對象。具有理解指令

8、，適應(yīng)環(huán)境，規(guī)劃作業(yè)操作過程的能力。 111213141516173. 機器人分類機器人分類表1.按運動機構(gòu)分類名名 稱稱 特特 征征 說說 明明 直角坐標型機器人 機器人的手臂按直角坐標形式配置，即通過三個相互垂直軸線上的移動來改變手部的空間位置圓柱坐標型機器人 機器人的手臂按圓柱坐標形式配置，即通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手部空間位置的改變 球坐標型機器人 機器人的手臂接球坐標形式配置，其手臂的運動由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動所組成。 關(guān)節(jié)型機器人 機器人的手臂按類似人的腰部及手臂形式配置，其運動由前后的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成。移動機器人機座不固定的機器人，可分為輪式，履帶式和足式18v剛體的自

9、由度剛體的自由度：確定物體在坐標系中位姿的獨立坐標運動數(shù)目v運動副運動副：兩個構(gòu)件組成相對運動的聯(lián)接 v機器人的自由度數(shù)自由度數(shù)：機器人執(zhí)行分系統(tǒng)所有運動副自由度數(shù)的總和（一般不包括手部自由度數(shù)剛體的自由度0XYZ1920表2.按技術(shù)發(fā)展進程分類名名 稱稱 特特 征征 說說 明明 第一代機器人（可編程及示教再現(xiàn)）按事先示教或編程的位置和姿態(tài)進行重復(fù)作業(yè)的機器人。（實用，主要用于搬運，噴漆，點焊等）第二代機器人（感知機器人）帶有如視覺觸覺等外部傳感器，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能?？赏瓿奢^為復(fù)雜的作業(yè)，如裝配，檢查等第三代機器人（智能機器人）除具有外部感覺感知功能，還具有一定決策和規(guī)

10、劃的能力，從而可適應(yīng)環(huán)境的變化而自主地工作。21表3.按控制方式分類名 稱特 征 說 明順序控制機器人按照預(yù)先假定的信息（順序、條件、空位等）逐步進行各步驟動作的機器人示教再現(xiàn)機器人通過示教操作向機器人傳授順序、條件、位置和其它信息，然后機器人能按照所存貯的信息，反復(fù)再現(xiàn)示教動作?？煽剀壽E型機器人（數(shù)控機器人）以機器人語言為工具，采用離線方式完成機器人運動及操作的編程。使用者只需給定作業(yè)參數(shù)，機器人即能規(guī)劃出全部控制程序。適應(yīng)型機器人能根據(jù)傳感器反饋信息調(diào)整其運動軌跡和操作智能機器人能根據(jù)感覺機能和認知機能來自行決定行動的機器人22表4.按運動方式分名 稱特 征 說 明點位控制型（PTP） 機

11、器人受控運動方式為自一點位目標移向另一點位目標，只在目標點上完成操作連續(xù)控制型（CP）機器人終端按預(yù)期軌跡和速度運動23表5.按驅(qū)動方式分名名 稱稱特特 征征 說說 明明氣動機器人以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但工作速度的穩(wěn)定性差等。液壓傳動機器人以液壓方式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，其傳動平穩(wěn)、動作靈敏、出力大，但要求密封性較高。電動機器人采用電動方式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，常用的有步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動和交流驅(qū)動，其控制方法靈活、結(jié)構(gòu)緊湊簡單。24表6 .按負載能力及工作空間范圍分名名 稱稱特特 征征 說說 明明超大型機器人 可搬重量為1t以上的工業(yè)機器人大型機器人可搬重量為100kg

12、1t,動作范圍為10 以上的工業(yè)機器人中型機器人可搬重量為10100kg，動作范圍為110 的工業(yè)機器人小型機器人可搬重量為0.l10kg，動作范圍為0.l10 的機器人超小型機器人 可搬重量小于0.1kg動作范圍小于0.1 的機器人25表7.按完成功能分類名名 稱稱特特 征征 說說 明明操作機器人模仿人手和手臂的動作，完成搬運、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢驗、裝配等工藝操作，絕大多數(shù)目前的工業(yè)機器人屬此類。移動機器人工業(yè)生產(chǎn)中輪式機器人和履帶式機器人，可完成運輸及上下料等任務(wù)，還有足式、蠕動等機器人。264.非制造環(huán)境下的機器人概念及分類非制造環(huán)境下的機器人概念及分類非制造環(huán)境下的機器人定義和

13、特點非制造環(huán)境下的機器人定義和特點v定義：非制造環(huán)境下的機器人涵蓋了除工業(yè)機器人外的所有其它類型的機器人 v特點：非制造環(huán)境下的機器人除具有工業(yè)機器人的基本屬性和使用特點外，具有比工業(yè)機器人適應(yīng)面更廣、自動化和智能化更高、對工作環(huán)境的適應(yīng)能力更強、操作功能更復(fù)雜、以及能滿足特殊要求等特性。27非制造環(huán)境下的機器人分類非制造環(huán)境下的機器人分類 表8.按應(yīng)用領(lǐng)域分類名 稱特 征 說 明服務(wù)機器人指能在人類生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中代替人的工作, 從事家庭服務(wù)和社會服務(wù)的機器人，要求它能更完美的在人生活的環(huán)境中與人共處軍用機器人滿足各種國防和軍事用途的機器人，一般要求它具有遙控、多操作、移動、感知和較高

14、的智能空間機器人用于空間作業(yè)的機器人，具有功率重量比大，能在失重狀態(tài)下代替人完成任務(wù)水下機器人在水下作業(yè)的機器人，具有足夠的抗壓能力和密封性能，可實現(xiàn)有人或無人操作醫(yī)療機器人能完成各種醫(yī)療操作和康復(fù)治療的機器人，具有高可靠性、無污染操作等特點28表9.按特征分類名 稱特 征 說 明機器人化機器基于機器人技術(shù)，為滿足現(xiàn)實生產(chǎn)對自動化機器的特殊需求，研制的新的機器系統(tǒng)，它具有機器人的特征，采用了各種機器人技術(shù)以實現(xiàn)機器的功能。微型機器人微機器人分為微型機器人和微操作機器人。微型機器人是指外形很小(不大于1cm3),便于進入微小空間進行可控操作的微型機械。微操作機器人的外形尺寸未必很小,但其操作尺寸

15、很小,位移為微米、亞微米級高精度的機械。仿生機器人模仿各種生物的動作和功能的機器人擬人機器人在形狀和動作，以及智能水平上與人類似的機器人，雙足步行實現(xiàn)移動功能是它的主要特征飛行機器人無人飛行器29我國第一臺機器人化機器-虛擬軸機床（清華制造所）30 掃雷輪式移動機器人 無人移動偵察車31水下機器人32Rocky7(美國噴氣動力實驗室)(其簡化型號“索杰納”曾于1997年成功登陸火星）33 月球登陸車錄像34履帶式移動機器人35農(nóng)用采摘機器人36爬壁機器人 37導(dǎo)盲機器人38足球機器人39打球機器人錄像40靈巧手41電子寵物 AIBO 42 四足機器人 八足機器人43 MIT研制的擬人機器人上肢

16、 英國的氣囊驅(qū)動擬人機器人44 Pioneer HITBWR- THBIP- (國防科大2000) (哈工大1995) （清華） 45Sony SDR-3X Honda ASIMO MIT M2 (2001) (2001) (2000)465. 機器人研究涉及的理論和技術(shù)機器人研究涉及的理論和技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域涉及的學(xué)科領(lǐng)域v 機器人是一個多學(xué)科和技術(shù)交叉和結(jié)合的綜合高技術(shù)領(lǐng)域。從某種意義上講,一個國家機器人技術(shù)水平的高低反映了這個國家綜合技術(shù)實力的高低。v智能機器人是具有感知、思維和行動功能的機器,是機構(gòu)學(xué)、測試技術(shù)、制造技術(shù)、自動控制、計算機、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、

17、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。47涉及的理論和技術(shù)涉及的理論和技術(shù)v基礎(chǔ)理論（1）機器人分析和設(shè)計理論，包括運動學(xué)和動力學(xué)分析、運動規(guī)劃、機器人優(yōu)化設(shè)計等。（3）機器人仿生學(xué)，仿生運動和動力學(xué)、仿生機構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理論、仿生器件設(shè)計和制造等（4）機器人系統(tǒng)理論，多機器人系統(tǒng)理論、機器人-人融合、以及機器人與其它機器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和交互。（5）微機器人學(xué)，微機器人的分析、設(shè)計、制造和控制等理論方法。48v機器人技術(shù)： 機器人制造技術(shù)、操作和執(zhí)行技術(shù)、驅(qū)動和控制技術(shù)、檢測和感知技術(shù)、機器人智能技術(shù)、實驗和評價技術(shù)、人機交互和融合技術(shù)、通訊技術(shù)、機器人的能源和通訊技術(shù)、技術(shù)規(guī)范和標準等。 機器

18、人智能控制是控制理論，優(yōu)化技術(shù)及人工機器人智能控制是控制理論，優(yōu)化技術(shù)及人工智能綜合應(yīng)用的產(chǎn)物智能綜合應(yīng)用的產(chǎn)物49機器人的未來技術(shù)發(fā)展方向機器人的未來技術(shù)發(fā)展方向 提高機器人的智能化、機動性、可靠和安全性、以及與人類環(huán)境的完美的融入性。追求的主要目標是“融入人類的生活，和人類一起協(xié)同工作。從事一些人類無法從事的工作，以更大的靈活性給人類社會帶來更多的價值v智能機器人的發(fā)展v微型機器人發(fā)展v新型機器人關(guān)鍵器件技術(shù)的發(fā)展v機器人專項技術(shù)的發(fā)展50 研制自主式擬人機器人，同時并行開展基礎(chǔ)理論研究和樣機研制。包括三個分項目：q 擬人機器人步行理論研究及其樣機步行載體分系統(tǒng)開發(fā) q擬人機器人的感知、能

19、源和通訊及操作技術(shù)研究及其樣機分系統(tǒng)開發(fā) q擬人機器人的智能和控制理論研究及其樣機分系統(tǒng)開發(fā) 51研究內(nèi)容：自主式擬人機器人基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究v擬人機器人的機構(gòu)分析和綜合v擬人機器人的動靜態(tài)平衡和運動控制理論及其技術(shù)v擬人機器人仿生學(xué)v擬人機器人驅(qū)動、關(guān)節(jié)和檢測等關(guān)鍵件的設(shè)計理論v擬人機器人的材料技術(shù)v擬人機器人的制造加工技術(shù)52v擬人機器人的制造加工技術(shù)v擬人機器人感知和檢測及信息處理技術(shù)v擬人機器人動力和通訊技術(shù)v擬人機器人人工智能和計算機控制理論v擬人機器人智能故障診斷技術(shù)v擬人機器人的數(shù)字化技術(shù)53自主式擬人機器人樣機研制 v擬人機器人功能和性能設(shè)計 v擬人機器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計v驅(qū)動

20、、關(guān)節(jié)、下肢和機體骨架部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造v手部和頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造v擬人機器人動靜平衡系統(tǒng)及其器件設(shè)計和制造v擬人機器人動力和通訊系統(tǒng)設(shè)計和制造v擬人機器人感知系統(tǒng)及其檢測原器件設(shè)計和制造v關(guān)節(jié)伺服運動控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)v擬人機器人計算機智能系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)v擬人機器人樣機技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)54性能設(shè)計性能設(shè)計第一步的工作就是分析人類兩足步行的行走機理，建立起行走的模型；相關(guān)課題包括：v與行走相關(guān)的腿部關(guān)節(jié)功能v腿部關(guān)節(jié)的定位v腿部關(guān)節(jié)的活動范圍v腿的尺寸、重量、質(zhì)心v行走時，腿部關(guān)節(jié)所受到的力矩v與行走相關(guān)的傳感器v行走時地面對腿部關(guān)節(jié)的沖擊55人體的運動能力人體的運動能力 對于普通人而言，在

21、沒有經(jīng)過專業(yè)的訓(xùn)練的情況下，可以擁有下面的運動能力 v步行： 步長：70-80厘米 步頻：100-120步/分 步速：4-6千米/小時 v慢跑： 步長：100-120厘米 步頻：150-200步/分 步速：9-15千米 56首先實現(xiàn)靜態(tài)行走，通過研究行走過程中身體各個部位的協(xié)調(diào)作用，加強機器人自身的平衡控制能力，進一步達到動態(tài)行走要求，實現(xiàn)動態(tài)行走。將一些視覺系統(tǒng)，電源等部件安裝到行走的載體上。結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能化和擬人化，特別是外形的友好性的改進、重量的減輕、工作時間的延長等 。57結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案腿部自由度分配v髖部和踝部各設(shè)置2個自由度，可以使得機器人在不平的地面上站立；髖部再增加一個扭轉(zhuǎn)自

22、由度，可以改變行走的方向；踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可以使得腳板在不規(guī)則的的表面落地，六個自由度的腿可以實現(xiàn)上面的功能。但是，步行的突然不連續(xù)性和跨步會造成重大的障礙，所以在膝關(guān)節(jié)上加上一個自由度，可以方便的上下臺階。所以從功能上考慮一個比較完善的腿部自由度配置是每條腿上7個自由度。v本田的P2P3系列，都是在腿上設(shè)計了六個自由度，其中髖部3個，踝部2個，膝關(guān)節(jié)1個58手臂自由度分配P2P3系列機器人。 肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)各3個自由度，肘關(guān)節(jié)一個自由度 本田的擬人機器人只是可以用手完成使用扳手，抓持物體，所以只是涉及兩個手部的自由度。然而，早稻田大學(xué)的WABOT2可以彈奏鋼琴，手部的自由度要豐富一些

23、。 59控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計與控制相關(guān)的機構(gòu)設(shè)計與控制相關(guān)的機構(gòu)設(shè)計 (1)關(guān)節(jié)分布 (2)傳感器 腿：6*2=12 DOF 攝象機：2 hip: 3 DOF(P、R、Y) 傾斜角傳感器：1 (光纖陀螺） knee:1 DOF(P) 軸力傳感器：4 （腳、手腕） ankle: 2DOF(P、R) 臂：7*2=14 DOF shoulder:3DOF (P、R、Y) elbow: 1DOF(P) waist: 3DOF (P、R、Y) 手： 2 DOF 60 機器人的傳感器主要分為內(nèi)傳感器（主要測量機器人各個關(guān)節(jié)和其它部件的位置、速度、加速度，用于控制機器人的運動），如位置、角度傳感器，速度

24、和角速度傳感器，加速度傳感器，姿態(tài)傳感器等；外感受器主要是用來感知外界的各種刺激，獲取外界環(huán)境狀況的傳感器，包括視覺、觸覺、力覺等。以上只列出了外傳感器。61人工智能層控制中樞層控制信號輸出層62機器人控制系統(tǒng)分為三層：1.人工智能層： 進行圖像信息處理，向下一層發(fā)出行為指令。2.控制中樞層： 接收上一級的行為指令，進行控制及協(xié)調(diào)運 算，向下一級發(fā)送控制命令。3.控制信號輸出層： 接收控制中樞層的指令，向伺服系統(tǒng)發(fā)送具 體驅(qū)動信號。63控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1Radio modemworkstation腿運動控制(PMAC)手臂控制(PMAC)主板協(xié)調(diào)視覺處理頸及camera的控制其它關(guān)節(jié)控制(P

25、MAC)通訊或總線六軸力傳感器(踝)接觸開關(guān)(腳底)接近傳感器(腳底)陀螺(俯仰、橫滾)六軸力傳感器(腕)64控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2工作站筆記本camera1camera2USB1USB2PC-104PC-104CAN卡CAN卡CAN接口伺服控制CPU驅(qū)動CAN接口伺服控制CPU驅(qū)動motormotorCAN總線CAN總線ethernet65嵌入式計算機PC104：長:90mm寬:96mm高:15mm66CAN (Controller Area Network)CAN (Controller Area Network) 屬于現(xiàn)場總線范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),有如下特點：v多主方式工作v網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級,可滿足不同的實時要求v非破壞性總線仲裁技術(shù),v通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù),無需專門調(diào)度v通信速率最高可達Mbpsv目前可以達到110個CANv傳輸介質(zhì)可選用雙絞線，同軸電纜或光纖 6768 MIT跳躍機器人錄像跳躍拉車69ASIMO步行機器人錄像步行臺階斜坡轉(zhuǎn)彎70謝 謝 ！