机器人及其相关技术

1、机器人及其相关技术机器人及其相关技术 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院主主 要要 内内 容容 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 自机器人问世以来自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为日本学者认为“机器人就是机器人就是任何高级的自动机械任何高级的自动机械”，我国科学家对机器人的定义是我国科学家对机器人的定义是：“机机器人是器人是1 1种自动化的

2、机器种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或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生物相似的智能能力，如感知能力如感知能力、规划能力、动作能力和协规划能力、动作能力和协同能力同能力，是是一一种具有高度灵活性的自动化机器种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国联合国标准化组织采纳了美国机器人协会机器人协会（RIARIA：Robot Institute of AmericaRobot Institute of America）于于19791979年给年给机器人下的定义机器人下的定义：“一

3、一种可编程和多功能的种可编程和多功能的，用来搬运材料、用来搬运材料、零件、工具的操作机零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。和可编程动作的专门系统。”概括说来概括说来：机器人是靠自身动力机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。和控制能力来实现各种功能的一种机器。一、机器人的定义及其发展一、机器人的定义及其发展 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院机器人的发展机器人的发展到目前为止，机器人技术的发展过程大致可以分为以下到目前为止，机器人技术的发展过程大致可以分为以下3 3个阶段。个阶段。 第一代

4、为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教给第一代为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教给它们的程序进行重复工作。它们的程序进行重复工作。19591959年美国人英格伯格和德沃尔制造的世界上第一台工业机器人就属于示教年美国人英格伯格和德沃尔制造的世界上第一台工业机器人就属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用示教控制再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用示教控制盒发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作；盒发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作；第二代机器人第二代机器人(

5、20(20世纪世纪7070年代年代) )是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容，即所谓的程机器人，其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容，即所谓的“知知觉判断机器人觉判断机器人； 第三代机器人第三代机器人(20(20世纪世纪8080年代中期以后年代中期以后) )是智能机器人，这种机器人带有是智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。的

6、环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。 智能机器人的研究在计算机技术、机器人技术和人工智能理论的推动下发智能机器人的研究在计算机技术、机器人技术和人工智能理论的推动下发展迅速，逐渐成为机器人技术的研究热点和主导方向。展迅速，逐渐成为机器人技术的研究热点和主导方向。返返回回 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术（二）、关键技术及其简介（二）、关键技术及其简介 1 1多传感器信息融合多传感器信息融合技术技术2导航与定位导航与定位3路径规划路径规划4机器人视觉机器人视觉 5智能控制智能控制6人机接口技术人机接口技术（一）、机器人的分类（

7、一）、机器人的分类 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院1按用途分 工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。（一）、机器人的分类（一）、机器人的分类 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术2按主要功能分操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成运输，上下料等工作。 信息机器人：主要指以计算机系统为基础的智能行为模拟装置。人机机器人：机器人和真人之间构成一个闭环系统。如假肢机器人。3其他分类方式

8、（一）、机器人的分类（一）、机器人的分类 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性，消消除信息的不确定性除信息的不确定性，提高信息的可靠性。融合后的多传感器提高信息的可靠性。融合后的多传感器信息具有以下特性信息具有以下特性: :冗余性、互补性、实时性和低成本性。冗余性、互补性、实时性和低成本性

9、。 目 前 多 传 感 器 信息融合 方 法 主 要 有 贝 叶 斯 估 计 、目 前 多 传 感 器 信息融合 方 法 主 要 有 贝 叶 斯 估 计 、Dempster-ShaferDempster-Shafer理论、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等理论、卡尔曼滤波、神经网络、小波变换等。1 1多传感器信息融合多传感器信息融合技术技术 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术（二）、关键技术及其简介（二）、关键技术及其简介 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术 在机器人系统中在机器人系统中，自主导航是一项核心技术自主导航是一项核心技术

10、，是机器人研是机器人研究领域的重点和难点问题。导航的基本任务有究领域的重点和难点问题。导航的基本任务有3 3点点：（：（1 1）基于基于环境理解的全局定位环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解通过环境中景物的理解，识别人为路标识别人为路标或具体的实物或具体的实物，以完成对机器人的定位以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材为路径规划提供素材；（；（2 2）目标识别和障碍物检测目标识别和障碍物检测：实时对障碍物或特定目标进实时对障碍物或特定目标进行检测和识别行检测和识别: :，提高控制系统的稳定性提高控制系统的稳定性；（；（3 3）安全保护安全保护：能能对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作

11、出分析并避免对对机器人工作环境中出现的障碍和移动物体作出分析并避免对机器人造成的损伤。机器人造成的损伤。2 2导航与定位导航与定位 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术 路径规划技术是机器人研究领域的路径规划技术是机器人研究领域的1 1个重要分支。最优路径个重要分支。最优路径规划就是依据某个或某些优化准则规划就是依据某个或某些优化准则( (如工作代价最小、行走路线如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等最短、行走时间最短等),),在机器人工作空间中找到在机器人工作空间中找到1 1条从起始状条从起始状态到态到目标状态、可以避开障碍物的最

12、优路径。目标状态、可以避开障碍物的最优路径。3 3路径规划路径规划 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术 视觉系统是自主机器人的重要组成部分视觉系统是自主机器人的重要组成部分，一般由摄像机、图像采一般由摄像机、图像采集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示处理和分析、输出和显示，核心任务是特征提取、图像分割和图像辨核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。而如何精确高效的处理视觉信息是视觉系统的关键问题。目前视识。而如何精确高效的处理视觉信

13、息是视觉系统的关键问题。目前视觉信息处理逐步细化觉信息处理逐步细化, ,、，、，包括视觉信息的压缩和滤波、环境和障碍包括视觉信息的压缩和滤波、环境和障碍物检测、特定环境标志的识别、三维信息感知与处理等。其中环境和物检测、特定环境标志的识别、三维信息感知与处理等。其中环境和障碍物检测是视觉信息处理中最重要、也是最困难的过程。障碍物检测是视觉信息处理中最重要、也是最困难的过程。4 4机器人视觉机器人视觉 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术5 5智能控制智能控制 机器人的智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、智能控制技机器人的智能控制方法有模

14、糊控制、神经网络控制、智能控制技术的融合术的融合（模糊控制和变结构控制的融合模糊控制和变结构控制的融合；神经网络和变结构控制的神经网络和变结构控制的融合融合；模糊控制和神经网络控制的融合模糊控制和神经网络控制的融合；智能融合技术还包括基于遗智能融合技术还包括基于遗传算法的模糊控制方法传算法的模糊控制方法）等。等。 河北工业大学河北工业大学 机械工程学院机械工程学院 二、机器人的关键技术二、机器人的关键技术6 6人机接口技术人机接口技术 人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标流。为了实现这一目标, ,除了最基本的要求机器人控制器除了最基本的要求机器人控制器有有1 1个友好的、灵活方便的人机界面之外个友好的、灵活方便的人机界面之外, ,还要求计算机能还要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达够看懂文字、听懂语言、说话表达, ,甚至能够进行不同语甚至能够进行不同语言之间的翻译言之间的翻译, ,