蔡自兴机器人学概述

1、Contentsffl Course ScheduleTop 10 Robotics News of 2008ffl Development of Roboticsffl Structure Feature，and Classification of Robotsffl Robotics and Al 1Ch. 1 Introduction1.1 Development of Robotics机器人学的发展1.1.1 Origin of Robotics 机器人的由来木牛流马？记里鼓车写字机器人人类长期以来的愿望：创造出一种像人一 样的机器来代替人类进行各种工作；1.1 Development

2、 of Robotics1.1.1 History of Robotics 机器人的历史1920年，捷克剧作家卡雷尔凯培克在幻想情节剧罗萨姆的万能机器人（Rossunfs 11.1 Development of Robotics31.1.1 History of RoboticsIsaac Asimovn being, to come to5U85蠢"二ISAAC ASIMOV The Day of the Mechanical Men prophrnc gi iMPr nr k finance AND THREATENING TOMORROW L ROBOT ai «vu

3、« co"Lrrr awn iiNAtiiibnrn1950年，美国科学幻想小说巨匠阿西摩夫在 小说我是机器人中，提岀了著名的“机器人三定律（Thiee L厂ma © alA robot except 會 e Firstven it by guldxistence with theL robot rr j protect d Law.1.1.1 History of Robotics 1962年，美国万能自动化公司(Unimation) 的第一台机器人 Unimate在美国 通用汽车公司投 入使用，标志着 第一代机器人的 诞生。1.1.1 History of R

4、obotics1.1.1 History of Robotics9加anol研:机:技:AS人方f职血於皋石耳妗屮第1J1.1.1 History of Robotics 1978年，美国Antenen ResearcU nimation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。lJ1.1 Development of Robotics7JI. 1丄1 History of Robotics 2002年丹麦iRobot公司推岀了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍，自动设计行进路线，还 能在电量不足时，自动驶向充电座。

5、Roomba是目 前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobotRoomba.VecmifH Clean ng Ro* 9LI Development of RoboticsProgrammingMicrosoftRobotics Studio,1.1.1 History of Robotics2006年6月，微软公司 推岀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。Sara MorganJ1.1 Development of Robotics191.1.2 Definition of Ro

6、botics 机器人的定义Definition 1机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器” 。(The ConciseOxford Dictionary, COD)Definition 2"A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks&

7、quot; 11.1 Development of Robotics10(RoboticIndustries Association, RIA)1.1.2 Definition of RoboticsDefinition 3#1.1 Development of Robotics#1.1 Development of Robotics工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。(JapanIndustrial Robot Association, JIRA)Definition 4机器人是“一种能够进行编

8、程并在自动控制下执行 某些操作和移动作业任务的机械装置”。(National Bureau of Standards, NBS)1.1.2 Definition of RoboticsDefinition 5“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能 力的多功能机械手，这种机械手具有儿个轴，能够 借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具 和专用装置，以执行种种任务”。国际标准组 织(ISO)Definition 6机器人(1)像人或人的上肢，并能模仿人的动作；(2)具有智力或感觉与识别能力；(3)是人造的 机器或机械电子装置。中国#1.1 Development of Robotics1

9、.1.3 Advances in Robotics 机器人学的进展20世纪70年代以来，机器人学的发展特点机器人偿还期(Payback period)理论促进对机器人产 业的投资；日本后来居上，成为“机器人王国”；机器人产业在全世界迅速发展；应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域；形成了新学科机器人学(Robotics)；机器人向智能化(Intellectual)方向发展。1.1 Development of Robotics13Estimated yearly shipments of industrial robot Asia/Australia Europe Americas 11.1

10、Development of Robotics14Estimated yearly supply of industrial robots at in Total World by main Industries 2006-2007incl. electronical componentsFigure Total World-7LI Development of RoboticsContentsffl Course ScheduleTop 10 Robotics News of 2008ffl Development of Roboticsffl Structure Feature，and C

11、lassification of Robotsffl Robotics and Al1.2 Featwres, Structwre and Classificatio of Robots机器人特点、结构与分类1.2.1 Main Features of Robots 通用性(Versatility)通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单 任务的实际能力，它取决于其几何特性和机械能力。 适应性(Adaptability)适应性是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器 人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执 行过程中所发生的没有预计到的环境变化。1.2 Features, Stru

12、cture and Classification of Robots1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots211.2.2 Structure of A Robot System 一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器机械手(Manipulator)关节式机械瑕抚1 1变連机构r执行装覽交亙 II作用1具有传动执行装置的机械，由臂、关节和 末端拭行装晝（工具等）构成。歼境外传器2图1.1机器人系统的基本结构1.2 Features, Structure a

13、nd Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System关节式机械瑕抚内1传1变連机构S -r器执行装覽1内传弱交亙 II作用机if人模?B 一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务 和控制器四个互相作用的部分组成1环境(Environment)环境即指导机器人所处的周围环境。环 境不仅由儿何条件(可达空间)所决定, 而且由环境和它所包含的每个事物的全 部自然特性所决定的。环境1.2 Features, Structure and Classification of Robots191.2.2 Structure of A Ro

14、bot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System控制器一厂 外传愚信思执行机构1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System图1.1机器人系统的基本结构 一个

15、机器人系统，一般由机械手、环境、任务 和控制器四个互相作用的部分组成1.2 Features, Structure and Classification of Robots211.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System关节式机械瑕抚内t传变速机构内传弱倍息执行装覽1控制器井算机)互用交作外传感伯息任务(Task)任务定义为环境的两种状态 (初始状态和目标状态)之间 的差别。必须用适当的程序设 计语言来

16、描述这些任务。执行机构f外管愚信息图1.1机器人系统的基本结构任勞控制器1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots231.2.2 Structure of A Robot System一个机器人系统: 和控制器四个互:按制A内传弱佰息外传器5用交作外传整值息歼境2控制器(Controller),机器人接收来自传感器的信号,对之进行数据处理，并按照预 存信息、机器人

17、的状态及其环 境情况等，产生出控制信号去 驱动机器人的各个关节。控制器内存主要存有：(1) 机器人动作模型(2) 环境模型(3) 任务程序(4) 控制算法图 1.1TI1.2 Features, Structure and Classification of Robots#(DOF) of Robots1.2.3 Degree of Freedom自由度1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2 Features, Stru

18、cture and Classification of Robots1.2.3 DOF of Robots DOF of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots图1.4机器人自由度举例1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2.4 Classification of RobotsClassified by Geometry Structure 柱面

19、坐标机器人(Cylindrical)图16柱而坐标机器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots图16柱而坐标机器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots底座回转提升底座回转 °几何结构图16柱而坐标机器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots251.2.4 Class

20、ification of Robots*Tasslfled by Structure球面坐标机器人(Spherical)伸缩旋转底座垂直回转B（底座旋转）图1.7球而坐标机器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots1. Classified by Geometry Structure关节式球面坐标机器人(Articulated)底座图1.8关节式球而机器人2（提升）3（底座旋转）几何结构1.2 Features, Structure and Classificatio

21、n of Robots271.2.4 Classification of Robots2. Classified by Control Mode非伺服机器人(Non-servo robots)按照预先编好的程序顺序进行工作图19有限顺序机器人方块图Classified by Control Mode1.2 Features, Structure and Classification of Robots291.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classif

22、ication of Robots伺服控制机器人(Servo-controlled robots)制量是1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots1. Classified by Input Message of Controller 日本工业机器人协会(JIRA)分类法手动操作手定序机器人变序机器人复演式机器人程控机器人智能机器人美国机器人协会（RIA）分类法把JIRA分类法中的后四种当作机 器人。3. Classified by Input Message of Co

23、ntroller法国工业机器人协会(French Association ofIndustrial Robotics, AFRI)分类法 A型：手控或遥控加工设备。 B型：具有预编工作周期的自动加工设备。C型：程序可编和伺服机器人，具有点位或连续路 径轨迹，称为第一代机器人。D型：能获取一定的环境数据，称为第二代机器人。1.2 Features, Structure and Classification of Robots331.2.4 Classification of Robots4. Classified by Intellectual Level一般机器人，不具有智能，只具有一般编程

24、能力和操作功能。智能机器人(Intellectual Robot),具有不同程度的智能 传感型机器人(Sensory Robot)«交互型机器人(Interactive Robot)自立型机器人(Autonomous Robot)1.2 Features. Structure and Classification of Robots 3 11.2.4 Classification of Robots5. Classified by Application工业机器人或产业机器人(Industry Robot)1.2 Features, Structure and Classificat

25、ion of Robots#1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots5. Classified by Application工业机器人或产业机器人(Industry Robot) 探索机器人(Exploration Robot)1.2 Featur

26、es, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots#1.2.4 Classification of Robots5. Classified by Application工业机器人嵩 - _探索机器人足服务机器人（#1.2 Featur

27、es. Structure and Classification of Robots1.2.4 Classification of Robots#1.2 Features. Structure and Classification of Robots1.2.4 Classification of Robots#1.2 Features. Structure and Classification of Robots11.2.4 Classification of Robots1.2 Features. Structure and Classification of Robots11.2.4 Cl

28、assification of Robotsplication1.2 Features. Structure and Classification of Robots1.2.4 Classification of Robots1.2.4 Classification of Robots=. 1.2.4 Classification of Robots6. Classified by Mobility足式Foot robotPedrail robot 1.2 Features. Structure and Classification of Robots固定式机器人（Fixed Rob 移动机器

29、人（Mobile轮式Wheeled robotContentsQ Course ScheduleTop 10 Robotics News of 2008Q Development of Robotics ffl Structure Feature，and Classifica仃on of Robotsffl Robotics and Al 1Ch. 1 Introduction381.3 Robotics and Al人工智能 Relationship Between Robotics and Al-机器人学的进一步发展需要人工智能基本原理的 指导，并采用各种人工智能技术；机器人学的出现与发展

30、为人工智能的发展产生了 新的推动力，并提供一个很好的试验与应用场所。 Al Research Topics in Robotics Sensor Information Processing Robot Planning Expert SystemNatural Language Understanding1.3.2 Research Fields of RoboticsSensor and Sensory System Drive, Modeling, and Control Automatic Planning Robot-used Computer System Application

31、Research 11.3 Robotics and Al401.3.3 Intelligent Robots 智能机器人智能机器人的控制系统主要组成:以知识为基础 的知识决策系统和信号识别与处理系统。图1.11 一种智能机器人系统典型方框图管艇机為人运动控制曹处理十目标理解*传处理411.3.4 Debate of Al and Its Influence to Robotics1. Main Academic Circles in Al 符号主义(Symbolicism)认为人工智能源于数理逻辑(Symbolic logic)；其原理主要为物理符号系统(即符号操作系统) 假设和有限合理性原

32、理；代表人物有纽厄尔(Newell)、肖(Shaw)、西蒙 (Simon)和尼尔逊(Nilsson)等；代表成果为专家系统(Expert System) o1. Main Academic Circles in Al连接主义 (Connectionism)认为人工智能源于仿生学(Bionics),特别是人脑模型 的研究；其原理主要为神经网络(Neural Network)及神经网络间的连接机制与学习算法;代表人物有Hopfield、鲁梅尔哈特(Rumelhait)等。行为主义(Actionism)认为人丄智能源于控制论(Cybernetics)；其原理为控制理论(Control Theory)

33、及感知一动作型控 制紊统；代表人物有布鲁克斯(Brooks)。1.3 Robotics and Al1.3.4 Debate of Al and Its Influence to Robotics2. Debate on Al Theory符号主义(Symbolicism)人的认知基元是符号，而且认知过程即符号操作过 程人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符号 系统，因此，我们就能够用计算机来模拟人的智能 行为，即用计算机的符号操作来模拟人的认知过程。人工智能的核心问题是知识表不、知识推理和知识 运用。|1.3 Robotics and Al442. Debate on Al Theory

34、连接主义 (Connectionism)人的思维基元是神经元；.它对物理符号系统假设持反对意见，认为人脑不同 于电脑，并提出连接主义的大脑工作模式。行为主义(Actionism)智能取决于感知和行动，提出智能行为的“感知一 动作”模式；智能不需要知识、不需要表示、不需要推理；人工 智能可以象人类智能一样逐步进化智能行为只能在现实世界中与周围环境交互作用而 表现出来。1.3 Robotics and Al453. Debate of Al and Its Influence to Robotics这些争论在机器人学上有所反映；在机器人学 上，人工智能各派思想能够“和睦共处”，不 存在排他性，甚至

35、可在一个机器人系统上同时 共存几个学派的思想。1.3 Robotics and AI1.4 Main Contents of the CourseIntroduction to Robotics: the origin and development ofRobotics; definition of a robot; feature, structure, andclassification of robots; relationship between Robotics and Al.Mathematical Foundations: Representation of position

36、andattitude; coordinate transformation; homogeneoustransformation; general rotation transformation.Kinematics of Manipulator: Representation of KineticEquation; Solving method of Kinetic Equation; Motion Analysis of PUMA 560.1.4 Main Contents of the Course471.4 Main Contents of the Course4. Manipula

37、tor Dynamics: Dynamics of a Rigid Body; Dynamic Equation of a Manipulator.5- Robot Control: Basic Principles of Robot Control; Position Control; Hybrid Position/Force Control; Intelligent Control.6. Robot Sensors: Internal Sensors; External Sensors;Considerations in Robot Sensor Application 7. Trajectory Planning: General Considerations on Trajectory Planning; Interpolated Calculation of Joint Trajector