基于机器人的算法设计

1、基于机器人的算法设计基于机器人的算法设计Algorithm design based on Robot1授课教师：温秀平授课教师：温秀平Algorithm design based on Robot 教学进度安排章节教学内容教学内容教学时数教学方式第1章绪论绪论2讲授第2章数学及控制理论基础知识数学及控制理论基础知识2讲授第3章机器人的运动学与动力学模机器人的运动学与动力学模型型4讲授第4章机器人的机器人的PID控制控制2讲授第5章机器人的鲁棒控制机器人的鲁棒控制2讲授第6章机器人的模糊控制机器人的模糊控制2讲授第7章机器人的自适应控制机器人的自适应控制2讲授第8章机器人的路径规划机器人的路径

2、规划2讲授2Algorithm design based on Robot3Ch. 1 Introduction第第1 1章章 绪绪 论论Ch. 1 Introduction4Ch. 1 Introduction5Ch. 1 Introduction主要内容 机器人的起源 机器人的定义 机器人系统的特点 机器人系统的构成 机器人的分类 机器人的研究现状及应用情况 机器人的未来发展趋势 机器人领域的研究机构和专家6Ch. 1 Introduction 机器人的起源机器人起源于3000多年前。早期的机器人有艺伎、指南车、写字偶人、绘图偶人等。“机器人”存在于多种语言和文字当中（英语robot，俄语

3、、德语等）第一代机器人诞生标志：1962年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司投入使用。7Ch. 1 Introduction 机器人的定义英国简明牛津词典的定义：机器人是“貌似人的自动机，具有智力和顺从于人的但不具人格的机器”。（理想的机器人）美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手”。（偏重于工业机器人）美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编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。国际标准组织（ISO

4、）的定义：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，这种机械手具有几个轴，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。8Ch. 1 Introduction关于我国机器人的定义： （1）中国大百科全书对机器人的定义 机器人是一种能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。 （2）我国科学家对机器人的定义 机器人是一种自动化的机器，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。各种定义的共同之处： （1）是一种机器 （2）像人，模仿人，具有智力、感觉与识别能

5、力 机器人的定义9Ch. 1 Introduction10Ch. 1 Introduction适应性: 主要是适应环境的变化。非线性性: 非线性是指两个变量间的关系，是不成简单比例（即线性）关系的。不确定性: 是指事先不能准确知道某个事件或某种决策的结果。时变性: 随时间变化的特性。 机器人系统的特点 机器人系统的构成传感器控制器执行机构包括机器人的手，足，臂，关节等，是完成各项任务的重要部分是机器人获取环境信息的工具，如视觉，听觉等是机器人的核心，控制机器人的运动，像人的大脑获取信息获取信息发出指令发出指令11Ch. 1 Introduction 机器人的分类 机器人的分类方法很多。按机械手

6、的几何结构来分 包括柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节式球面坐标机器人按发展阶段来分 第一代机器人： 可编程、示教再现工业机器人； 第二代机器人： 装备有一定的传感装置，能获取操作对象的简单信息，通过计算机的处理能作出简单的推理和反馈； 第三代机器人： 具有高度适应性的自治机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策。12Ch. 1 Introduction按机器人的智能程度来分一般机器人： 不具有智能，只具有一般编程能力和操作能力；智能机器人： 按智能程度又可分为传感型机器人、交互型机器人、自立型机器人。 机器人的分类按机器人的用途来分工业机器人： 包括焊接、喷漆、搬运等机器人

7、探索机器人： 包括水下机器人、空间机器人服务机器人： 包括医学机器人、娱乐机器人、家用机器人、导游机器人军用机器人： 包括空军、海军、陆军机器人13Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况 机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 机器人朝着高智能化方向发展。14Ch. 1 Introduction工业机器人： 是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现

8、代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。 机器人的研究现状及应用情况工业机器人15Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况工业机器人： 移动机器人 移动机器人是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。 国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造

9、、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。16Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况点焊机器人工业机器人： 点焊机器人 点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是当前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人

10、整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。17Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况工业机器人 激光加工机器人 激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。激光加工机器人18Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况工业机器人 真空机器人 真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工

11、业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。真空机器人19Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况 探索机器人 机器人除了在工业上的应用之外，机器人还用于进行探索，它可以在水下、太空以及放射性、有毒、高温环境下作业。 中国研制的中国研制的CR-02 AUV水下机器人 工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜

12、水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。20Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况 水下机器人 这是由哈尔滨工程大学船舶工程学院大四学生团队，在指导教师带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。21Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用

13、情况水下机器人图片22Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况探索机器人 空间机器人 空间机器人是用于空间探测活动的特种机器人，它是一种低价位的轻型遥控机器人，可在行星的大气环境中导航及飞行。 空间机器人是在空间环境中活动的，空间环境和地面环境差别很大，空间机器人工作在微重力，高真空，超低温，强辐射，照明差的环境中，因此，空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同，有它自身的特点。 首先，体积小，重量轻，抗干扰能力强。 其次，智能程度高，功能全，消耗能量小，工作寿命长，可靠性高。 此外，在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航。 用途：空间建筑与装配、卫星和其他航天器的维

14、护与修理、空间生产和科学实验。23Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况首位机器人宇航员R2：该机器人成员的主要工作任务在于执行国际空间站中危险及重复的太空作业，以节省人手和时间使得空间站的其他宇航员可以从事其他太空研究工作。24Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况服务机器人 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业领域服务机器人和个人家庭服务机器人，服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。 据2013-2017年中国服务机器人行业发展前景与投资战略规划分析报告数据显示，目前，世界上

15、至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务型机器人开发。在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。25Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况服务机器人 清洗机器人 大楼清洗机器人是以爬壁机器人为基础开发出来的，它只是爬壁机器人的用途之一。爬壁机器人有负压吸附和磁吸附两种吸附方式，大楼擦窗机器人采用的是负压吸附方式。目前我国从事大楼清洗机器人研究的有哈尔滨工业大学和上海大学等，他们也都有了自己的产品。面壁清洗机器人面壁清洗机器人擦窗机器人擦窗机器人26Ch. 1 Introduction 日本日本NEC公司开发了个公司

16、开发了个人伙伴机器人人伙伴机器人PaPeRo。它可。它可以通过遥控信号发送器以通过遥控信号发送器对家里对家里的电视机进行遥控的电视机进行遥控，抚摸头部，抚摸头部时会开心，时会开心，CCD摄像头能够摄像头能够进行图像识别和测距进行图像识别和测距。通过无。通过无线调制解调器终端盒电话线相线调制解调器终端盒电话线相连，机器人就能够上连，机器人就能够上因特网浏因特网浏览。览。 机器人的研究现状及应用情况27Ch. 1 Introduction服务机器人服务机器人 保安机器人保安机器人 这是这是韩国最大的移动运营商韩国最大的移动运营商SK电信推出的电信推出的保安机器人保安机器人Mostitech，机器人

17、高，机器人高50厘米，重厘米，重12公公斤。如果遇到斤。如果遇到失火失火或者致命的或者致命的煤气泄露煤气泄露等紧急情等紧急情况，机器人的传感器可以探测出潜在的危险。当况，机器人的传感器可以探测出潜在的危险。当不速之客进入家中的时候，机器人能够把这些人不速之客进入家中的时候，机器人能够把这些人的照片和报警信息发送出去的照片和报警信息发送出去. 机器人的研究现状及应用情况28Ch. 1 Introduction服务机器人 腾讯Qrobot机器人 这是一款智能互联网机器人，它能通过语音指令、触摸、手势等交互方式为用户提供丰富快捷的网络服务，用户只需要语音控制，就可以获得像天气、新闻、音乐、股票、教育

18、、智能提醒等资讯和应用。同时，Qrobot是一个开放的平台，在这个平台上用户可以下载自己想要的各项应用。 Qrobot机器人现有的应用有：1.音乐点歌 2.语音搜索资讯 3.娱乐游戏 4.远程表情 5.互动教育 6.故事卡通 7.诗歌国学 8.声控上网 9.声控电脑 10.天气预报 11.语音打字 12.SNS提醒 13.办公备忘 等等。 机器人的研究现状及应用情况腾讯腾讯Qrobot机器人机器人29Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况娱乐机器人30Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况消防机器人31Ch. 1 Introduction 机

19、器人的研究现状及应用情况军事机器人 军事机器人是指为了军事目的而研制的自动机器人，在未来战争中，自动机器人以后成为对敌作战的军事行动的绝对主力。32Ch. 1 Introduction军用机器人 排爆机器人 排爆机器人有轮式的及履带式的，它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台摄像机用来对爆炸物进行观察；一个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。

20、机器人的研究现状及应用情况“手推车手推车”排爆用机器人排爆用机器人33Ch. 1 Introduction 机器人的研究现状及应用情况军用机器人 扫雷机器人 它是专门用来扫除地雷和水雷的排爆机器人，它是用于战场扫雷作业的军用机器人。 扫雷作业环境不同，扫雷机器人可分陆用和海域用两类，陆用扫雷机器人，用于陆战场，它可以代替工兵探测、清除陆战场的地雷障碍; 海域用扫雷机器人用于以探测、清除海域的水雷障碍，以避免不必要的人员伤亡。扫雷机器人34Ch. 1 Introduction军用机器人 美国战斗机械狗有惊人的活动能力和适应性，这个机械狗能在战场上为士兵运送弹药、食物和其他物品。 机器人的研究现状

21、及应用情况美国战斗机器狗美国战斗机器狗35Ch. 1 Introduction日法联合打造“脑控”机器人 据日本媒体7月15日报道，由日本产业技术综合研究所（AIST）与法国国家科学研究院（CNRS）联合研发梦幻般的“机器人”，只要心里想一下，就能让机器人行动听到。 据悉，在对这种机器人进行操控时，操控者须佩戴安装了电极的头盔。当操控者双目紧盯屏幕上显示的蓝色瓶子时，站在1米开外的人型机器人便立即小心地调整步伐，向蓝色瓶子一点点靠近。当靠得足够近的时候，机器人会伸手抓住瓶子并拿到手里，然后走开。 机器人的研究现状及应用情况（新闻一）“脑控脑控”机器人机器人36Ch. 1 Introductio

22、n 机器人的研究现状及应用情况（新闻一） “脑控”机器人的工作原理，研究人员是这样进行解释的：显示器上排列着红、蓝、黄3个颜色的瓶子，以一定间隔闪烁，每种颜色的瓶子闪烁的节奏各不相同，因此在脑波上也会表现出差异；如果操控者盯住特定瓶子，头盔就会从检测到的脑波中，读取操控者大脑关注的瓶子的影像，在接收到这些信息后，机器人便会去拿瓶子。 研究人员称，两家研究机构目前正对该机器人进行改进，以使机器人在未来能够完成更复杂的动作。此款机器人可以帮助老年人、残疾人完成更换高处灯泡等对他们来说比较困难的动作。“脑控脑控”机器人机器人37Ch. 1 Introduction 美军新闻处12日说，由波士顿动力公

23、司为美军研制的世界最先进人形机器人“阿特拉斯”日前亮相，这一机器人将来或许能像人一样在危险环境下进行救援工作。“阿特拉斯”:最先进的人形机器人身高：1.9米体重：150千克身躯：由头部、躯干和四肢组成；“双眼 ”是两个立体感应器；有两只灵巧的手，能在实时遥控下穿越比较复杂地形。能力超强：能单腿站立从侧面飞来的球撞不倒美军最先进人形机器人美军最先进人形机器人 机器人的研究现状及应用情况（新闻二）38Ch. 1 Introduction它在传送带上可以大步前进，能躲开传送带上突然出现的木板；从高处跳下稳稳落地，两腿分开从陷阱两边走过，跑上楼梯；单腿站立，被从侧面而来的球重撞而不倒，“阿特拉斯”被称

24、为是迄今为止最先进的人形机器人之一，它将主要为军队以及一些研究机构所用。美军最先进人形机器人美军最先进人形机器人 机器人的研究现状及应用情况（新闻二）39Ch. 1 Introduction 不管是工业机器人，服务机器人还是军用机器人，机器人技术在向智能化、柔性化、网络化等方向发展是一个必然趋势，主要体现在以下几个方面： 1、机器人控制技术 现已实现了机器人的全数字化控制， 基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为重点研究内容。 2、机器人机构技术 目前已经开发出了多种类型机器人机构，运动自由度从3 自由度到7 或8 自由度不等，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。 3、数字伺服驱动技术 机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线技术，实现的分布式控制。 机器人的