机器人控制理论与技术1

1、机器人控制理论与技术机器人控制理论与技术（1）课程简介课程简介 教学内容教学内容：机器人的基本结构组成、工作原理、控制及分：机器人的基本结构组成、工作原理、控制及分析方法。析方法。 教学目标教学目标：使学生通过本课程的学习，了解当前国内外机：使学生通过本课程的学习，了解当前国内外机器人控制的研究、应用状况以及发展趋势，初步具备机器器人控制的研究、应用状况以及发展趋势，初步具备机器人控制系统的设计能力，提高学生分析问题和解决问题的人控制系统的设计能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。能力。 教材：教材：自主移动机器人导论自主移动机器人导论，Siegwart著，李人厚译，著，李人厚译，西安交通大

2、学出版社，西安交通大学出版社，2006年年9月月 课程主要教学内容课程主要教学内容n理论教学（理论教学（24学时）学时）移动机器人发展历程与体系结构（移动机器人发展历程与体系结构（1学时）学时）移动机器人的感知技术（移动机器人的感知技术（6学时）学时）移动机器人的定位技术（移动机器人的定位技术（5学时）学时）移动机器人的路径规划（移动机器人的路径规划（6学时）学时）移动机器人的运动控制技术（移动机器人的运动控制技术（6学时）学时）n实验教学（实验教学（8学时）学时）机器人结构认识（机器人结构认识（1学时）学时）机器人传感器的使用（机器人传感器的使用（2学时）学时）机器人运动控制（机器人运动控制

3、（3学时）学时）机器人避障实验（机器人避障实验（2学时）学时）课程考核方法课程考核方法n本课程采用课程论文作为主要考核方式；本课程采用课程论文作为主要考核方式；n结合学生平时成绩和实验成绩；结合学生平时成绩和实验成绩；平时成绩占平时成绩占20%实验成绩占实验成绩占30%课程论文成绩占课程论文成绩占50% 机器人技术作为机器人技术作为2020世纪人类最伟大的发明世纪人类最伟大的发明之一，自上世纪四十、五十年代问世以来，之一，自上世纪四十、五十年代问世以来，经历了经历了6060年的发展已经取得了长足的进步！年的发展已经取得了长足的进步！在人们的生产生活的很多领域发挥着越来越在人们的生产生活的很多领

4、域发挥着越来越重要的作用。重要的作用。什么是什么是Robot？什么是什么是Robot？na machine that can do some tasks that a human can do and that works automatically or is controlled by a computer。机器人的发展历史机器人的发展历史列子列子汤问篇汤问篇n时间：时间：（约公元前约公元前10541054年年公元前公元前949949年）年）西周西周n人物：周穆王，偃师，伶人人物：周穆王，偃师，伶人“Robot”一词最早出现在哪位作者的著一词最早出现在哪位作者的著作中？作中？Norbert

5、 WienerIsaac AsimovKarel CapekGeoge Devol“Robot”一词最早出现在哪位作家的小说中？一词最早出现在哪位作家的小说中？nA. Norbert. WienernB. Isaac AsimovnC. Karel CapeknD. Geoge Devol“Robot”的来源的来源nThe word Robot comes from the 1920 play R.U.R. (Rossums Universal Robots) by the Czech writer Karel Capek. Robot comes from the Czech word ro

6、bota, meaning forced labor.nThe word robotic also comes from science fiction - it first appeared in the short story Runaround (1942) by Isaac Asimov. This story was later included in Asimovs famous book I, Robot.Karel Capek and his “Rossums Universal Robots”机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种进行重复操作的机械，即通第一代机

7、器人是一种进行重复操作的机械，即通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因忆重复动作，然而因未采用外部传感器未采用外部传感器，所以没，所以没有适应外界环境变化的能力。有适应外界环境变化的能力。n第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。第一代工业机器人的代表第一代工业机器人的代表1961年，通用汽车公司生产线年，通用汽车公司生产线Unimate

8、 and Joseph Engelberger 机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。n第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征否已成为衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人为高一级的智能机器人，

9、“智能化”是这代机器人的重要标志。HELPMATEnHelpmate具备多种传感器，可以利用天花板上的具备多种传感器，可以利用天花板上的路标做引导，实现避障等功能。路标做引导，实现避障等功能。机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。n第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人为高一级的智能机器人，第三代机器人为高

10、一级的智能机器人，“智能化智能化”是这代机器人的是这代机器人的重要标志重要标志。自主移动机器人自主移动机器人Spirit & Opportunity轮式移动机器人轮式移动机器人Nomadn大小：大小：2.4*2.4*2.4(m)n重量：重量：725Kgn速度：速度：0.5m/snGPS定位定位履带式移动机器人履带式移动机器人PackBot 510n自重：自重：19公斤公斤n负重：负重：20公斤公斤n行进速度：行进速度：2.5m/sn连续运行时间：连续运行时间：10hn其它特性：防水其它特性：防水四腿机器人四腿机器人BigDognBoston DynamicsnName:BigDogn自

11、重：自重：234lbsn负重：负重：340lbsn速度：速度：6.4km/hn爬坡角：爬坡角：35度度n特点：可适应绝大多特点：可适应绝大多数恶劣地形，如雪地、数恶劣地形，如雪地、山区、沙地等。山区、沙地等。双足机器人双足机器人ASIMOn生产商：生产商：HONDAn自重：自重：54Kgn身高：身高：130cmn持重：持重：单手：单手：0.3Kg双手：双手：1.0Kgn速度：速度：通常步行时通常步行时02.7km/h持重行走时持重行走时1.6km/h直线行走时直线行走时6.0km/h旋回行走时旋回行走时5.0km/h自主移动机器人学中的三个关键问题：自主移动机器人学中的三个关键问题：n我在哪里

12、？我在哪里？（Where am I?）n我要去哪里？我要去哪里？（Where am I going?）n我如何去那里？我如何去那里？（How do I get there?）为了解决上述三个问题，机器人需要：为了解决上述三个问题，机器人需要：n具备一定的环境模型；具备一定的环境模型；n具备对环境感知和分析的能力；具备对环境感知和分析的能力；n确定它在环境中的位置；确定它在环境中的位置；n规划和执行运动的能力；规划和执行运动的能力； 为了实现上述功能，我们需要从以下四个环节为了实现上述功能，我们需要从以下四个环节研究机器人：研究机器人：自主移动机器人的两种体系结构（一）自主移动机器人的两种体系结

13、构（一）分层式体系结构：分层式体系结构：也称为基于知识的体系结构，该结构把各模块分为也称为基于知识的体系结构，该结构把各模块分为不同的层次，使不同层次上的模块具备不同的功能和操作不同的层次，使不同层次上的模块具备不同的功能和操作方式。方式。典型的分层式体系结构典型的分层式体系结构NASREM结构结构全局数据库地图状态变量评价函数程序文件对象清单G6H6M6人机接口G5H5M5G4H4M4G3H3M3G2H2M2G1H1M1外界环境运动控制任务分解规划执行总目标环境建模模型评价传感器信号处理、检验和积分总任务成组任务单体任务基本运动动力学运算坐标变换移动机器人的两种体系结构（二）移动机器人的两种

14、体系结构（二）包容式体系结构包容式体系结构 也称为基于行为的体系结构，是一种完全的反应式也称为基于行为的体系结构，是一种完全的反应式体系结构，是基于感知与行为之间映射关系的并行结构。体系结构，是基于感知与行为之间映射关系的并行结构。基于行为的机器人代表（基于行为的机器人代表（1）19491951Grey Walter制作的制作的 Elsie基于行为的机器人代表（基于行为的机器人代表（2）n1989年，年，MIT的的Rodeny Brooks教授制作了世界教授制作了世界上第一个基于行为的机上第一个基于行为的机器人器人-Genghis.n12个电机个电机n12个力传感器个力传感器n6个热电传感器个

15、热电传感器移动机器人的两种体系结构（三）移动机器人的两种体系结构（三）n包容式体系结构包容式体系结构不确定模型不确定模型基于行为的基于行为的并联实现并联实现由下至上由下至上n分层式体系结构分层式体系结构完全建模完全建模基于功能的基于功能的串联实现串联实现由上至下由上至下混杂式控制结构混杂式控制结构更可行的方法更可行的方法混杂式控制结构混杂式控制结构问题：问题：n什么是感知？什么是感知？n感知等于不等于感觉？感知等于不等于感觉？感知的概念感知的概念自主移动机器人的传感器自主移动机器人的传感器 由于机器人的应用范围越来越广，所由于机器人的应用范围越来越广，所以要求它对变化的环境要具有更强的适应以要

16、求它对变化的环境要具有更强的适应能力，能进行更精确的定位和控制，并具能力，能进行更精确的定位和控制，并具有更高的智能。传感器是有更高的智能。传感器是机器人获取信息机器人获取信息的必备工具。的必备工具。示例示例1Helpmate示例示例2B21问题：问题：n超声传感器的安装位置为何往往要高于红超声传感器的安装位置为何往往要高于红外传感器？外传感器？示例示例3Robart II示例示例4Nuclear Surveillance Robot问题：问题：n自主移动机器人常用的传感器有哪些？自主移动机器人常用的传感器有哪些？自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机

17、编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感

18、器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外传感器红外传感器n4.激光测距仪激光测距仪n5.麦克风麦克风n6.视觉传感器视觉传感器n7.电子罗盘电子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机编码器电机编码器n2.超声传感器超声传感器n3.红外