机器人学-第1章 绪论(4)

1、1Ch. 1 Introduction第第1章章 绪论绪论1.1Development of Robotics机器人学的发展机器人学的发展1.2 Features, Structure and Classification of Robots 机器人特点、结构与分类机器人特点、结构与分类1.3 Robotics and AI 机器人学与人工智能机器人学与人工智能1.4 Main Contents of the Course 机器人学机器人学21.1Development of Robotics机器人学的发展1.1.1 Origin of Robotics 机器人的由来人类长期以来的愿望：创造出

2、一种像人一样的机器来代替人类进行各种工作；木牛流马？记里鼓车写字机器人1.1 Development of Robotics31.1.1 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(Rossums Universal Robots, RUR)中，第一次提出了名词“机器人”； Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”) Robot(英文，“机器人”)1.1 Development of Robotics41.1.1 History of Robotics 1950年，美国科学幻想小说巨匠阿西摩夫在小说我是机器人中，提出了

3、著名的 “机机器人三定律器人三定律 (Three Laws of Robotics) ” ：First Law: A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm.Second Law: A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law.Third Law: A robot must p

4、rotect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law. Isaac Asimov1.1 Development of Robotics51.1.1 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 Development of Robotics61.1.1 History of Robotics 1969年 日本早稻田大

5、学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人(Humanoid Robot)，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1.1 Development of Robotics71.1.1 History of Robotics 1978年，美国Unimation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。 1.1 Development of Robotics81.1.1 History of Robo

6、tics 2002年 丹麦 iRobot 公司推出了吸尘器机器人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。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。 1.1 Development of Robotics91.1.1 History of Robotics 2006年 6月，微软公司推出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。 1.1 Development of Robotics101.1.2 Definition of Robotics 机器人的

7、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 Concise Oxford Dictionary, COD)nDefinition 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” （Robotic Indu

8、stries Association, RIA）1.1 Development of Robotics111.1.2 Definition of Robotics nDefinition 3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”。（Japan Industrial Robot Association, JIRA）Definition 4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”。 (National Bureau of Standards, NBS) 1.1 Dev

9、elopment of Robotics121.1.2 Definition of Robotics nDefinition 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”。 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 Robotics131.1.3 Advances in Robotics 机器人学的进展20世纪70年代以

10、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 RoboticsEstimated yearly shipments of industrial robots141.1 Development of RoboticsEstimated yearly supply of industrial robots at y

11、ear-endin Total World by main Industries 2006-2007151.1 Development of Robotics161.2 Features, Structure and Classification of Robots 机器人特点、结构与分类1.2.1 Main Features of Robotsn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 。 n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，

12、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, Structure and Classification of Robots171.2.2 Structure of A Robot System一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1 机器人系统的基本结构机械手机械手(Manipulator)具有传动执行装置传动执行装置的机械，由臂臂、关节关节和末端执行装置末端执行装置（工具等）构成。1.2 Features, Structure and Classification of Robots18一个机器人系统，一般由机械手、环

13、境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1 机器人系统的基本结构环境环境(Environment)环境即指导机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件（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。 1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots19一个机器人系统，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图1.1 机器人系统的基本结构任务任务(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

14、语言来描述这些任务。1.2.2 Structure of A Robot System1.2 Features, Structure and Classification of Robots20一个机器人系统，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图1.1 机器人系统的基本结构控制器控制器(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1.2.2 Structure of A Robot Sys

15、tem1.2 Features, Structure and Classification of Robots211.2.3 Degree of Freedom （DOF）of Robots 机器人的自由度DOF of a Rigid Body刚体的自由度图1.3 刚体的六个自由度1.2 Features, Structure and Classification of Robots221.2.3 DOF of RobotsDOF of Robots机器人的自由度图1.4 机器人自由度举例1.2 Features, Structure and Classification of Robots2

16、31.2.4 Classification of Robots1. Classified by Geometry Structure 柱面坐标机器人(Cylindrical)图1.6 柱面坐标机器人1.2 Features, Structure and Classification of Robots241. Classified by Geometry Structure球面坐标机器人(Spherical) 图1.7 球面坐标机器人1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robot

17、s25关节式球面坐标机器人(Articulated) 图1.8 关节式球面机器人1.2.4 Classification of Robots1. Classified by Geometry Structure1.2 Features, Structure and Classification of Robots26非伺服机器人（Non-servo robots） 按照预先编好的程序顺序顺序进行工作图1.9 有限顺序机器人方块图1.2.4 Classification of Robots2. Classified by Control Mode1.2 Features, Structure a

18、nd Classification of Robots27伺服控制机器人（Servo-controlled robots） 是一个反馈控制系统反馈控制系统 (Feedback control system)图1.10 伺服控制机器人方块图1.2.4 Classification of Robots2. Classified by Control Mode1.2 Features, Structure and Classification of Robots283. Classified by Input Message of Controller日本工业机器人协会（JIRA） 分类法手动操作手

19、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n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 。1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots29n法国工业机器人协会（French Association of Industrial 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。

20、3. Classified by Input Message of Controller1.2.4 Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots301.2.4 Classification of Robots4. Classified by Intellectual Leveln一般机器人，不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。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 R

21、obot)自立型机器人 (Autonomous Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots311.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工业机器人或产业机器人(Industry Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots321.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工业机器人或产业机器人(Indus

22、try Robot)n探索机器人(Exploration Robot)1.2 Features, Structure and Classification of Robots331.2.4 Classification of Robots5. Classified by Applicationn工业机器人或产业机器人(Industry Robot)n探索机器人(Exploration Robot)n服务机器人(Service Robot) 1.2 Features, Structure and Classification of Robots341.2.4 Classification of

23、Robots5. Classified by Applicationn工业机器人或产业机器人(Industry Robot)n探索机器人(Exploration Robot)n服务机器人(Service Robot) n军事机器人(Military Robot) 1.2 Features, Structure and Classification of Robots1.2 Features, Structure and Classification of Robots5. Classified by Applicationn工业机器人或产业机器人(Industry Robot)n探索机器人(E

24、xploration Robot)n服务机器人(Service Robot) n军事机器人(Military Robot) 351.2.4 Classification of Robots1.2 机器人特点、结构与分类361.2.4 Classification of Robots6. Classified by Mobilityn固定式机器人(Fixed Robot)n移动机器人 (Mobile Robot) 轮式Wheeled robot履带式Pedrail robot足式Foot robot1.2 Features, Structure and Classification of Rob

25、ots371.3 Robotics and AI 机器人学与人工智能nRelationship Between Robotics and AI n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；n机器人学的出现与发展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。nAI Research Topics in RoboticsnSensor Information ProcessingnRobot PlanningnExpert SystemnNatural Language Understanding1.3 Robotics and AI381.3.2

26、 Research Fields of RoboticsSensor and Sensory SystemDrive, Modeling, and ControlAutomatic Planning Robot-used Computer SystemApplication Research 1.3 Robotics and AI391.3.3 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1.3 Robotics and AI401. Main Academic Circ

27、les in AIn符号主义（Symbolicism） n认为人工智能源于数理逻辑(Symbolic logic)；n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理；n代表人物有纽厄尔（Newell）、肖(Shaw)、西蒙(Simon)和尼尔逊（Nilsson）等 ；n代表成果为专家系统专家系统(Expert System)。1.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics1.3 Robotics and AI411. Main Academic Circles in AI连接主义（Connectionism）认为人工智能源于仿生

28、学(Bionics)，特别是人脑模型的研究；其原理主要为神经网络神经网络(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（Rumelhart）等 。行为主义（Actionism）认为人工智能源于控制论(Cybernetics) ；其原理为控制理论控制理论(Control Theory)及感知动作型控制系统；代表人物有布鲁克斯（Brooks）。1.3 Robotics and AI421.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics2. Debate on AI Theory n符号主义（S

29、ymbolicism） n人的认知基元是符号，而且认知过程即符号操作过程n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。 n人工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用。 1.3 Robotics and AI432. Debate on AI Theory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“感知动作”模式；智能不需要知识、不需要表

30、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 AI443. Debate of AI 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，甚至可在一个机器人系统上同时共存几个学派的思想。1.3.4 Debate of AI and Its Influence to Robotics1.3 Robotics and AI451. Introduction to Robotics: the origin and development of Robotics; definition of a robot; feature, structure, and classification of robots; relationship between Robotics and AI. 2. Mathematical Foundations: Representation of position a