机器人概论知识

1、机器人概论机器人分类军用机器人民用机器人工业机器人服务机器人类人机器人农业机器人飞行机器人爆破机器人侦查机器人战车娱乐机器人美国机器人发展上世纪60年代，美国诞生第一台工业机器人BigDog四腿军用机器人，能够在负重100kg的情况下以5km的时速在各种地形上行走。2011年，美国Petman仿人军用机器人，时速7公里的步行，即使侧面受到大力冲击也不会摔倒。2011年2月，美国Robonaut 2机器人乘坐航天飞机进入太空，进行行星探索。在无人车船以及无人飞行器方面，2011年10月，美国研制的“纳米蜂鸟”无人驾驶侦察机已经成功完成精准试飞，翼展只有16cm宽，能像小鸟一样拍打翅膀前后飞行。2

2、011年11月，美国的四艘Wave Glider无人驾驶船开始了自主跨太平洋之旅。在机器人相关传感器方面也引领了世界的潮流。美国微软公司的Kinect体感游戏外设通过红外测距和模式识别技术实现了高性价比的人体动作识别，引起一股新的人机“自然交互”浪潮。欧洲机器人新发展在欧洲，英国的机器人产业起步最早。英国不仅大力研制和广泛应用工业机器人，其在服务机器人领域也颇有建树，例如，赫特福德大学设计出一款管家机器人“Greta”，能够从主人那里接收命令，然后向下级机器人安排任务，并回答主人相关的问题。德国是拥有工业机器人最多的欧洲国家，其机器人数量在世界范围内也仅次于日本。德国KUKA公司开发的轻型机械

3、臂，不仅高效灵活，而且具有模块化结构，具有广阔的工业和服务应用前景。德国在航天机器人领域也颇有建树，其航空航天局研制的RollinJustin机器人，不仅能够进行精准的遥操作，而且能泡咖啡能接棒球12。另外，在服务机器人领域，德国的Care-0-Bot移动家庭看护机器人能够帮助老年人独立生活的系统，功能十分丰富实用。法国在机器人拥有量以及机器人应用上也居于世界前列。目前，法国Aldebaran公司生产的 “Nao”已成为世界上销售量最大的小型类人机器人。Nao高0.57m，仿人机器人, 集成了视觉、听觉、压力、红外、声纳、接触等传感器, 可用于控制、人工智能等研究.我国机器人新进展工业机器人2

4、机构、驱动和控制方向：智能化、重载、高精度、高速、网络化FANUC 公司的并联六轴结构的机器人3iA 具有很高的柔性, 集成iRVision 视觉系统、Force Sensing力觉系统、Robot Link 通信系统和Collision Guard碰撞保护系统等多个智能功能, 可对工件进行快速识别, 利用视觉跟踪系统引导完成作业.哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院自动化研究所、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、天津大学、南开大学、华南理工大学、湖南大学、上海大学等。沈阳新松机器人自动化公司、哈尔滨工业大学博实公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪公司、奇瑞公司等企业

5、。我国机器人新进展服务机器人服务机器人产业将成为继家电和个人电脑之后，全球新经济发展的重要增长点。在监控机器人方面，中科院深圳先进院研制的家庭监控机器人可以在家中自如移动到每个角落，监测家中是否漏水、着火煤气泄露等，一旦发现异常，机器人会主动地向主人的手机发送报警短信。如果有陌生人闯入时，机器人也会立即将其拍照并传给主人。在老人服务机器人方面，中科院深圳先进院研制的管家机器人能够接收用户通过智能手机发送的指令完成特定目标抓取，为老人提供生活便利。中国科学院自动化研究所则研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅，不仅能通过语音控制轮椅自由行走,还可以实现简单的人机对话功能

6、，给行动不变的老人和残疾人提供很大方便。在仿人机器人方面，2011年11月，由浙江大学研制的仿人机器人“悟”和“空”成功实现了乒乓球以及与人类对打，能够持续百余回合以上。我国机器人新进展空间机器人在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、空间生产、空间装配、空间科学实验和空间维修等工作要做，必须充分利用空间机器人等自动化智能设备。在月球车研制领域，2008年1月，北京工业大学率先研制了月球车原理样机。紧接着，中国航天科技集团公司领衔研制的中国首辆月球车工程样机于同年4月通过项目验收。同年6月，哈尔滨工业大学的月球车样机通过了模拟月球地形环境试验，在功能上具备探月工程所需的月球车基本功能和基本组成

7、部分。移动机器人-轮式/履带式移动机器人2日本物理与化学研究所(Institute of Physical and Chemical Research)开发的双臂服务机器人RIBA, 重180 公斤, 机械臂上由触觉传感器覆盖, 并可通过触觉感知护理人员的引导信息、协助其抱起并移动61 公斤重的患者。国内： 哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院自动化研究所、上海交通大学、北京航空航天大学、北京理工大学、清华大学、中国科学院深圳先进技术研究院、华中科技大学等单位开发了多种轮式/履带式移动机器人。如智能轮椅、可变形机器人、复合结构机器人等, 开展了环境建模、避障路径规划、识别语音

8、命令、人机对话、路标识别定位、作业臂抓取、多机协作等方法研究。 国防科学技术大学、清华大学、中国科学院合肥智能科学研究院、南京理工大学、浙江大学等单位在无人车自动驾驶方面都开展了大量研究和研制工作.国防科学技术大学研制的HQ3 无人车实现了行驶、变线、超车等自主控制, 完成了286km 的高速公路无人驾驶.移动机器人-腿足式移动机器人腿足式移动机器人是模仿哺乳动物、昆虫、两栖动物等的腿足结构和运动方式而设计的机器人系统, 研究包括系统设计、步态规划、稳定性等方面.电机驱动，液压驱动。2006 年, 波士顿动力公司研制了新型液压驱动四足仿生机器人BigDog, 该机器人可负载150 公斤, 行走

9、20 km, 负载能力高、环境适应性好、行走速度快、续航能力强。此后, 该公司研制的液压四足机器人AlphaDog的抵抗侧向冲击、负重、环境适应性和运动范围等性能得到进一步提高。研制的液压四足机器人Cheetah 可以约29 km/h 的速度奔跑.国内研制的腿足式移动机器人, 多以电机为主要驱动方式, 在四足、六足、八足等机器人机构设计、运动规划、控制方面开展了大量工作, 如清华大学、华中科技大学、中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学等. 山东大学研制了液压驱动四足机器人实验样机, 实现了Trot 动步态行走, 最高速度达到了1.8 m/s. 北京理工大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大

10、学、上海交通大学、北京邮电大学和南京航空航天大学等单位也在液压驱动四足仿生机器人研发方面开展了大量工作.移动机器人-仿人机器人仿人机器人研究主要集中于步态生成、动态稳定控制和机器人设计等方面. 步态生成有离线生成方法和在线生成方法. 离线生成方法为预先规划的数据用于在线控制, 可完成如行走、舞蹈等动作,但无法适应环境变化; 在线规划则实时调整步态规划、确定各关节的期望角. 在稳定性控制方面, 零力矩点(Zero moment point, ZMP) 方法虽广泛应用, 但该方法仅适合于平面情况.日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO日本川田公司的仿人机器人HRP-2 索尼公司开发了0.6m 高的

11、小型娱乐仿人机器人QIRO. Aldebaran Robotics 公司开发的高0.57m 的小仿人机器人Nao, 波士顿动力公司在液压四足仿生机器人基础上开发的液压驱动双足步行机器人Petman, 显示出良好的柔性和抗外力干扰性, 可完成上下台阶、俯卧撑等动作.移动机器人-仿人机器人2国内：国防科学技术大学研制开发了KDW 系列双足机器人,研制了仿人机器人“先行者”. 北京理工大学研制的BRH 系列仿人机器人, 高1.58 m, 32 个自由度, 行走速度lkm/h, 实现了太极拳表演、刀术表演、腾空行走等复杂动作. 哈尔滨工业大学研制开发了HIT系列双足步行机器人.清华大学研制开发了仿人机

12、器人THBIP-I.在小型仿人机器人方面, 哈尔滨工业大学等单位开展了大量研究和研制工作. 北京理工大学与中国科学院自动化研究所、南开大学等单位合作开展了乒乓球的高速识别与轨迹预测等关键技术研究, 实现了两台仿人机器人、人与机器人的多回合乒乓球对打. 浙江大学等单位研制的仿人机器人也实现了仿人机器人、人与机器人的乒乓球对打。移动机器人-空间探索机器人美国开发的用于火星探测的移动机器人探路者、勇气号、机遇号 和好奇号“都成功登陆火星开展科研探测. 好奇号 火星车采用了六轮独立驱动结构, 长3 m, 宽2.7 m, 高2.2 m, 自重900 公斤, 具有一个2.2m 的作业臂和摄像头等多种探测设

13、备, 在45 度倾角状态下不会倾翻, 最高速度4 cm/s. 不同于以往火星车采用太阳能供电, 好奇号 采用核电池供电, 使系统续航能力得到极大提升.哈尔滨工业大学研制了两轮并列式、6 轮摇臂 转向架式、行星轮式等多种型号的月球车样车, 并搭载太阳能帆板、相机桅杆、定向天线、全向天线、前后避障相机等设备43. 中国科学院沈阳自动化研究所44、北京航空航天大学、清华大学、上海交通大学、国防科学技术大学、复旦大学等单位都开展了相关研究, 并研制了各具特色的月球车原理样机.移动机器人-水下机器人研究工作集中在系统模型、环境感知、定位导航、以及欠驱动和全驱动的推进系统控制、稳定控制等方面. 远程操作水

14、下机器人(Remotely operated vehicle, ROV) 是通过拖缆与母船连接, 实现供能、通讯、遥控操纵, 可完成水下设备的安装、监控、部件替换, 水下探测等. 日本研制的装配有摄像头、声纳等传感器和双机械臂的、可深潜11 000m 的机器人Kaiko, 实现了10 911m深潜, 共完成296 次深潜作业. 日本JAMSTEC 研制了ABISMO46 并进行了深潜测试. 美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI) 研制自治水下机器人(Autonomousunderwater vehicle, AUV) Ne

15、reus 完成了10902m的深潜探测. 该机器人不仅可以自主探测, 也可以拖缆作为ROV 使用. 目前, 对于水下机器人的容错控制、水下机器人载体和作业臂的协调控制、多水下机器人协作等方面的研究得到越来越多的关注. 如多个水下滑翔器协作的研究, 水下滑翔器通过控制机器人的比重和方向舵以高度节能的方式实现水下运动, 多个水下滑翔器可以进行长时间、大范围的环境信息采集.移动机器人-水下机器人2医疗与康复机器人-外科手术机器人分3类：监控类、遥操作型和协作型。监控型是由外科医生针对病人制定治疗程序, 在医生监控下由机器人完成手术. 遥操作型是由外科医生操纵控制手柄来遥控机器人完成手术. 协作型主要

16、用于稳定外科医生使用的器械以便于完成高稳定性、高级度的外科手术.第一例机器人辅助外科手术是由Kwoh 等在1985 年完成, 利用工业机器人将固定装置稳定保持在患者头部附近以便于神经外科手术的钻孔和将组织取样针插入指定位置. 此后, 用于辅助外科手术的机器人系统Probot、ROBODOC、AESOP、da Vinci、Zeus相继开发并获得应用. 基于虚拟现实和机器人结合的远程外科手术技术也得到重视和研究. 目前, da Vinci 外科手术辅助机器人是其中比较成功的商用系统, 获得美国FDA 认证, 可用于多种外科手术. da Vinci 系统是一个主从结构的系统, 医生通过摄像头传回的图

17、像获取手术部位信息, 依靠踏板控制摄像头和手术器械、依靠主控手柄遥控机器臂动作来完成外科手术. 此外, Hansen Medical 公司的血管介入手术机器人使用了触觉主控制器、臂式从动系统和送管机构. Mazor 公司开发的脊柱外科手术机器人系统已完成多例骨科手术. Acrobot 公司研制的高精度外科手术机器人完成了膝关节外科手术. 约翰霍普金斯大学研制了眼科外科手术辅助机器人系统。仿生机器人通过对生物结构和运动方式进行仿生是研究适应某种特定环境的机器人系统的基本方法之一, 如皮肤仿生、攀爬运动仿生等.由于鱼类运动的高效率、高机动、低噪声特点, 仿生机器鱼研究得到广泛的重视. 如MIT 大

18、学研制了机器鱼RoboTuna 和RoboPike, 大阪大学研制了胸鳍推进的机器鱼BlackBass, 英国Heriot-Watt 大学研究了波动鳍. 华盛顿大学、英国Essex 大学在控制方面,佛罗里达中心大学、日本名古屋大学、美国新墨西哥大学在微小型机器鱼方面, 美国西北大大学、南洋理工大学、大阪大学在波动鳍推进方面都取得了很好的研究成果. 国内在仿鱼水下机器人：北京航空航天大学研制了SPC 系列仿生机器鱼系统, 进行了湖试和海试, 完成了水下考古、环境监控等示范应用。其中SPC-3 UUV 体长1.6 m, 巡航速度1.12 m/s, 航程70.7 km.中国科学院自动化研究所研制了尾

19、鳍推进和波动鳍推进的仿生机器鱼，实现了浮潜、倒游、定深、自主避障、快速启动、水平面和垂直面快速转向、多鱼协调等运动控制的实验验证, 并实现了仿生机器海豚的跃水运动. 国防科技大学在波动鳍仿生机器鱼方面开展大量研究, 研制了多种波动鳍推进的机器鱼系统.哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学、北京大学等单位也研制开发了仿生机器鱼系统并开展了很多研究工作. 仿生机器人2此外, 蛇形机器人有东京工学院研制的ACMR5、密西根大学研制的OmniTread、挪威理工大学研制的Kulko、卡内基梅隆大学研制的Uncle Sam等, 其中Uncle Sam 实现了爬树运动70. 仿生两栖机器人有瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL) 研制的Salamandra、纽约瓦萨学院研制的Madeline、加拿大约克大学等研制的AQUA 机器人等. 仿生飞行机器人有德国Festo 公司研制的仿生鸟Smartbird、多伦多大学研制的四翼扑翼飞机Mentor、加州大学伯克利分校研制的飞行昆虫等. 美国东北大学研制的仿生机器龙虾. 南加州大学研制的自重构机器人Con