机器人概论课件

1、机器人概论王建飞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

2、行。2011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。日本机器人发展为了解决劳动力不足问题和提高产品质量，着力开发机器人技术。20世纪80年代超过美国成为“机器人王国”。日本在传感器、电机、精密加工、能源以及材料等机器人的关键零部件和关键基础技术均是世界领先。日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO, 高1.3m,行走速度达6km/h, 可完成“8”字形行走、上下台阶、弯腰等动作, 还可与人握手

3、、挥手、语音对话, 识别出人和物体等. 日本川田公司的仿人机器人HRP-2 高1.5m, 可模仿人的舞蹈动作. 索尼公司开发了0.6m高的小型娱乐仿人机器人QIRO.2011年，日本福岛第一核电站事故爆发，本大力开展了对核事故处理机器人的研究。同年11月，由千叶工业大学研发的“ROSEMARY”核事故处理机器人面世，能够在负重50公斤的情况下连续工作5小时，并可进行遥控充电。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，

4、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0.57

5、m，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目前，国内在弧焊、点焊、喷涂、搬运、装配和特种机器人（水下、爬壁、管道、遥控等机器人）领域，掌握了完整的设计制造技术。2008年9月，哈工大研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。新松机器人公司开发出RH6弧焊机器人，其焊接质量达到了国外同类产品的水平。同样由新松公司设计制造的LGV（激光自动导引车）也已达到国际的一流水平。多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断和安全保护技术等方面均已取得了突破，掌握了工业机器人所有关键技术。在基础元件

6、制造方面，我国在谐波减速器、高效电机的制造领域也有了突破。已研制出了交、直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等。我国机器人新进展工业机器人2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

7、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。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

8、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部分。移动机器人-轮式/履带式移动机器人主要有智能轮椅、导游机器人、野外侦查机器人, 以及大型智能车辆等。研究重点：定位、运动规划、自主控制、服务作业等技术和方法.机器人利用航迹推算、计算机视觉、路标识别、无线定位、SLAMsimultaneous localization and mapping 等技术进行定位; 基于地图完成机器人运动路径的规划和运动控制; 结合语音识别、图像识别, 实现友好的人机交互, 提供引导、解说、物品递送等服务。Willow Garage 公司的PR2 机器人, 具有全向移动功能、双机械

9、臂和夹持器、立体视觉和激光测距系统, 夹持器上装有视觉传感器和力觉传感器阵列,通过视觉和力觉的感知、运动规划与控制, 已实现打开冰箱、拿取不同物品等作业.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

10、仿人机器人HRP-2 索尼公司开发了0.6m 高的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.ASIMO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

11、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9

12、00 公斤, 具有一个2.2m 的作业臂和摄像头等多种探测设备, 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.医疗与康复机器人-康复与助力机器人用于辅助病人康复、生活自理手臂康复

13、治疗机器人有美国MIT 大学开发的MIT-Manus, 加利福尼亚大学研制的ARM Guide 和T-WREX, 此外, 还有HWARD、Gentle/G、RUPERT 等手臂辅助康复系统. Hocoma 公司研制了下肢康复机器人Lokomat 由支撑部分、机器人步态校正器和跑步机等几部分组成, 用于增强病人的行走功能. 类似的康复机器人系统还包括LokoHelp、ReoAmbulator、ARTHuR、ALEX、LOPES 等. 对于瘫痪患者康复的机器人系统主要是通过辅助肢体运动达到锻炼肌肉、增强耐受力、关节灵活性和运动协调性.Swortec SA公司开发的康复机器人MotionMaker,

14、 能够依据实时传感信息控制康复训练并配合电刺激以满足治疗需要, 临床实验显示系统效果良好. 用于足踝、膝盖等康复的机器人, 如Rutgers Ankle、IIT-HPARR、AKROD、Leg-Robot、NUVABAT、PGO、PAGO、Anklebot、MIT-AAFO 等57. 早期的康复机器人一般采用比例反馈的位置控制方法. 目前, 基于时间、受力、跟踪误差、肢体速度或体表肌电等信号反馈, 阻抗控制、自适应控制等方法已在康复机器人上应用. 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

15、动、低噪声特点, 仿生机器鱼研究得到广泛的重视. 如MIT 大学研制了机器鱼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

16、 m/s, 航程70.7 km.中国科学院自动化研究所研制了尾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

17、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Conro 可自重构成蛇形、四足、履带等形状进行运. 仿生机器人3斯坦福大学在壁虎足部结构研究基础上研制了可攀爬墙壁的机器壁虎Stickybot. 名古屋大学机器人学实验室研制了仿生长臂猿机器人Brachiator.国内： 如国防科技大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、北京航空航天大学等单位研制了蛇形仿生机器人; 哈尔滨工程大学研制了仿生机器螃蟹; 中国科学院自动化研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学等单位研制了水陆两栖机器人; 西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等单位研制了扑翼飞行机器人; 哈尔滨工业大学等单位研制了六足仿生机器人.仿生机器人4通过对生物内在感知、控制与决策机制的模仿是机器人控制和智能研究的重要方面. 在仿人机器人、仿生机器鱼、四足机器人等研究中使用的神经网络模型、中枢模式发