其他机器人与其应用

其他机器人与其应用第一页，共46页。机器人的主要控制方式和编程方式顺序控制形式的特点示教编程的特点什么是直接示教什么是示教盒示教示教盒示教方式编程的缺点离线编程的特点机器人编程语言主要用于哪些类型的机器人？机器人语言的编程要求有哪些？机器人编程语言的特点？机器人编程语言的分类？什么是动作级语言什么是关节级编程什么是末端执行器级编程什么是对象级语言对象级语言的特点什么是任务级语言机器人语言的特征机器人语言指令集包括哪些机器人编程语言基本特性有哪些？机器人编程语言基本功能有哪些？第二页，共46页。第九章其他机器人及其应用第一节操纵型机器人概述第二节操纵型机器人应用第三节其他机器人的应用第三页，共46页。一、操纵型机器人的分类二、操纵型机器人的特点三、操纵型机器人的控制第四页，共46页。操纵型机器人是一类由人操纵进行工作的机器人。操纵型机器人的控制方式实际上是用“操纵”代替了工业机器人的“示教”方式。简单的操纵型机器人的动作可以看做是处于示教阶段的直接示教工业机器人的动作。复杂的操纵型机器人具有适应控制方式，即操纵人员只给予“宏指令”，并不指示机器人的动作细节，机器人能根据本身的认识、学习机能自动适应作业情况。这种操纵型机器人接近于智能机器人。操纵型机器人由于具有灵活性、机动性，可代替人完成重复、繁琐或危险的劳动，已广泛应用于服务、医疗卫生、海洋探索等领域。随着机器人技术的突飞猛进，操纵型机器人将呈现出更加广阔的应用前景。第五页，共46页。操纵型机器人工作系统实际上是一种人机系统。操纵人员处于联机控制回路之中。一方面操纵人员在工作中不停地向机器人发送操作指令，在智能和适应能力方面辅助机器人完成复杂的作业；另一方面，机器人把操作对象和作业环境的状态直接地或间接地（通过监视装置）反馈给操纵人员，作为操纵人员控制机器人行为的根据。这样，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵型机器人的研究重点。第六页，共46页。（1）能力扩大式机器人这种机器人用于扩大人的体力和活动范围，或弥补人的肢体功能，例如装着式机器人和各种人工假肢等。（2）遥控机器人这种机器人一般用于特殊的作业环境，例如：放射性物质、真空、有毒气体等隔离工作情况；造船、铁塔、建筑等危险工作条件；特别是宇宙、海洋开发用的探查工作环境。第七页，共46页。（1）服务机器人服务机器人是为公用设备提供服务的一类机器人。目前服务机器人在技术上已趋于成熟，已在许多国家得到了实际应用。家庭服务机器人、导游机器人、保安巡逻机器人、自动加油机器人、高楼擦窗和墙壁清洗机器人、清洗机器人及高空作业机器人等服务机器人的使用越来越广泛。（2）水下机器人水下机器人主要用于沉船打捞、海上救生、光缆铺设、资源勘探和开采等水下作业任务。随着世界经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少，能在不同深度进行多种作业的水下机器人为人类的生存和发展提供了有力的技术保障。（3）医疗机器人医疗机器人主要指能够直接为医生提供服务，帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人。医疗机器人包括外科手术机器人、外科手术导航系统以及其他各种利用机器人技术的医疗器械。（4）娱乐机器人目前国内外也有许多企业在积极研制开发娱乐机器人，并推出了各种类型的娱乐机器人产品。第八页，共46页。1．操纵型机器人的可移动性与工业机器人相比，操纵型机器人的显著特点是其具有可移动性，使操纵型机器人移动的机构是行走装置。操纵型机器人行走装置由驱动装置、传动机构、位置检测元件等组成。行走装置一方面支承机器人的机身、手臂，另一方面主要根据任务要求，带动机器人在规定空间内运动。按照行走机构的特点，操纵型机器人行走装置可分为：轮式，足式,履带式,混合式等。2．操纵型机器人工作环境的多样性和复杂性操纵型机器人不可能像工业领域的机器人那样总是具有良好结构化的或抑制的环境。其使用环境的有关信息往往是多义、不完全或不准确的，而且可能随着时间改变。因此，在部分已知或未知环境，同时又要求自主执行任务时，用传感器探测环境、分析信号，通过适当的建模方式理解环境就具有特别重要的意义第九页，共46页。操纵型机器人的工作环境复杂，有时不可预知，该型机器人的显著特征是具有可移动性。因此，对于操纵型机器人除满足一般机器人的运动控制要求外，还应利用认知控制、自主控制等现代控制理论与方法对其进行控制，满足操纵型机器人高精度、高速、高灵活性及多样性的要求。操纵型机器人应能自动分析工作环境状况，具备评价环境的能力；规划能达到目标的路径并能实时跟踪控制已规划的路径；能根据目标物的颜色、大小等外观和空间参数进行自学习及手眼协调控制等。第十页，共46页。1．手眼协调控制实现手眼协调控制的系统是机器人的手眼协调控制系统，机器人通过摄像机（至少两台，以产生立体视觉）作为输入，使机器人能看到目标，并利用此视觉输入通过控制器产生动作信号，使末端执行器能准确抓取工作空间中一任意放置的物体。2．认知控制认知控制使操纵型机器人产生自主运动。认知控制系统包括感知层、数据处理层、存储层、控制层及执行层3．自主控制操纵型机器人自主控制主要用于无法描述和模型化的环境，或用于描述过于复杂，人有限介入或无人介入操作的未知环境。。第十一页，共46页。一、水下机器人二、空间机器人三、飞行机器人四、服务机器人第十二页，共46页。水下机器人分有缆水下机器人和无缆水下机器人两种，其中有缆水下机器人又分为水中自航式、拖航式和可在海底结构物上爬行式三种。无缆水下机器人通常分为水下无人潜水器和既可无人坞可载人的双工潜水器（HOV）。无人潜水器又可分为有缆遥控潜水器（ROV）和无缆自治水下机器人（AUV），另外还有海底爬行水下机器人和拖航式水下机器人。无缆自治水下机器人，简称AUV，这类水下机器人的活动不受电缆约束，其活动范围很大，可达上千公里，其次这种水下机器人的成本较低。因此无论从军事还是民用的角度看，AUV有极其巨大的潜在应用前景。水下自治机器人是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上，水下自治机器人亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器（HOV）相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。与遥控水下机器人（ROV）相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。第十三页，共46页。（1）能源技术水的黏度比空气高，使得水下机器人要比在空气中消耗更多的能量。有缆遥控水下机器人随着深度的增加，高电压的动力输送和动力设备是必需的；对于无缆自治潜水器，只能靠自带的蓄电池，从而大大地限制了它在水下的工作时间。开发应用新的能源，将是自治潜水器向远程、大范围作业发展的关键。（2）水下精确定位、通信和零可见度导航技术水是导电物质，使无线电波在水中的衰减快，无法传播，这样无线电通信、无线电导航及定位以及雷达等都无法使用。如何利用新的信息处理技术研制出高精度、低误码率、作用距离更大的水声设备是水下机器人的关键技术。（3）材料技术在水中每增加10m的水深，外界压力将增加0.1MPa。这就要求机器人上的每一个部件必须能承受大的压力而不变形、不被破坏。高强度、轻质、耐腐蚀的机构材料和浮力材料是水下机器人重点发展的技术问题。第十四页，共46页。（4）作业技术水下机器人的发展目标是代替人完成各种水下作业。柔性水下机械手、专用水下作业工具以及临场感、虚拟现实技术的发展，将使水下机器人在海洋开发中发挥更大的作用。（5）智能技术水的密度和黏滞度比空气高得多，海面的风浪变幻莫测，海底又是千山万壑、暗流纵横的黑暗世界，水下机器人在这样复杂的环境中工作是危险四伏。这使得水下机器人的航行控制、自我保护、环境识别和建模困难得多。目前机器人智能的发展程度还有较长的路要走，由人参与或半自主的水下机器人是解决目前复杂水下作业的现实办法。（6）回收技术水下机器人的吊放回收作业一般是在海面附近进行，所以常受海况条件的限制而成为影响水下机器人水下作业的主要因素。。第十五页，共46页。第十六页，共46页。第十七页，共46页。第十八页，共46页。1．空间机器人的定义宇宙空间充满着对人致命的太阳辐射线，且具有重力、高温差、超高真空等难以使人类生存的恶劣条件，在这样的恶劣环境条件下要有效地进行空间开发，需要能够部分或大部分代替宇航员舱外作业的空间智能机器人。空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人，因此又叫星球探测机器人。星球探测是航天领域中一个重要的研究课题，目前星球探测主要集中在月球探测和火星探测。为了进行这些探测，研制出了多种类型的星球探测机器人。第十九页，共46页。（1）星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制星球探测机器人的机械结构应紧凑、体积小、重量轻，同时与之配套的驱动机构应具备良好的稳定性以及较强的爬坡和越障能力；星球探测机器人的电源主要用于提供动力和为仪器供电，这就需要星球探测机器人使用的电池对环境的适应能力强、体积小、寿命长，功率密度大。（2）星球探测机器人如何适应苛刻的未知环境星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空、反冲原子等苛刻的未知环境外层空间的星球环境可能比地球环境更为复杂。因此，在设计探测机器人时必须考虑到地球上没有的一些特殊环境可能对机器人造成的损害。（3）如何建立一个易于操作的星球探测机器人系统星球探测机器人的工作方式一般同时具备自主和遥控操作两种。一方面，星球探测机器人可以根据自身携带的计算机进行自主决策，实现一定程度的自主导航、定位和控制；另一方面，星球探测机器人也可以接受地面系统的遥控操作控制指令。因此要求星球探测机器人具有很高的智能。第二十页，共46页。第二十一页，共46页。第二十二页，共46页。飞行机器人或称无人机、无人飞机，全称无人飞行载具（Unmanned

Aerial

Vehicle，UAV）或无人飞机系统（Unmanned

Aircraft

System），指的是不需驾驶员在机内驾驶的飞机。

UAV是指借由遥控或自动驾驶技术，进行科学观测、战场侦察等任务的飞行载具；UAV与传统有人飞机相比具有操作成本低、运用弹性大、支援装备少等特性。第二十三页，共46页。（1）飞行机器人的种类一般来说，UAV大致上可分为以下数种：1）近距离UAV：搭载5kg以下，于低高度飞行5km距离，常称为迷你UAV；2）短距离UAV：将飞行距离增加至20km，常称为小型UAV。3）微型UAV：（Micro

Aerial

Vehicle，MAV）指翼展0.5m以下，飞行距离至多2km。4）战术UAV：至少具有20h的飞行时间，视任务而定，升限至少5000m。

5）无人作战空中载具UCAV：（Unmanned

Combat

Aerial

Vehicle）具备类似攻击机的性能。第二十四页，共46页。（2）长时留空无人机为对目标进行长时间监视，弥补无人侦察机留空时间短、对同一目标反复侦察时所需航次多等不足，长时间留空无人机便应运而生。如美国洛克希德公司的微波动力无人机，可在高空飞行60天以上。国外的长时间留空无人机最大续航时间可达1年，可对目标进行连续不断的侦察、监视。第二十五页，共46页。第二十六页，共46页。服务机器人与人们生活密切相关，服务机器人的应用将不断改善人们的生活质量。服务机器人是一种以自主或半自主方式运行，能为人类健康提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。由于服务机器人经常与人在同一工作空间内，服务机器人比工业机器人要有更强的感知能力、决策能力和与人的交互能力。第二十七页，共46页。（1）服务机器人的定义服务机器人目前处于早期阶段国际机器人联合会对服务机器人的定义是：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它所从事的服务工作可使人类生存得更好，使制造业以外的设备更好地工作。德国生产技术与自动化研究所（IPA）对服务机器人所下的定义是：服务机器人是一种可自由编程的移动装置，它至少应有三个运动轴，可以部分或全自动地完成服务工作。这里的服务工作不是指为工业生产而从事的服务活动，而是指为人和单位完成的服务工作。第二十八页，共46页。1）环境的表示服务机器人通常在非结构化环境中以自主方式运行，因此要求对环境有较为准确的描述。2）环境感知传感器和信号处理方法服务机器人的环境传感器包括机器人与环境相互关系的传感器和环境特征传感器。3）控制系统与结构机器人控制系统和体系结构研究目前主要集中在开放式控制器体系结构、分布式并行算法融合等方面。4）复杂任务和服务的实时规划机器人运动规划是机器人智能的核心。运动规划主要分为完全规划和随机规划。5）适应于作业环境的机械本体结构设计在非结构环境下工作的服务机器人是一项富有挑战性的工作。6）人一机器人接口人一机器人接口包含了通用交互式人机界面的开发和友善的人机关系两个方面。第二十九页，共46页。第三十页，共46页。第三十一页，共46页。第三十二页，共46页。一、军用机器人二、农业机器人三、仿人机器人第三十三页，共46页。1．军用机器人概述军用机器人有地面的、水下的和空间的。其中，以地面军用机器人的开发最为成熟，应用也较为普遍。地面军用机器人分为两类：一类是智能机器人，包括自主和半自主车辆；另一类是遥控机器人，即各种用途的遥控无人驾驶车辆。（1）军用机器人特性首先，机器人可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，使战士从繁重的工作中解放出来，而去从事更加重要的工作；其次，由于机器人对各种恶劣环境的承受能力大大超过载人系统，因而，在各种极限条件下，如使用核、生化武器的情况下，战场机器人不仅能生存，还能够完成各种作战任务，而在这样的战场上，士兵要生存，其代价是昂贵的，而且是困难的。最后，由于机器人没有感觉，在环境极其险恶、只有采取某种自杀行为才能挽救战局时，它会毫不畏惧地承担其自杀性的战斗任务。第三十四页，共46页。1）对于地面军用机器人，机器人必须随时对意料不到的障碍物作出反应，还要适应不断变化的地面特征。地面行驶能力和快速准确识别重要目标是发展地面军用机器人面临的重大挑战。2）对于半自主机器人，控制台与机器人之间的每一次数据传输都可能被敌人干扰甚至控制，因此应尽量减少它们之间的信息交换。这样就要求一次交给机器人多项任务，由它独立地去完成，而一个操作人员可以控制多台机器人。3）要进一步提高军用机器人的自主程度，主要依靠以下的关键技术：模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当的人工智能方法，还要开发全局模型，可以为机器人解释所拥有的全局信息，还要在传感器及执行机构方面取得重大进展。第三十五页，共46页。第三十六页，共46页。第三十七页，共46页。第三十八页，共46页。第三十九页，共46页。1．农业机器人概述农业机器人是机器人在农业生产中的运用，区别于工业机器人，是一种新型多功能农业机械。农业机器人的广泛应用，改变了传统的农业劳动方式降低了农民的劳动力，促进了现代农业的发展。（1）农业机器人定义农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备。能够部分模拟人类智能的农业机器人则称为智能型农业机器人。农业机器人可分为移动型和定位型，也可以将农业机器人分为室内型和室外型。农业机器人比工业机器人简单、确定和已知的工作环境和工作对象相比，将面临非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象。第四十页，共46页。1）自动在特定空间行走或移动在果园或田野中自动运动的机器人，其移动和精确定位技术比工业机器人要复杂得多，它涉及地面的凹凸不平、意外的障碍、大面积范围的定位精度。2）对目标的随机位置准确感知和机械手的准确定位由于作业对象是果实、苗、家畜等离散个体，它们的形状和生长位置是随机性的，又多数在室外工作，易受光线变化、风力变化等不稳定因素的影响。3）机械手抓取力度和形态控制技术对于像桃、蘑菇之类的娇嫩对象或蛋类等脆弱产品，机械手抓取力度必须进行合理控制，需具有柔软装置，能适