机器人技术基础及应用 课件 第9、10章 机器人应用、机器人技术变革

机器人技术基础及应用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第九章:机器人应用29.1机器人应用概述9.2工业机器人9.3服务机器人9.4特种机器人目录3随着机器人技术的不断革新，在确保安全、经济、有效、高质的前提下，需要创造与总结新的经验，包括在各种产业部门批量使用机器人的经验。目前，机器人除了在工业领域外，还在医疗康复、海空探索和军事等领域获得广泛应用。本章将以工业机器人、服务机器人和特种机器人为例，说明机器人的应用。9.1机器人应用概述4现代工业机器人主要应用于汽车行业机电行业建筑业金属加工铸造等其它轻重型工业部门。工业机器人的应用可分为四个方面：材料加工零件制造产品检验和装配。9.2工业机器人59.2工业机器人9.2.1焊接机器人焊接机器人(weldingrobot)是工业机器人中应用领域最广的机器人，约占工业机器人总数的25%。常用的焊接机器人有点焊机器人和弧焊机器人。69.2工业机器人焊接机器人由机械本体、控制柜和焊接电源等组成。工作原理:焊接机器人采用可编程的控制方式，工作人员事先根据工作任务和运动轨迹编制控制程序，并将其输入到控制器中，机器人则会按照指令复现出运动轨迹。焊接机器人整体79.2工业机器人许多新一代焊接机器人采用视觉方法对焊缝进行自动检测和自动跟踪，使自动化程度和焊接质量达到更高的水平。89.2工业机器人9.2.2搬运机器人搬运机器人(handlingrobot)是可进行自动化搬运作业的工业机器人。常用的搬运机器人有龙门式搬运机器人、悬臂式搬运机器人、侧壁式搬运机器人、摆臂式搬运机器人和关节式搬运机器人等(a)龙门式机器人

(b)悬挂式机器人(c)摆臂式机器人

(d)关节式机器人99.2工业机器人由视觉、机器人和监控三个子系统组成。工作原理:通过视觉系统，测定传送带上零件的方向和位置，将零件抓放至合适的位置。视觉搬运机器人—CONSIGHT109.2工业机器人9.2.3喷涂机器人喷涂机器人(sprayrobot)是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。119.2工业机器人焊接机器人由机器人本体、喷涂机、控制器等组成。工作原理:喷漆机器人一般采用液压驱动，多采用5或6个自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2至3个自由度，可灵活运动喷涂机器人系统129.2工业机器人PJ-I喷涂机器人是国内研制的最早喷涂机器人之一，由操作器、油源和控制装置组成。工作模式分为示教和再现两个过程。PJ-I装配图139.2工业机器人9.2.4检修机器人检修机器人(maintenanceandinspectionrobot)用于一些危险和工人不方便作业的场合(高空作业、管道等)。(c)管道检修机器人14服务机器人组成部分移动机构感知系统控制系统服务机器人关键技术自主移动技术感知技术人机交互9.3服务机器人159.3服务机器人9.3.1手术机器人手术机器人(surgicalrobot)被称为刀尖上的科技。借助机械臂、控制台和成像系统，协助医生以微创手术的形式进行准确控制，完成复杂的手术。(a)骨科手术机器人

(b)神经外科手术机器人

手术机器人169.3服务机器人达芬奇手术机器人是世界上仅有的、可正式在腹腔手术中使用的机器人手术系统，也是目前最复杂和最昂贵的外科手术系统之一。术者通过手术台车上仿真机械臂、声控、手控或踏板完成各项手术操作。PJ-I装配图179.3服务机器人康复机器人(rehabilitationrobot)帮助残疾人解决生活中活动困难的一种机器人。(a)上肢康复机器人(b)下肢康复机器人康复机器人康复机器人可划分为：康复训练机器人和辅助型康复机器人。驱动方式有电机驱动、气压驱动、油液驱动和气动肌肉等9.3.2康复机器人189.3服务机器人肌电接口技术，通过对肌电图的检测，人们可以做出肌疲劳性、重症肌无力、肌强直、肌萎缩等各种肌病的临床诊断；同时，还可以利用人体表面肌电的某些特征进行识别来驱动康复设备的动作。肌电接口技术199.3服务机器人BCI技术BCI关键技术包含信号采集、特征提取、信号分类和生物反馈。大脑在进行活动时，神经细胞将产生微电活动传到头皮表层形成脑电波(EEG)，通过检测、信号处理辨析出人的意图，随后将其转换为控制命令，来实现对外部设备的控制和与外界的交流。209.3服务机器人教育机器人(educationalrobot)应用在教育领域，成本较低、安全性比较高，整体的性价比比较好，在使用的过程中开放性比较好。(a)乐高机器人(b)BIOLOID机器人教育机器人9.3.3教育机器人219.3服务机器人教育机器人应用外国的学者运用语音识别、口语理解、会话管理、情感表达等技术设计了Mero机器人和EngKey口语教育机器人并投入使用。229.4特种机器人特种机器人(specialrobot)是指应用于专业领域，一般由经过专门培训的人员操作或使用的，辅助或代替人执行任务的机器人。具有灵活性、机动性，可代替人完成重复、繁琐或危险的劳动，已广泛应用于消防、军用、海洋探索等领域。239.4特种机器人9.4.1水下机器人水下机器人(underwaterrobot)是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。主要于在海上救援、石油开发、地貌勘察、科研、水产养殖、水下船体检修清洁、潜水娱乐、城市管道检测等领域。奋斗者号载人潜水器

249.4特种机器人水下机器人根据不同的特征，可分为：浮游式水下机器人、步行式水下机器人、移动式水下机器人。(a)浮游式水下机器人

(b)步行式水下机器人

(c)移动式水下机器人259.4特种机器人9.4.2空间机器人空间机器人是指能在宇宙空间作业的机器人，近年来随着智能机器人的发展与研究，其已成为新的研究领域，是空间开发的重要组成部分。主要任务：(1)先驱勘探；(2)能量补给；(3)功能服务；(4)科学实验。特点：体积比较小；重量比较轻；抗干扰能力比较强；智能程度比较高；功能全；耗能低；工作寿命长；可靠性高。269.4特种机器人空间机器人按用途可以分为：舱内/外服务机器人、星球探测机器人、自由飞行机器人。(a)航天飞机遥操作臂(b)“海盗号”火星探测器(c)“轨道快车”项目279.4特种机器人9.4.3军用机器人军用机器人是一种用于完成以往由人员承担的军事任务的自主式、半自主式或人工遥控的机械电子装置。目标：完成预定的技术或战略任务(a)地面军用机器人

(b)核潜艇(c)军用微型无人机289.4特种机器人9.4.4消防机器人消防机器人作为特种机器人的一种，广泛的应用于消防救援当中。作用：代替消防救援人员进入有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场代替救援人员进行数据采集、处理(a)高楼消防供水机器人(b)自动灭火小型机器人(c)搬移危险品的消防机器人29作业习题：1-1、1-3、1-5。机器人技术基础及应用Fundamentalsandapplicationsofrobotics机器人技术基础及应用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第十章:机器人技术变革3110.1机器人技术变革概述10.2仿生机器人10.3软体机器人10.4微纳机器人目录32随着科学技术的不断发展以及发展战略的进一步深入实施，机器人技术迎来了重大变革。机器人技术逐渐聚焦国家战略与产业发展需求，把握机器人技术发展趋势，研发例如仿生机器人、水下机器人、软体机器人与微纳机器人等前沿技术，推进人工智能、5G、大数据、云/雾/边缘计算等新技术的融合应用。10.1机器人技术变革概述3310.2仿生机器人10.2.1足式机器人足式机器人理论与技术是一个多学科集成的研究领域，涉及智能控制(主要包括位置与姿态的稳定性控制、鲁棒控制)、行为步态的自动生成方法、和谐人机交互理论、人工智能与人工情感理论方法等多个方面。3410.2仿生机器人Atlas双足机器人是由一个由28个驱动器组成的液压系统提供动力，其内部充满了这些液压驱动器以及连接它们的液压管道。它的控制软件是采用了机器人身体的基本物理学的数学模型，以及它如何与环境互动。阿特拉斯依靠其整个身体来平衡和移动。当跳过障碍物或做杂技特技时，机器人不仅使用它的腿，而且还使用它的上半身，摆动手臂来推动自己。

波士顿动力Atlas双足机器人3510.2仿生机器人Spot四足机器人的腿由12个定制的直流电机驱动，每个电机配备减速器，以提供高扭矩。Spot的硬件包括用于控制的处理板，以及用于感知的传感器模块。每个模块由一对立体相机、一个广角相机和一个纹理投影仪组成，能在低光下增强3D感知能力。这些传感器使机器人能够使用SLAM导航方法，即同时定位和测绘，来自主地四处游走。

波士顿动力Spot四足机器人3610.2仿生机器人10.2.2仿生鱼近年来，随着仿生学、人工智能的不断进步以及机器人技术的发展，仿生机器鱼(BiomimeticRoboticFish)的研究成为鱼类推进机理和机器人技术的结合点。仿生机器鱼是参照鱼类游动的推进机理，利用机械电子元器件或智能材料实现水下推进的一种运动装置。3710.2仿生机器人德国FESTO，所设计的Airacuda是一种具有鳍推进功能的仿生漂浮物，采用气动驱动，在构造、设计和运动学方面遵循其生物模型。有四个气动肌腱，可实现S形运动，并且尾鳍可以平顺转向偏转。Airacuda像其自然原型一样，借助气泡设法在水中保持平衡。内部有一个空腔，可以充满水或充满空气。压力传感器确定深度并向电子设备发送信号，然后电子设备打开相应的阀并向腔室供应真空或压缩空气。FESTO还设计了一款灵感源自蝠鲼的水下机器鱼Aqua_ray。其采用流量优化的结构，易于灵活、高效地在水中操纵。仿生鱼不仅在形式和设计上模仿真实的蝠鲼，它的运动模式也非常接近自然原型。AiracudaAqua_ray3810.2仿生机器人中科院自动化所在对鱼类深入观察的基础上，开发了多种类型的微小型机器鱼以及多机器鱼协调控制系统，并对机器鱼的控制、感知能力以及协调控制方法开展了深入的研究。仿豹鲂鮄机器鱼（RobDact）拥有一对波动长鳍与一个大功率双关节尾鳍，可实现原地旋转、浮潜以及狭窄的空间内自由运动。它同时具有一定负载能力，以及良好的环境友好性、机动性和运动稳定性。仿豹鲂鮄机器鱼（RobDact）3910.2仿生机器人香港大学机械工程系研发的SNAPP，保持着一项于2020年创下的吉尼斯世界纪录：游完50m的水下路线只需耗时22.92秒，其以2.18米/秒的速度突破了人类游泳的科学界限。SNAPP采用模块化设计，便于维护、维修和定制。浮力可通过增加身体组件来增加，其防水性能得益于它使用了丙烯酸管和O型圈。它还使用433MHz低频无线电，所以能更好地穿透水下信号。SNAPP以3D打印制作而成，总成本大约641美元。模块化结构的SNAPP4010.2仿生机器人10.2.3扑翼飞行机器人鸟类扑翼飞行四个阶段：下拍阶段：鸟机器人的机械翅膀从后上方向下前方拍动，在下拍的过程中翅膀同时向前扭转，此时翅膀基本保持平直。弯曲阶段：在下拍到最低点时翅膀有一个短暂的停顿，翅膀外部向下折叠成拱形。上提阶段：鸟机器人从最低点向上提的过程中，只有脑骨关节部分抬起，腕关节只稍向后扭转，仍保持低下位置，整个翅膀保持折叠成拱形。展平阶段：骨关节几乎抬到最高点时，前肢迅速抬起到“充分高”的部位，翅膀迅速展平，然后重复循环。4110.2仿生机器人SmartBird哈工大鸟类扑翼飞行机器人德国FESTO公司设计的“SmartBird”，哈工大团队设计制作的机器海鸥等都是鸟类扑翼飞行机器人。4210.2仿生机器人昆虫类扑翼飞行机器人能够在空中实现任意前进、倒退与悬停。如黄蜂的翅膀是类似平面的薄体结构，不能伸缩变形，不具滑翔能力，只能通过高频振动和灵巧的扑翅运动产生足够升力。昆虫机器人在空中飞行，可以沿者三个自由度方向来改变飞行姿态。Micro-Bat扑翼机器人，机翼结构形状模仿蝙蝠或昆虫的翅膀，利用微机电系统（MEMS）技术加工制作。Micro-Bat扑翼机器人4310.3软体机器人在众多软体机器人中软体机器人手/臂以独特的操作性能和广泛的应用领域得到率先发展。10.3.1软体机械臂应用前景：在太空捕获、水下操作、消防救援等领域。分类：依附型软体机械臂，主要配合运动机器人和人体完成操作任务；独立软体机械臂，兼具位姿变换功能，实现了抓持结构与运动功能的巧妙融合。4410.3软体机器人麻省理工学院研制一款三维空间运动软体机械臂，它完全由低硬度弹性体组成，并由压缩空气提供动力，通过特定的形状设计使软体机械臂实现给定的抓取动作。麻省理工学院软体机械臂上海交大线驱动软体机械臂机器人上海交通大学某课题组提出了一种基于光纤布拉格光栅（FPG）传感的传感网络，以及采用机械臂末端的视觉反馈系统进行软体机械臂的运动控制研究。利用形状感知算法基于分段恒定曲率和扭矩假设，可以将传感器网络测量的曲率和扭矩转化为节点的全局位置和方向。4510.3软体机器人特点：由于软材料比刚性材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体手的设计和控制方法上也具有了更多可能。10.3.2软体机械手哈佛气动驱动软体机器手4610.3软体机器人中科大计算机学院陈小平教授团队研究了一种“象鼻”软体机器手。基于蜂巢气动网络结构，制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂，其负载能力约为3Kg，负载自重比达到了1：1。这种结构使用桌面级3D打印机打印，决定了这一机器人成本低、易制备。象鼻机器人转动手轮气动软体机器手抓取不同物体北京航空航天大学文力课题组研究了一种四指气动柔性软体机器人，构建了一个具有可调有效手指长度的四指软机器人抓手，它具有无限自由度近似于生物手指。在多个有效手指长度和气动空气压力下，机器手抓握不同形状和尺寸的物体。4710.3软体机器人10.3.3软体仿生机器人世界首个全软体机器人Octobot2016年，麻省理工提出了世界上首个全软体机器人Octobot（软体章鱼机器人）。Octobot是一只仅手掌大、各个构件都不使用硬性材料的自动机器人，不仅机器人的躯干和驱动器是柔性材料，连控制系统和电源也使用柔性材料，无需再受外置电缆的牵制。实现运动：爬行、跳跃、游动、蠕动和滚动等4810.3软体机器人中科院宁波材科所设计的一种由智能变形水凝胶制作的小型软体机器人。研究人员制备具有超快温度响应的PNIPAm复合水凝胶，将双层水凝胶切断并重新排序组装，形成更多的自由度与变形策略。智能变形水凝胶软体机器人浙江大学自供电软体机器鱼浙江大学李铁风教授团队联合之江实验室，提出机电系统软-硬共融的压力适应原理，成功研制了无需耐压外壳的仿生软体智能机器人，首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动。4910.4微纳机器人特点：质量轻、体积小、灵活性高、推重比大等10.4.1微型机器人分类(按尺寸大小)：微米至厘米级尺寸的机器人纳米至微米级尺寸的机器人作用：前者尺寸稍大，可搭载通信、控制、监测等多种负载，在人工监督下完成预定路线的任务；后者一般由外力驱动，主要用于生物医疗等领域。5010.4微纳机器人四足MEMS微型机器人类水黾微型机器人利用NiTi合金构建线形致动器，尺寸为3.5mm×6.0mm×5.1mm的四足MEMS微型机器人。致动器采用电驱动，腿部为四连杆机构，可将致动器的线性运动转为步态运动。基于超疏水和光热转换特性的复合材料—石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料，制作了一种类水黾微型机器人，可以在水面上滑行和180°翻滚跳跃，并表现出良好的红外光驱动性能和磁可控性。5110.4微纳机器人环境约束：低雷诺数和布朗运动10.4.2微纳米机器人分类(按驱动方式)：物理场驱动微纳米机器人、化学驱动微纳米机器人、生物驱动微纳米机器人、混合驱动微纳米机器人。5210.4微纳机器人制造方法：(a)生物手段的自组装；(b)3D打印；(c)自卷曲技术制造等。(a)不对成结构

(b)螺旋结构

(c)管状结构5310.4微纳机器人(a)电场驱动微纳机器人(b)光驱动微纳机器人(c)磁场驱动微纳机器人(d)气泡驱动微纳机器人

(e)超声驱动微纳机器人物理场驱动微纳米机器人磁驱动微纳米机器人，适用于远程操作,在生物医疗领域具有巨大的应用前景。光驱动微纳米机器人主要是基于光催化反应，具有远程可控、高时空分辨率等多种优势。除此之外，物理场驱动的微纳米机器人还包含超声驱动微纳米机器人、气泡驱动微纳米机器人与电驱动微纳米机器人。5410.4微纳机器人化学驱动微纳米机器人学驱动一般是基于化学反应进行驱动。常见的是催化反应，如酶催化反应、过氧化氢（H2O2）催化反应等。通过与化学燃料反应产生不对称的浓度梯度诱导微纳米机器人的运动。5510.4微纳机器人基于活细胞的生物驱动微纳米机器人自然界中有很多具有自运动能力的微生物，如精子、藻类细胞、细菌和心肌细胞等。这些生物体表现出高能量转换效率以及生物相容性。将它们作为驱动马达可以制备出具有特定功能的微纳米机器人，比如在药物递送时可以和癌细胞特异性靶向结合等。5610.4微纳机器人混合驱动微纳机器人在面对复杂的应用环境以及特定的功能任务时，具有单一驱动方式的微纳米机器人可能无法实现目标任务。(a)光-磁混合机器人

(b)光-超声混合机器人通常使用多种控制方式共同驱动，采用化学驱动和磁驱动方式共同驱动的微纳米机器人与采用单