《机器人技术概论》教学课件-模块7-机器人应用领域

模块7机器人应用领域前言机器人能够在一些特殊的危险环境下作业，能够替代人类从事水下、开采、矿山、太空等特种环境下的工作。从各个角度考虑，机器人的优势将会越来越突出，由工业领域逐渐扩大到非工业应用，种类越来越多，智能程度不断提高，应用领域将会越来越广泛。目录机器人在非工业领域的应用机器人在工业领域的应用

单元1机器人在非工业领域的应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。①感知装置是指可以在家庭居住环境内感知到一项或多项信息，如拍摄到周围的人脸、识别出说话的声音、检测到周围的障碍、测量出到指定位置的距离、检测出室内的温度、检测出火灾、检测出易燃气体、检测出时间、检测出是否碰撞到其他物品、检测出人体体温、辨识出方向。②接收装置接收通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出信号，并送给控制装置。一、生活应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。③发送装置通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出指令到执行装置，以及发送防盗监测、安全检查、病况监视信息并通知在外的家人。④控制装置是对接收到的信号和感知装置感知到的信息进行综合分析处理，发出指令控制执行装置完成相应的工作。一、生活应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。⑤执行装置是指可以完成一项或多项工作，如防盗监测、安全检查、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、开支管理。⑥存储装置是存储感知装置感知的信息以及其他装置产生的相关数据的硬盘存储器。⑦交互装置通过触摸屏、液晶显示器、小键盘来与用户交流，并且显示家政服务机器人的工作状态。一、生活应用医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。其中运送物品的机器人可代替护士送饭、送病历和化验单等，较为著名的有美国TRC公司的“护士助手”机器人。移动病人机器人主要帮助护士移动或运送瘫痪和行动不便的病人，如英国的“PAM”机器人。临床医疗用的机器人包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人，可以进行精确的外科手术或诊断，如日本的“WAPRU4”胸部肿瘤诊断机器人。二、医疗应用医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。为残疾人服务的机器人可以帮助残疾人恢复独立生活的能力，如美国的PrabCommand系统。恩格尔伯格创建的TRC公司的第一个服务机器人产品就是医院用的“护士助手”机器人，它于1985年开始研制，1990年开始出售，目前已在世界各国几十家医院投入使用。二、医疗应用医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。“护士助手”机器人是自主式机器人，它不需要有线制导，也不需要事先做计划，一旦编好程序，它随时可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品、运送试验样品及试验结果，在医院内部送邮件及包裹。这种机器人由行走部分、行驶控制器及大量的传感器组成。二、医疗应用医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。机器人可以在医院中自由行动，其内部装有医院的建筑物地图，在确定目的地后机器人利用航线推算法自主地沿走廊导航，由结构光视觉传感器及全方位超声波传感器探测静止或运动物体，并对路线进行修正。它的全方位触觉传感器保证机器人不会与人和物相碰，车轮上的编码器可以测量出它行驶过的距离。二、医疗应用医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。在走廊中，机器人利用墙角确定自己的位置，而在病房等较大的空间时，它可利用天花板上的反射带，通过向上观察的传感器帮助定位，需要时它还可以开门。在多层建筑物中，它可以给载人电梯打电话，并进入电梯到所要到的楼层。紧急情况下，例如某一外科医生及其病人使用电梯时，机器人可以停下来，让开路，2分钟后它重新启动继续前进。通过“护士助手”上的菜单可以选择多个目的地，机器人有较大的荧光屏及用户友好的音响装置，用户使用起来迅捷方便。二、医疗应用(一)又称无人机，近年来在军用机器人中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的军用机器人。纵观无人机发展的历史，可以说现代战争是推动无人机发展的动力。空中机器人美国第一代侦察机器人是在海军陆战队的支持下，由海洋系统中心研制的。它由M113装甲人员运输车改装而成，体积较大。如图7-4所示为美军战场侦察机器人。侦察机器人(二)三、军事应用三、军事应用如图7-5所示，TurtleBot2机器人是WillowGarage设计的一款性能优良、价格低廉的机器人开发平台。其操作简单、可扩展性强，既能满足科研机构的研发需要，也为机器人技术爱好者提供了一个强大的机器人应用开发平台。TurtleBot2机器人的硬件主要有YujinKobuki移动底座、Kinect视觉传感器、双核笔记本、2200mAh电池和可装卸的结构模块。TurtleBot2机器人使用目前最流行的ROS（RobotOperatingSystem）作为操作系统，能实现3D地图导航、跟随等功能。TurtleBot2机器人配备有ROS开放源码的SDK及相关的示例源代码，以帮助使用者开发及测试自己开发机器人的算法程序。由于Turtlebot2机器人价格便宜，非常适合用来做机器人研究及为个人或家庭提供机器人开发平台，故正在被越来越多的院校、研究所以及个人所采用。四、科研应用阿尔法狗（AlphaGo）围棋机器人是第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机器人，它由谷歌旗下DeepMind公司戴密斯·哈萨比斯领衔的团队开发。2016年3月，阿尔法狗围棋机器人与围棋世界冠军、职业九段棋手李世石进行围棋人机大战，以4比1的总比分获胜；2016年末、2017年初，该程序在中国棋类网站上以“大师”（Master）为注册账号与中日韩数十位围棋高手进行快棋对决，连续60局无一败绩；2017年5月，在中国乌镇围棋峰会上，它与当时排名世界第一的世界围棋冠军柯洁对战，以3比0的总比分获胜（图7-6）。围棋界公认阿尔法狗围棋机器人的棋力已经超过人类职业围棋顶尖水平，在GoRatings网站公布的世界职业围棋排名中，其等级分曾超过排名人类第一的棋手柯洁。五、其他非工业应用阿尔法狗（AlphaGo）围棋机器人是第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机器人，它由谷歌旗下DeepMind公司戴密斯·哈萨比斯领衔的团队开发。阿尔法狗围棋机器人是一款带有围棋人工智能程序的智能机器人，其主要工作原理是“深度学习”。“深度学习”是指多层的人工神经网络和训练它的方法。一层神经网络会把大量矩阵数字作为输入，通过非线性激活方法取权重，再产生另一个数据集合作为输出。这就像生物神经大脑的工作机理一样，通过合适的矩阵数量，多层组织链接一起，形成神经网络“大脑”进行精准复杂的处理，就像人们识别物体标注图片一样。五、其他非工业应用阿尔法狗（AlphaGo）围棋机器人是第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机器人，它由谷歌旗下DeepMind公司戴密斯·哈萨比斯领衔的团队开发。阿尔法狗围棋机器人用到了很多新技术，如神经网络、深度学习、蒙特卡洛树搜索法等，使其实力有了实质性飞跃。美国脸书公司“黑暗森林”围棋软件的开发者田渊栋在网上发表分析文章说，阿尔法狗围棋机器人系统主要由几个部分组成:①策略网络（PolicyNetwork）:给定当前局面，预测并采样下一步的走棋；五、其他非工业应用阿尔法狗（AlphaGo）围棋机器人是第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机器人，它由谷歌旗下DeepMind公司戴密斯·哈萨比斯领衔的团队开发。②快速走子（FastRollout）:目标和策略网络一样，但在适当牺牲走棋质量的条件下，速度要比策略网络快1000倍；③价值网络（ValueNetwork）:给定当前局面，估计是白胜概率大还是黑胜概率大；④蒙特卡洛树搜索（MonteCarloTreeSearch）:把以上这三个部分连起来，形成一个完整的系统。五、其他非工业应用

单元2机器人在工业领域的应用搬运码垛应用工业机器人发明到现在已经有五六十年了，历史上第一台工业机器人是用于通用汽车的材料处理工作。“吃苦耐劳”“不要工资”的工业机器人在各个行业开花结果、广泛应用。搬运作业就是将工件从一个加工位置移到另一个加工位置，许多自动化生产线都需要使用搬运机器人进行上下料、搬运以及码垛等操作，如图7-7所示。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，首次用于搬运作业的两种机器人分别为Versatran和Unimate。搬运码垛应用一、搬运码垛应用搬运码垛应用搬运机器人在进行搬运作业时，能够代替部分人工操作，按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。虽然目前搬运已经是机器人应用中的“巨头”，但是它的应用份额还将随着协作机器人的兴起进一步扩大。这种新型机器人能够直接和人类员工一起并肩工作而无须使用安全围栏进行隔离。一些中小企业认为机器人自动化过于昂贵和复杂，因而无力承担，协作机器人顺势而生。它们重量轻、高度灵活、移动方便，且能够重新编程以解决新的任务，价格相对便宜，可帮助企业实现短期、小批量生产的目标。搬运码垛应用一、搬运码垛应用焊接应用据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊，如图7-8、图7-9所示。焊接机器人是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。焊接与其他工业加工过程不一样，如电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却会产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置，适时地调整焊枪的位置、姿态和焊接行走线路的速度，以适应焊缝轨迹的变化。焊接应用二、焊接应用焊接应用然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其他加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。焊接应用二、焊接应用焊接应用我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步。目前我国已基本掌握了机器人操作机的工业机制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，中国机器人技术及其工程应用的水平和欧美比还有一定的距离。例如，可靠性低；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与欧美比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业等。焊接应用二、焊接应用喷涂应用喷涂机器人是机器人大家族中的一个分支，在实际应用中普及得很快，主要是因为机器人的价格降到了可以接受的水平，并且在使用中可以找到配套的资源，也可以解决使用中出现的问题，如集成视觉系统的机器人可以自动选择合适的机器人程序，能实现一致的、高质量的喷涂效果（图7-10）。此外，人们越来越重视喷涂环境对工人身体的危害。喷涂应用三、喷涂应用喷涂应用喷涂机器人的优点有改善产品质量、大大减少用漆（粉）量、节省人工成本、保证人身安全、节省空间及能耗。（1）改善产品质量。喷涂机器人会按照喷涂工程师的程序指令进行稳定、重复地工作，喷枪与工件之间总保持着既定的距离、角度，喷漆量永远是设定的，不用担心会发生聚集滴落、厚度不均的情况。同时，机器人可以带着喷枪到达人工难以喷涂的部位，这样喷涂后的产品质量是稳定且一致的。（2）大大减少用漆（粉）量。正由于机器人喷涂的稳定性及一致性，不会出现过喷、超范围喷涂，用漆（粉）量会比人工喷涂节约15%～30%，从而减少对回收粉的污染，机器人喷涂要比人工喷涂小得多，从而可提高回收粉的质量，减少喷涂不良品。喷涂应用三、喷涂应用喷涂应用（3）节省人工成本。涂装的生产线一般都是连续运行的，只要有工件在生产线上生产，机器人可以始终不知疲惫地工作，而工人无法达到一直连续工作不休息的状态。（4）保证人身的安全。喷涂机器人贡献之一就是将喷涂工作者从有严重危害的工作环境、枯燥重复的工作状态中替换出来，这样既可减少公司在防护用具上的购买支出，还降低了后续因工作环境导致工人身体损害的补偿成本及法律成本。（5）节省空间及能耗。机器人的灵活性使其可以在高密度的生产线或空间内安装，可以有地面、墙壁、导轨、顶棚等多种安装方式。这样喷涂间的面积就会缩小，节约了场地成本。喷涂的环境是需要一定能耗来维持的，空间缩小了，能耗自然会降低。喷涂应用三、喷涂应用打磨抛光应用工业机器人在打磨抛光方面的应用历来是一个难点，相对而言可发展的市场空间也比较大，工业机器人的打磨抛光系统可以有效清理和控制在抛光过程产生的废物污染，不会污染环境或影响操作人员健康。工业机器人抛光系统在复杂形面工件的精加工领域，具有不可替代的优