第1章绪论

2020-03-01 132浏览

1.第1章绪论机器人学简明教程第1章绪论 1.1 机器人的由来 1.2 机器人的分类 1.3 机器人的学科领域 1.4 机器人的发展趋势 1.5 机器人的基本结构 1.6 本书的主要内容
2.第1章绪论 1.1 机器人的由来机器人（Robot）一词首次出现在捷克作家K.Capek1920年的科幻剧《罗萨姆的万能机器人》中，Robot是剧中的人造劳动者。 1950年，美国科幻小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中提出了机器人必须遵守的“三准则”：第1准则：机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害。第2准则：机器人必须服从人类命令，与第1准则相违背的情况除外。第3准则：机器人必须保护自己不受伤害，与第1、2准则相违背的情况除外。这三个准则也是机器人研究和开发中应该遵守的机器人三定律。
3.第1章绪论最早得到应用的机器人是工业机器人，1962年，美国万能自动化公司的第一台机器人（机械手）Unimate在美国通用汽车公司投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从20世纪70年代开始，日本购买美国专利技术生产了大量的工业机器人，并在汽车制造等工业领域广泛应用机器人。工业机器人的使用极大地提高了汽车生产线的工作效率，使得美国和日本的汽车生产在当时占据了主导地位。 20世纪80年代以后，随着机械电子技术、计算机软硬件技术的发展，机器人的应用从工业机器人扩展到了非常广阔的领域，水下机器人、空间机器人、空中机器人、服务机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世。虽然机器人已经得到了非常广泛的应用，但是关于什么是机器人并没有公认的统一的定义。一般把模拟人类的外形、认知和决策等功能的人造机器称为机器人。例如，目前广泛应用的工业机器人主要模拟的是人类手臂的动作和功能。
4.第1章绪论 1.2 机器人的分类机器人的分类方法非常多，按照不同的分类标准可以得到不同的机器人类别。例如，可以按模拟人类功能分为工业机器人（手）、移动机器人（脚）和视觉机器人（眼）；也可以根据机器人的结构分为直角坐标机器人、关节机器人和轮式机器人等。根据智能程度则可以将机器人分为以下三类：
5.第1章绪论示教再现机器人：示教再现与声音和视频的录放含义相同。设置机器人完成工作任务的方法是通过手工或者遥控方式操纵机器人运动，在关键点处记录机器人的位置（相当于录音）。进行作业时把记录的动作再现，即机器人顺序跟踪记忆的位置。因为示教再现机器人能自由地示教动作，所以它可以应用于各种各样的作业，如汽车厂的点焊作业等。因为该类机器人只是简单地重复示教时记忆的动作，所以没有什么智能可言。
6.第1章绪论感觉控制机器人：这类机器人带有传感器，能对自身的状态和周围的环境进行感知，并对感知信息做出反应。例如带力传感器的工业机器人，当它与环境接触时可以做出相应的反应以避免发生强烈的冲击。另外，一些带有视觉传感器的机器人可以根据视觉信息完成跟踪和避障等任务。该类机器人具有感知－动作型的智能，即能对外界刺激做出反应，属于具有低级智能的机器人。智能机器人：这类机器人能够通过传感器主动采集工作环境信息，并借助其自我决策推理能力做出相应的动作，如生产线上能对零件进行识别的装配机器人，以及具有学习能力的机器人等。这类机器人能够模拟人的识别能力或者学习能力，是目前机器人研究的主要方向。
7.第1章绪论另外根据机器人的用途还可以将其分为以下几类：工业机器人：主要应用在制造领域，多用于完成焊接、喷漆、物料搬运和产品检测等工作任务。极限作业机器人：工作于人类难以承受的工作环境，如完成清理核废料、太空及海底探索作业等任务的机器人。军事机器人：用于进攻或防御目的的各种机器人，如扫雷机器人。其中的无人飞机近年来发展非常快，已经成功运用于空中侦察、地面目标攻击等军事任务。服务机器人：用于医疗和家庭服务，完成病人护理、辅助诊断、手术等任务。服务机器人将继工业机器人之后成为需求最为旺盛的机器人。娱乐机器人：各种机器人玩具，日本在该领域处于领先地位，中国也有一些公司从事该方面的工作，已经开发出多种机器人玩具。
8.第1章绪论 1.3 机器人的学科领域机器人学是目前研究十分活跃且被广泛应用的技术之一，机器人学的研究水平已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。机器人学也是一个典型的多学科交叉研究领域，内容涉及机械学、电子学、控制科学、计算机科学、人工智能和生命科学等多个学科。下面是一些与机器人相关的比较重要的研究领域。（1）传感器与感知系统。该领域主要研究适合机器人应用的传感器。构建机器人环境识别认知系统是机器人学研究的重要领域。目前，机器人的认知水平还相对较低，多数成功的应用还是在具有很强的约束下完成的。例如机器人比赛的环境识别还是依靠颜色，而且使用的方法与人类的认知过程相去甚远。
9.第1章绪论（2）驱动器与控制系统。该领域主要研究适合机器人应用的驱动器。机器人应用要求驱动器小型化，同时具有比较大的输出功率。目前机器人常用的高性能驱动器——小型直流伺服电机和舵机还远没有达到理想要求，类人机器人关节质量占总体质量的比例还是非常高的。目前机器人主要采用位置伺服控制，与动物的运动控制系统具有非常明显的差别。（3）机器人用计算机系统。单片机或DSP类的系统开发比较困难，而且经常达不到机器人系统的性能要求。通用的笔记本电脑对于一些机器人系统来说，质量和体积还是太大，且通用计算机的大多数功能对机器人系统是没用的。因此，开发质量轻、体积小、计算能力强且方便开发的机器人用计算机系统对机器人的研究和应用是非常重要的。
10.第1章绪论（4）机器人应用系统。不论任何研究，必须有实际的应用需求，尤其是成功的商业应用才具有强大的生命力。机器人发展初期工业机器人的广泛应用对机器人研究发展的巨大推动作用就是最好的例证。采用机器人技术来解决实际问题是机器人研究的最主要课题之一。
11.第1章绪论 1.4 机器人的发展趋势 1.娱乐机器人研究日本近年来研究开发了多种娱乐机器人，其中最著名的当属本田公司的类人机器人“Asimo”。“Asimo”从形态到动作都比较好地模拟了人类，可以完成跑步、上楼梯和与人类交流等任务（见图1－1）。“Asimo”机器人的控制系统基本属于位置伺服控制，首先根据稳定性、期望动作等约束规划各关节的期望轨迹，然后采用高性能的伺服电机实现关节轨迹跟踪。另外，Sony公司的类人机器人可以完成优美的舞蹈动作，早期用于机器人比赛的机器狗也非常具有娱乐效果。
12.第1章绪论图1－1 “Asimo”表演踢球
13.第1章绪论 2.服务机器人研究欧美在机器人学的研究方面选择了与日本不同的路线，研究的重点是机器人的服务应用领域，其中比较有影响的是波士顿动力实验室2005年开发并向外界发布的四足机器人 “BigDog（大狗）”。“大狗”可以在崎岖的山路甚至光滑的冰面上稳定行走，在试验中工作人员狠狠地踹了“大狗” 一脚，它的反应和真正的动物一样，沿着受力方向快速移动并马上恢复正常行走状态。最近，波士顿动力实验室又发布了他们开发的双足机器人，机器人的行走和对外界环境的反应均与人类十分相似。图1－2是“大狗”在山路上行走的情景。
14.第1章绪论图1－2 在山路上行走的“大狗”
15.第1章绪论机器人研究的另一个成功例子是被动行走机器人。该研究采用与传统轨迹跟踪控制完全不同的思路，充分利用了系统的动力学特性，系统的能量效率得到了非常大的提升。 2005年美国康乃尔大学、麻省理工学院和荷兰代尔伏特理工大学在美国《Science》杂志上发表了关于采用被动行走技术的双足机器人的文章。该双足机器人的行走步态和能量效率与人类十分相似。另外，在军事应用方面，穿戴助力机器人可以使战士背负更重的装备，假肢机器人（见图1－3）可以使腿残疾的人和正常人一样行走。
16.第1章绪论图1－3 假肢机器人
17.第1章绪论服务机器人研究的另一个热点领域——家庭服务机器人研究，目前已经得到了国内外学者的广泛关注。近年来欧盟各国、日本、韩国和中国都启动了服务机器人研究计划，中国863计划的服务机器人重大项目一期投入经费4648万元，资助了14个相关项目，2010年启动了二期项目。随着中国老龄人口比例的迅速增加、劳动力比例的减少，各种服务机器人，尤其是家庭服务机器人具有非常大的社会需求。据国际机器人联合会（IFR）2009年统计，到2008年年底，服务机器人的市场达112亿美元，家庭服务机器人达440万台。IFR预测2009〖CD1〗2012年间家庭服务机器人销售将达到480万台，具有广阔的市场前景。为了促进家庭服务机器人技术的发展，国际 RoboCup机器人竞赛从2006年开始增加家庭服务机器人比赛项目，从2007年起该项目列为中国RoboCup机器人竞赛正式比赛项目。中国科技大学、上海交通大学和上海大学等家庭服务机器人队伍在目标识别、小型物体的抓取等方面达到了较高的水平。
18.第1章绪论家庭服务机器人的关键技术主要包括以下几个方面： (1)物体识别技术。机器人需要识别家庭环境，如家具、电器和玩具等。 (2)人体识别技术。通过人脸检测和识别技术识别主人和陌生人，识别人的动作和表情等。 (3)动态不确定环境下的自定位、地图创建与导航。家庭环境是动态变化的，如家具等可能移动位置，因此机器人需要在完成自定位的同时完成环境地图创建，并在此基础上实现从当前位置到目标位置的自主导航。
19.第1章绪论 (4)人机交互与语音识别技术。机器人需要与人类进行交流，人可以通过语音向机器人发布命令，同时机器人可以通过语音向人类进行询问、回答人类的问题、表达机器人完成任务的情况。 (5)物体操纵技术。机器人需要完成为主人开门、拿食物饮料、清扫房间等任务，因此机械臂是家庭服务机器人必需的装备。为了让机器人走进家庭，必须很好地解决前面提到的家庭服务机器人的关键技术，而这些技术属于多学科的交叉研究范畴。
20.第1章绪论 1.5 机器人的基本结构机器人的基本结构如图1－4所示，机器人通过对外部环境的感知和人机接口实现与外部世界的信息交互。机器人系统一般由人机接口子系统（人机接口装置）、控制子系统（控制装置）、驱动子系统（执行装置）和感知子系统（传感装置）等组成。下面以图1－5所示的家庭服务机器人系统为例说明机器人系统的构成。
21.第1章绪论图1－4 机器人基本结构图
22.第1章绪论图1－5 家庭服务机器人系统
23.第1章绪论该机器人是为开展家庭服务机器人相关技术研究而开发的机器人平台,其人机接口子系统主要由语音交互系统构成，采用微软的语音识别与合成库实现人与机器人之间的信息交流。该机器人的控制子系统主要由一台高性能的笔记本电脑构成，根据人的指令和机器人对外部环境的感知控制机器人完成相应的动作。驱动子系统主要由四个直流伺服电机构成的全向移动底盘、六个数字舵机构成的一对两自由度机械手和一个丝杠构成的升降平台组成。整个系统具有5个自由度，可以完成在工作空间内竖直摆放瓶子等物体的抓取任务。若再增加一个腕部的旋转自由度，即可实现任意方位物体的抓取操作。感知子系统由两部分组成：①由感知外部环境的视觉传感器（微软Kinect）与距离传感器平面激光扫描雷达组成的外传感器； ②由感知机器人自身状态的多个旋转编码器组成的内传感器。
24.第1章绪论 1.6 本书的主要内容机器人学是典型的多学科的交叉领域，在较短的时间内学习和掌握所有相关内容是不切合实际的。因此，本书将重点介绍机器人学中最基础和重要的部分，希望通过本书的学习读者可以掌握机器人学的基本原理和技术，并为进一步的机器人学研究和应用开发打下良好的基础。
25.第1章绪论本书主要包括以下内容：（1）空间描述与坐标变换：该部分属于机器人学的数学基础知识，是进行机器人运动学分析、机器人定位与导航等研究和应用开发的基础。（2）机器人运动学和逆运动学：该部分介绍机器人的运动学和逆运动学问题，包括机器人连杆描述的规范方法，以及典型工业机器人的运动学和逆运动学问题。因为目前大部分机器人采用位置伺服控制，所以运动学分析非常重要。（3）机器人静力学与动力学：该部分主要介绍机器人关节力矩与末端环境接触力之间的静力学关系，建立机器人动力学的拉格朗日方法。此部分是机器人控制和仿真研究的基础。
26.第1章绪论（4）机器人路径规划:该部分主要介绍了移动机器人路径规划和机械臂轨迹规划方法。机械臂轨迹规划部分重点介绍关节空间的三次多项式插值规划方法。（5）机器人驱动器与传感器:该部分主要介绍了机器人最常用的驱动器——直流伺服电机和舵机，以及常用的角位置传感器——旋转编码器。（6）机器人控制:该部分主要介绍了机器人运动分解控制方法和力控制方法，还介绍了非线性系统稳定性分析的李雅普诺夫直接法。

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