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第1章 机器人系统概述,任课教师 石志国 副教授,教师简介,石志国，男，副教授，物联网与电子工程系副主任。 教育背景 2008年毕业于中国科学院软件研究所，并获得工学博士学位 分别于2000年和2003年在北京科技大学信息工程学院获得学士和硕士学位。 2006年1月到2月在比利时鲁汶工学院做访问学者。 2013年4月到2014年4月 在加拿大Ryerson大学做访问学者 代表性编著 1. 石志国等. 信息安全概论. 清华大学出版社. 2007,1 2. 石志国, 薛为民, 尹浩. 计算机网络安全教程(修订本). 清华大学出版社. 2007,1 (第一版于2006年荣获第七届全国高校出版社优秀畅销书二等奖) 3. 石志国, 李向前, 薛为民. C+程序设计教程. 清华大学出版社. 2005,8 (荣获2006年度全行业优秀畅销品种(科技类) 代表性获奖 1. 2014 年 霍英东青年教师奖二等奖 2. 2011年 北京市高等学校青年教师教学基本功比赛一等奖，最受学生欢迎奖，最佳演示奖 3. 2013年 北京科技大学本科教学优秀奖一等奖 4. 2010年 北京科技大学青年教师课堂教学针对性培养二等奖,联系方式,Email: 办公室：机电信息楼701 电话：62334751 /我那个时代的校园, 机器人的定义、特性和功能 机器人的应用以及发展现状,大纲,机器人的历史源远流长，早在我国的西周时期，一名叫作偃师的能工巧匠就造就了一个能歌善舞的偶人，这是有据可查的第一个“机器人”。 在1800年前的汉朝，张衡造出了举世闻名的地动仪和计里鼓车。 在三国时期的诸葛亮发明了木牛流马，用来运送粮草。 在国外，公元前2世纪亚历山大时期，古希腊人造就出了“自动机”以空气、水、蒸汽压力为动力的会动的雕像。 这些都可以看作是广义上的机器人。,什么是机器人,1886年法国作家利尔亚在他的小说未来的夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”。1920年捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆德万能机器人。剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。,在1967年日本召开了第一届机器人学术会议上，人们提出了两个有代表性的定义。一个是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机器半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。 从这一定义出发，森政弘又提出了自动性、智能性、个体性、半机器半人行、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象；另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人： （1） 具有脑、手、脚等三要素的个体； （2） 具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器； （3） 具有平衡觉和固有觉得传感器。,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知以及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。,机器人从第一台遥控的操作机到现在智能型机器人，机器人技术的发展成为人类科学技术发展的一格缩影。 从简单的机电控制到复杂的智能控制，从简单的开关量到复杂的、连续的、随机的量，从平面空间到立体空间，从简单的运算到复杂的、大量的数据处理，从简单的机械结构到复杂的人工肌肉，都是机器人这个特殊的装置所需要的。,机器人发展简史,第一代的机器人是一种“遥控操作器”。第一代是示教再现型机器人：“尤尼梅特“和“沃尔萨特兰“这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。 它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。,英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作。,第二代机器人是一种按人事先编好的程序对机器人进行控制，使其自动重复完成某种操作的方式。第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。 机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。,第三代机器人是智能机器人，它是利用通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，然后利用智能技术进行识别、理解、推理并最后做出规划决策，能自主行动实现预定目标的高级机器人。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。 中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主从操纵”，而是以一种“认知适应”的方式自律地进行操作。,智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了，除工农业生产外，机器人应用到各行各业，机器人已具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化方向发展的道路，是没有止境的。 机器人技术成为了一个非常综合的、新型技术。科学技术的日新月异，给我们人类的生活带来巨大的变化，机器人技术包括了：控制技术，计算机技术，传感器技术，机械技术、材料技术等等。,从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。 除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。下将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线分述机器人的最新进展情况。,机器人技术现状,1工业机器人 （1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 （2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。 （3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。,（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。 （5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。 （6）可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。,2先进机器人 近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。 这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。,（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。 （2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。,（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。 （4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。,（5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 （6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。,（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。 其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够 自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标014的功能。 如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。,1.4.1 遥控机器人 通过操作者遥控完成各种远程作业的机器人。遥控机器人与传统遥控器相似，又增加了用于机器人的各种技术，操作者可以通过可视距离内遥控，也可以在电视图像中进行监控操作。 遥控机器人系统主要分为两部分，机器人工作空间和操作者的操作空间，按类型可将遥控机器人分为两种类型：固定式和移动式两种。主要应用于以下领域：非结构环境下很少重复的任务；遥控机器人被带到施工现场；任务不是非结构，但没有先验知识去执行任务。遥控机器人被广泛的应用到各种不容易到达或不能到达作业的危险环境中，并在各个领域根据应用扩展了研究课题，一个典型的远程遥控机器人如图1-1所示。,机器人的特性和功能,1.4.2 自主机器人 其本体自带各种必要的传感器、控制器，在运行过程中无外界人为信息输入和控制的条件下，可以独立完成一定的任务的机器人是自主机器人。例如足球机器人的组成包括： (1) 视觉系统：负责感知球场上的态势，视觉系统获得球场上的实时图像，对图像进行颜色分割，识别出球场上的各个目标，然后进行距离校正，将结果发给决策程序。 (2) 决策系统：接收视觉系统的辨识结果，对球场态势进行分析，然后做出合理决策，将命令发送给底层控制系统。 (3) 底层控制系统：通过串口接收上位机的命令，控制各轮走行电机按照指定速度运行，控制弹射和持球电机，将底层传感器的数据通过串口发送给上位机。 (4) 通信系统：通过无线网络联系场内机器人和场外计算机，进行遥控测试，参数设置等操作以及控制比赛的开始和终止，如图1-2所示。,1. 工业机器人 工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上，如图1-3所示。,1.5 机器人的应用,2. 服务机器人 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识也有一定差异。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护、保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。德国生产技术与自动化研究所所长施拉夫特博士给服务机器人下了这样一个定义：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，可以部分地或全自动地完成服务工作。这里的服务工作指的不是为工业生产物品而从事的服务活动，而是指为人和单位完成的服务工作。 现在世界上已应用的服务机器人只有 1000多台，其中建筑机器人500多台，公用事业、环保、农业机器人100多台，运输与交通机器人100多台，康复机器人100多台，防辐射、防灾机器人70多台，旅馆、餐饮业机器人50多台，医疗机器人20多台，家务、业余爱好、休闲机器人10余台。这些数据是德国生产技术与自动化研究所前几年调查获得的。,3. 娱乐机器人 娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人，像某种动物，像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，可以有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力。 工作之余欣赏一段美妙的音乐，不仅可以帮助趋散一天的疲劳，还可陶冶你的情操，提高你的艺术鉴赏力，所以很多人都有听音乐的习惯。 几年前，美国特种机器人协会曾举办了一场别开生面的音乐会，演唱者是世界男高音之王“帕瓦罗蒂”。这位“帕瓦罗蒂”并不是意大利著名的歌唱家帕瓦罗蒂，而是美国依阿华州州立大学研制的机器人歌手“帕瓦罗蒂”。这场音乐会实际上是一场机器人验收会。听众席上不仅有机器人领域的专家，更有不少音乐家以及众多慕名而来的听众。,目前，受关注的是机器人玩具，它实际是一种智能玩具，能够开发儿童的智能，让儿童在玩耍中学到一些高技术知识。 我国机器人玩具还比较少，而在美国、日本等国，机器人玩具则已非常普遍。日本是机器人玩具发展较早的国家。,（4）类人机器人 从其他类别的机器人可以看出，大多数的机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样，这一点使很多机器人爱好者大失所望。也许你会问，为什么科学家不研制类人机器人？这样的机器人会更容易让人接受。 其实，研制出外观和功能与人一样的机器人是科学家们梦寐以求的愿望，也是他们不懈追求的目标。然而，研制出性能优异的类人机器人，其最大的难关就是双足直立行走。因为机器人与人的学习方式不一样。一个婴儿要先学走，再学跑；而机器人则要先学跑，再学走。也就是说机器人学跑更容易些。,（5）农业机器人 由于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”成了我国农民的象征。但近年农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式。在农业机器人的方面，目前日本居于世界各国之首。,1.5.2 军用机器人 1. 地面军用机器人 地面机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆.地面军用机器人又可分为自主车辆和半自主车辆。 自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难