第1章 绪 论

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

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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。