机器人学-机器人学第一讲.pptx
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机器人学-机器人学第一讲.pptx
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1/85,机器人学第一讲绪论,中国科学院自动化研究所徐德研究员2019年9月6日*,MCL50,徐德,邢登鹏,刘希龙,2/85,课程目标,重点讲授旋转关节式工业机器人及其控制系统的基本原理,兼顾移动机器人的结构、定位与控制方法,并介绍机器人学的前沿研究领域以及部分热点问题。
通过本课程的学习,掌握工业机器人和轮式移动机器人的基本结构、建模方法、控制原理,了解智能机器人领域研究热点以及发展趋势,为后续研究工作打下基础。
讲课共19讲,考试。
包括:
绪论
(1),机器人构型
(1),运动学(4),动力学
(1),传感系统与融合
(1),位置与速度控制
(1),力控制
(1),智能控制
(1),技能学习
(1),人机交互
(1),机器人系统
(1),机器人视觉
(2),多机器人协调控制
(1),移动机器人定位与导航
(2),闭卷考试
(1)。
3/85,参考书目,谭民,徐德,等,先进机器人控制,高等教育出版社徐德,邹伟,室内移动式服务机器人的感知、定位与控制,科学出版社蔡自兴,机器人学,清华大学出版社BrunoSiciliano等,机器人手册,机械工业出版社JohnJ.Craig,机器人学导论(IntroductiontoRoboticsMechanicsandControl),机械工业出版社J.C.Latombe,RobotMotionPlanning,KluwerAcademicPublishers,4/85,内容提要,机器人定义机器人的发展历程机器人的特点机器人的分类机器人系统的基本结构机器人学的研究领域机器人的发展方向与机器人相关的重要学术团体、期刊与会议机器人录像,5/85,机器人定义美国机器人协会(RIA)的定义:
“机器人是用以搬运材料、零件、工具的可编程序的多功能操作器或是通过可改变程序动作来完成各种作业的特殊机械装置。
”日本工业机器人协会(JIRA)的定义:
“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器(end-effector)的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。
”美国国家标准局(NBS)的定义:
“机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”国际标准化组织(ISO)2012年的定义:
“机器人是一种受驱动以执行预期任务的机械装置,其2个及以上的轴可编程,具有一定的自治能力,可在所处环境中运动”牛津词典的解释:
“机器人是一种能够自动执行一系列复杂动作的机器,特别是由计算机编程的机器”维基百科的定义:
“认知机器人是具有智能行为的机器人,它通过提供一种处理结构能够学习与推理如何行动以便在复杂世界中完成复杂任务”Cognitiveroboticsisconcernedwithendowingarobotwithintelligentbehaviorbyprovidingitwithaprocessingarchitecturethatwillallowittolearnandreasonabouthowtobehaveinresponsetocomplexgoalsinacomplexworld.(Wikipedia),早期定义,近期定义,6/85,阿西莫夫“机器人三原则”(1950,科幻小说I,Robot)机器人必须不危害人类,也不允许它眼看人将受害而袖手旁观。
机器人必须绝对服从人类,除非这种服从有害于人类。
机器人必须保护自身不受伤害,除非为了保护人类或者人类命令它作出牺牲。
艾萨克阿西莫夫,7/85,机器人的发展历程Unimate,美国,Unimation公司,1961,第一台机器人,用于配合压铸机上下料Versatran,美国,AMF公司,1962,第一台工业机器人,液压驱动,点位/轨迹,计算机控制的工业机器人,1974示教再现工业机器人,1982多种机器人:
工业机器人、移动机器人、拟人机器人、特种机器人等,具有视觉、语音等功能,具有一定智能智能机器人:
服务机器人,自主机器人,UAV(UnmannedAerialVehicle),AUV(AutonomousUnderwaterVehicle),AGV(AutomatedGuidedVehicle),无人驾驶车1998年:
日本30万台,美国8万台,德国7万台2008年:
全球860万台,已安装130万台工业机器人2017年:
已安装200多万台工业机器人,智能机器人已经得到很大发展,8/85,每万名工人拥有工业机器人数量:
日本295台,新加坡169台,韩国164台,德国163台。
欧洲平均50台,美洲平均31台,亚洲平均27台。
(2008年),*,9/85,2016年每万名产业工人拥有工业机器人数量:
全球平均74台1.韩国631台2.新加坡488台3.德国309台4.日本303台.23.中国68台2017年每万名产业工人拥有工业机器人数量:
全球平均85台韩国710台,欧洲101台中国97台,2016年每万名产业工人拥有工业机器人数量,10/85,机器人的发展历程,工业机器人:
大规模应用四巨头:
ABB、库卡、安川、发那科,服务机器人:
实用化阶段医疗、家庭清洁、AGV、人形机器人等,11/85,机器人的特点机器人是机构学、控制论、电子技术及计算机等现代科学综合的产物。
(1)通用性:
某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。
(2)适应性:
对环境的自适应能力。
包括:
运用传感器感知环境的能力;分析任务空间和执行操作规划的能力;自动指令模式能力。
12/85,机器人的分类按几何结构分类:
利用坐标特性分类。
直角坐标机器人:
由互相垂直的导轨和手臂构成。
柱面坐标机器人:
主要由垂直柱子、水平手臂和底座构成。
工作区间为圆柱面。
球面坐标机器人:
由底座、球关节和手臂构成。
其工作区间为球面。
其中,最常见的是关节式球面坐标机器人,由躯干、上臂和前臂构成。
19秒,58秒,13/85,机器人的分类按几何结构分类:
利用机构特性分类。
串联机器人:
各连杆为串联并联机器人:
各连杆为并联,14/85,机器人的分类按几何结构分类:
利用尺寸分类。
大型机器人、一般机器人、微机器人,双护盾掘进机:
长度约310m,开挖直径5.49m,最大掘进速度0.12m/min,C919驾驶模拟器,胶囊内镜,15/85,机器人的分类按控制器的信息输入方式分类:
按控制功能,日本工业机器人协会(JIRA)分类:
分成6类手动操作手:
操作人员直接进行操作定序机器人:
按照预定的顺序、条件和位置,重复执行。
顺序控制器。
变序机器人:
同上,但顺序等易于修改。
可编程顺序控制器。
示教机器人:
示教再现。
程控机器人:
机器人语言程序控制。
智能机器人:
具有环境适应能力。
美国机器人协会(RIA)分类:
分成4类,上面后4类。
法国工业机器人协会(JIRA)分类:
A型:
第1类;B型:
第2和3类;C型:
第4和5类;D型:
第6类。
16/85,机器人的分类按应用领域分类:
工业机器人:
应用于工农业生产,主要应用于制造业,如弧焊机器人、喷漆机器人、装配机器人等。
服务机器人:
一种自主或半自主工作,为人们提供服务的机器人,如导游机器人、家用机器人等。
探索机器人:
用于太空、海洋、地下探险和探索。
军事机器人:
用于军事目的。
可分为陆、海、空军用机器人。
如无人战机、机器人战士等。
我国按照应用领域将机器人分为:
工业机器人,服务机器人,特种机器人。
17/85,机器人的分类按智能程度分类:
一般机器人:
只有一般编程能力和操作功能智能机器人:
根据智能程度分为:
传感型、交互型、自主型智能机器人按机器人的移动性分类:
固定式机器人:
固定在底座上,如工业机器人。
移动机器人:
根据移动方式分为:
轮式、履带式、足式等。
如足式机器人中的人形机器人等。
18/85,Pino人形机器人,19/85,COGhumanoidrobotMTR-024,212”,20/85,本田的Asimo,索尼的SDR-4X,350”,25”,21/85,工业机器人,19秒,19秒,22/85,18秒,38秒,摄象机,23/85,24/85,铆接机器人,喷浆机器人,25/85,爬缆,擦窗,壁面,注塑,隧道凿岩,26/85,微机器人,27/85,28/85,微操作机器人,细胞注射,29/85,手术机器人,宙斯,达芬奇,30/85,31/85,2022/10/6,各种水下机器人(机器鱼)系统,特种机器人,32/85,33/85,34/85,35/85,36/85,37/85,38/85,MITsRoboPike,39/85,管道,40/85,移动机器人,41/85,42/85,43/85,44/85,45/85,机器人足球,46/85,47/85,Bipedalwalkingrobot1998,Quadrupedwalkingrobot4L1,2000,HexapodRobot,1996-1998,双足及多足机器人,48/85,英国RoboScience公司的RS-01RoboDog,索尼的“Latte”和“Macaron”,宠物机器人,49/85,50/85,机器人系统的基本结构,51/85,Intelligenceandhuman-machineinterface,Internet,Robot,Camera,Microphone,Scanner,机器人系统结构的例子,52/85,智能机器人系统框图,53/85,机器人学的研究领域机构仿生机构设计:
人、鱼、蛇、狗、鸟等新型构型设计:
特殊的机器人构型操作手设计:
两指、三指、四指和五指操作手减速器:
大减速比、高精度、长寿命末端执行机构:
夹爪、吸附新型材料:
连杆、人造皮肤等,54/85,机器人学的研究领域感知传感器设计:
视觉、听觉、力觉、触觉等智能传感器传感系统设计:
传感器选型、布局、信号传输等无线传感网络:
节点、网络拓扑、通讯、组网、唤醒、定位、能源管理等,传感信息融合:
加权和、EKF、粒子滤波、D-S证据推理等导航与定位:
同时定位与地图构建(SLAM)机器人视觉:
图像处理、目标分割、特征提取、目标识别等,55/85,机器人学的研究领域驱动超低惯性电机:
体积小、功率大,瑞士Maxon电机伺服驱动器:
低速特性和零速转矩保持直驱:
直接驱动,直线电机、力矩电机、外转子电机液压驱动:
推力大,BigDog、Atlas、Handle机器人压电驱动:
高精度、高刚度,具有漂移、滞回特性,56/85,机器人学的研究领域建模传感模型:
视觉传感模型、力传感模型等控制模型:
显式数学模型和隐式模型机器人模型:
运动学模型、动力学模型对象模型:
三维模型,实时性、准确性以及模型精度环境模型:
语义地图、拓扑地图、网格地图模型等,57/85,机器人学的研究领域规划运动规划:
关节空间和笛卡尔空间运动规划路径规划:
对移动机器人的运动路径进行规划,分为全局路径规划和局部路径规划机器人调度:
提高多机器人系统的运行效率任务规划:
对将要执行的任务进行合理的排列或组合,对任务参数进行赋值等,58/85,机器人学的研究领域控制控制器:
控制箱,控制算法或控制律控制系统:
位置控制系统、速度控制系统、力控制系统等智能控制:
自适应控制、模糊控制、预测控制、神经网络控制等视觉伺服:
基于位置、基于图像、混合视觉伺服协调控制:
主从式、协商式等,59/85,机器人学的研究领域编程运动自编程:
利用运动函数或者G代码,对运动编程操作系统:
ROS(Robotoperationsystem),斯坦福大学在2005年左右发起的机器人开源代码库,仿照计算机操作系统的一种机器人开发环境。
ROS提供一系列程序库和工具,提供了硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等功能,能够帮助软件开发者快速创建机器人应用软件。
60/85,机器人学的研究领域交互传统交互:
键盘、鼠标、手柄、指示灯、喇叭、显示器视觉交互:
手势、手姿、动作序列等语音交互:
机器人听,语音识别、说话人识别等;机器人说,涉及文本分析、韵律生成、语调控制等接触交互:
手把手示教,意图理解,61/85,
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