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中学生机器人竞赛培训教材
中学生机器人竞赛培训教材
广州市第四十七中学
机器人兴趣小组
2006年3月
第一章机器人的历史及定义
第一节机器人的历史
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。
如古希腊诗人Homeros的长篇叙事诗《伊利亚特》中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司,就用黄金铸造出一个美丽聪颖的侍女;希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯(Taloas);犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
1920年捷克斯洛伐克作家雷尔.卡佩克发表了科幻剧《罗萨姆的万能机器人》。
在剧本中,卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”,“Robota”是农奴的意思。
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,被当成了机器人的起源。
剧情是:
罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场,让它去充当劳动力。
机器人按照其主人的命令默默地工作,没有感觉和感情,以呆板的方式从事繁重的不公平的劳动。
后来,罗萨姆公司取得了成功,使机器人具有了感情,导致机器人的应用部门迅速增加。
在工厂和家务劳动中,机器人成了必不可少的成员。
机器人发觉人类十分的自私和不公正,终于造反了,开始屠杀人类。
因为机器人的体能和智能都非常优异,因此消灭的幸存者,但它们不知道如何制造自己。
最后,一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。
这时机器人进化为人类,世界又起死回生了。
1950年,美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I,Robot》中首次使用了“Robotics”,即“机器人学”。
阿西莫夫提出了“机器人三原则”:
1、机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观;2、机器人应遵守人类的命令,与第一条违背的命令除外;3、机器人应能保护自己,与第一条相抵触者除外。
机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则,阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。
1954年,美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。
1960年,Conder公司购买专利并制造了样机。
1961年,Unimation公司(通用机械公司)成立,生产和销售了第一台工业机器“Unimate”,即万能自动之意。
1962年,A.M.F.(机械与铸造)公司,研制出一台数控自动通用机,取名“Versatran”,即多用途搬运之意,并以“IndustrialRobot”为商品广告投入市场。
到了近代,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。
机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。
第二节机器人的定义
机器人问世已有几十年,但没有一个统一的意见。
原因之一是机器人还在发展,另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念,成为一个难以回答的哲学问题。
也许正是由于机器人定义的模糊,才给了人们充分的想象和创造空间。
美国机器人协会(RIA):
一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过程序动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能操作机(Manipulator)。
美国家标准局:
一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。
1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义:
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。
日本工业标准局:
一种机械装置,在自动控制下,能够完成某些操作或者动作功能。
英国:
貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。
中国科学家对机器人的定义是:
机器人是一种自动化的机器,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。
尽管各国定义不同,但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点:
是一种自动机械装置,可以在无人参与下,自动完成多种操作或动作功能,即具有通用性;可以再编程,程序流程可变,即具有柔性(适应性)。
第三节机器人的种类
机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。
机器人的分类方法有很多,根据机器人的应用可以分成下面几类:
(1)工业机器人。
可以分成搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人,主要用于工厂内,代替人类完成繁重、精密而重复的工作。
(2)极限作业机器人。
主要应用在人们难以进入的场所和环境,例如在核电站、海底、宇宙空间等进行作业的机器人。
也包括建筑、农业机器人等。
(3)娱乐机器人。
有弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、宠物机器人等,具有某种程度的通用性。
也有适应环境而改变行动宠物机器人。
此外,也还有正在研制开发中的福利机器人、医疗机器人、灾难救援机器人、乒乓球机器人一类机器人。
在上述的分类中,工业机器人最早开始普及,极限作业机器人和娱乐机器人多是由工业机器人改进的。
近来正在积极开展拟人(类人)机器人的研究和制作。
第四节机器人的未来
在已经过去的20世纪,机器人的家族逐渐发展、壮大。
在科学技术高度发展的今天,你能预测一下21世纪中的机器人会是什么样子呢,对于现有机器人的功能,这个人丁兴旺的大家族又会对人类的文明和社会的进步产生怎样的影响呢?
1、机器人会越来越小
目前各国的研究现状而言,表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段,但可以预见,在21世纪,微型机器人将广泛出现。
由德国工程师莱纳尔·格茨恩发明的微型机器人,可直接由针头注射进入人体血管、尿道、胆囊或肾脏。
它依靠微型磁铁驱动器前进,由医生通过遥控器指挥,既可用于疾病诊断,也可用于如动脉硬化、胆结石等管腔阻塞类疾病治疗。
还能听从医生指挥,将药物直接送达到需要医治的患病器官,以取得更好的治疗效果。
当这种微型机器人工作完成后,医生便可以像抽血那样用针头将它抽出来。
在21世纪,将会有可以进入人体血液循环系统的功能齐全的医用微型机器人,能进入工业上的小管道甚或裂缝,进行检测与维护的工业用微型机器人,以及各种微型传感器、微型机电产品,如掌上电视等。
在军事上,将有小如蝴蝶的飞行器,用于侦察敌情;装有自动驾驶系统,能在海底航行数年的微型潜艇……
2、机器人会越来越聪明
现在的智能机器人,它的智力最高也只相当于两三岁幼儿的智力水平。
在21世纪,高智能的机器人将越来越多,其智力水平也一定会不断提高,慢慢地达到七八岁、十几岁少年甚至青年人的智力水平。
20世纪90年代后期,为促进智能机器人的发展,日本、韩国等国家相继发起举行机器人足球世界杯赛,并成立了相应的协会。
机器人足球赛涉及多机器人的动作协调、系统控制等前沿的课题。
可以说,每一场机器人足球赛实际上都是世界各国机器人发展水平的一场较量。
也许在将来的某一天,就如同1996年世界国际象棋冠军卡斯帕罗夫输给了计算机“深蓝”一样,我们会看到世界顶尖级的球员组成的“超级联队”也对付不了的机器人球队,你相信吗?
第五节未来的机器人
在21世纪,在人的控制下,在改造自然、发展生产的事业和家庭生活中,将会出现更多更好的机器人。
会有灭火的机器人,它身行敏捷,不仅在熊熊烈火之中来去自如,而且不管哪里冒烟、起火,它都能及时发现,赶到现场,将火灾隐患消灭。
会有检修汽车机器人,只要把车摆上检修台,它用眼一扫,耳朵一听,立即就会查出毛病的部位和原因,进行修理,只需几分钟。
会有边防机器人,24小时连续值勤,万无一失。
不管白天、黑夜、风雨、冰雪天气,一有敌情,它就能马上采取措施,封锁边境线。
同时通知空中、地面报警系统,监视敌人行动,使任何人也不能越境一步。
还会有海洋开发机器人,它们能潜入海中勘察、取样、化验,很快制定出开发方案,有条不紊地下海作业,把海底的宝藏献给人类。
有科学家预言:
生物机器人将在20年后问世;而智能机器人的发展使机器人具有自我学习的功能,它会自己作出判断,发出指令……
第二章机器人的运作原理
第一节机器人的基本机能
机器人作为一种具备一定智能的自动化机器,有如下几个基本的机能:
(1)对外界产生作用:
相当于人的手和脚,可以称之为动作器官。
(2)获取外界信息:
相当于人的眼、耳、舌头和皮肤,可以称之为感应器官。
(3)规划作业:
相当于人的大脑,可以称之为思维器官。
机器人是机器有人的特点,我们可以从人自身出发就容易理解他的工作原理了,简单的讲就是传感器将得到的信息送到处理器决策执行驱动器的动作。
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人的动作
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机器人的动作
我们大多数人都看到过电影或书本里描绘的外形酷似人类的机器人,这是机器人的一种表现形式。
可机器人并不一定非得是这样的。
事实上,机器人的形状各式各样。
实际意义上的机器人,应该是“能自动工作的机器”。
有的功能很简单,有的就复杂得多。
例如:
家里的供暖系统,我们只需做最初设定,接下来它就能自己工作,我们身边的大多数家用电器都是这样。
自动温控系统的元器件遍布于整座智能化大楼。
第二节机器人的基本特征
机器人通常具有三个基本特征,是不是机器人,我们只需看一看它是否具备以下三个特征:
1.身体:
是一种物理状态,具有一定的形态。
2.大脑:
控制机器人的程序。
3.动作:
任何机器人都有一定的动作表现。
自动洒水系统是机器人,它包含一个洒水的身体,程序是根据一定的条件,自动开关系统,如在白天洒水。
它的动作是成功执行这一程序。
电话应答机也是机器人,它有身体(就象一个盒子),程序是应答电话,动作是每天应答和记录信息。
Sarcos是机器人,它的身体就象一个人,程序是与对手打乒乓球,它的动作就是打球。
我们是怎么让机器人“弄懂”我们想让它做什么的?
电话答录系统怎么知道什么时候接电话以及存储信息?
当我们走到电动门前时,门会自动打开,原理是什么?
它怎么会知道门前有人?
还有我们玩的遥控汽车,我们是怎么让它倒退、转向、前进、停止的?
答案就是——大脑。
所有的机器人都需要我们告诉它做什么,我们又是怎么实现对机器人的控制呢?
主要包括三项内容:
1.输入:
该信息来自机器人的传感器。
2.程序:
你想让机器人遵循的一种规则或指令。
3.输出:
机器人的运动,通常包括马达(运转)、灯和声音。
所有的机器人都装有传感器,用于为机器人提供输入。
一些传感器很象我们人类的感觉器官,能够“看到”或“感觉到”外界环境的变化。
例如,所有用于开、关电器的开关和按钮都是触动传感器,你触动它们时,它们就能“感觉到”并作出反应。
机器人身体内,有许多不同的传感器在工作。
冰箱内的触动传感器对关门的压力作出反应:
关闭冰箱内的灯。
电话答录机内有一个电路,可以测量电压变化并显示为电话铃响。
烤炉或烤箱则是利用温度传感器来控制加热线圈的加热温度。
类似的机器人系统可能会使用不同的传感器完成相似的工作。
一些自动控制的灯,如门外楼道的灯,可能会使用运动检测器,当人走近时,就开灯;而有的可能会用光电传感器来感应光线的强弱,天暗时,就开灯。
用于控制机器人的程序可以是很简单,只是单纯的机械控制,合上开关,就可开始一系列运动。
例如:
用微波炉加热食品时,只需按下“加热”按钮——触动传感器。
有时程序也会很复杂,如美国宇航局太空探测器内的全自动照相机控制程序。
一个机器人的控制程序主要取决于以下几种因素:
·使用的传感器类型和数量。
·传感器的安装位置。
·可能的外部激励。
·需达到的活动效果。
第三章教育机器人的组件
机器人的构成是复杂无比的,有些精密的机器人甚至比得上人类组织器官的复杂度。
而且机器人也是一种比较精密、先进的高科技产物,一般人是很难见到的,就更不必说亲手组装、研究它了。
但
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