移動機器人原理及設計 多媒體課件 西安郵電大學 王曙光，趙勇 第一章 概述 機器人的定義 機器人的分類、結構 機器人競賽 移動機器人 有關技術及發(fā)展趨勢 2 1.1 引言 3 想象中的機器人 實際的機器人 4 工業(yè) 醫(yī)療 軍事 5 1.2 機器人的定義、分類及組成 1.2.1 機器人的定義 美國機器人協(xié)會 （ RIA） 的機器人定義： “ 機器人是用以搬運材料 、 零件 、 工 具的可編程序的多功能操作器或是通過可改變程序動作來完成各種作業(yè)的特殊機 械裝置 。 ” 日本工業(yè)機器人協(xié)會（ JIRA）的定義： “工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末 端執(zhí)行器（ end effector）的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞 動的通用機器?！?美國國家標準局（ NBS ）的定義 ：“機器人是一種 能夠進行編程并在自動控制 下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置”。 國際標準化組織 (ISO)的定義： “機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程 能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理 各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務。 ” 6 1）機器人的動作機構具有類似與人或其它生物的 某些器官的功能。 2）是一種自動機械裝置，可以在無人參與下（獨 立性），自動完成多種操作或動作功能，即具有通 用性?？梢栽倬幊?，程序流程可變，即具有柔性 (適 應性）。 3）具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、 決策、學習。 機器人應具有的基本特點： 7 1.2.2 機器人的發(fā)展歷史 1920年，捷克劇作家卡雷爾 卡佩克在 羅薩姆的萬能機 器人 中把捷克語 “ Robota”寫成了 “ Robot”，引起了大家 的廣泛關注，被當成了機器人一詞的起源。 1950年，美國作家、化學家埃薩克 阿西莫夫在他的科幻 小說 I， Robot 中首次使用了 “ Robotics” ，即 “ 機器人 學 ” 。阿西莫夫提出了 “ 機器人三原則 ” ： 1 機器人不應傷害人 ,也不得見人受到傷害而袖手旁觀； 2 機器人應服從人的一切命令，除非違反第一定律； 3 機器人應保護自身安全，除非違反第一及第二定律。 機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則，阿 西莫夫因此被稱為 “ 機器人學之父 ” 。 8 1954年，美國人 George C. Devol 提出了第一個工業(yè)機 器人方案并在 1956年獲得美國專利。 1961年， Unimation公司（通用機械公司）成立，生產和銷 售了第一臺工業(yè)機器 “ Unimate” 。 1962年， A.M.F.（機械與鑄造）公司，研制出一臺數控自 動通用機，取名 “ Versatran”，即多用途搬運之意，并以 “ Industrial Robot”為商品廣告投入市場。 1974年出現了用計算機控制的機器人， 日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進或自行研制工業(yè)機 器人。 60 70年代是機器技術獲得巨大發(fā)展的階段。 9 80年代 ， 機器人在發(fā)達國家的工業(yè)生產中大量普及應用 ， 如焊接 、 噴漆 、 搬運 、 裝配 。 并向各個領域拓展 ， 如航天 、 水下 、 排險 、 核工業(yè)等 ， 機器人的感知技術得到相應的發(fā)展 ， 產生第二代機器人 。 90年代 ， 機器人技術在軍用 、 醫(yī)療 、 服務 、 娛樂等領域延 伸 ， 并開始向智能型 （ 第三代 ） 機器人發(fā)展 。 10 機器人發(fā)展的三個階段 第一代：示教再現型機器人 第二代：有感覺的機器人 第三代：有智能的機器人 11 1.2.3 機器人的分類 機器人的種類很多?？梢园打寗有问?、用途、結構和智能 水平等標準劃分 、按驅動形式 氣壓驅動 液壓驅動 電驅動 交流伺服驅動 直流伺服驅動 2、按用途劃分 （ 1）工業(yè)機器人 弧焊機器人 點焊機器人 搬運機器人 裝配機器人 噴涂機器人 拋光機器人 12 （ 2）特種機器人 空間機器人 水下機器人 軍用機器人 教學機器人 服務機器人 醫(yī)用機器人 排險救災機器人 固定 式 移動 式 輪式 履帶式 足式 蛇行 13 3、按智能水平劃分 分 類 名 稱 簡 要 解 釋 人工操作裝置 有幾個自由度，有操作員操縱，能實現若干預定的功能。 固定順序機器人 按預定的不變順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 可變順序機器人 按預定的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。但順 序和條件可作適當改變。 示教再現型機器人 通過手動或其它方式，先引導機器人動作，記錄下工作程 序，機器人則自動重復進行作業(yè)。 數控型機器人 不必使機器人動作，通過數值、語言等為機器人提供運動程序，能進行可變程伺服控制。 感知型機器人 利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。機器人對環(huán)境有一定的適應性。 智能機器人 機器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變 化，也能夠成功的完成任務。 第一代 第二代 第三代 14 仿生機器人 模仿自然界中生物的 外部形狀 或 某種機能 的機器人系統(tǒng) 15 可穿戴機器人 16 可重構機器人 17 機器人的組成 機器人是一個機電一體化的設備 。 從控制觀點來看 ， 機器 人系統(tǒng)可以分成四大部分：機器人執(zhí)行機構 、 驅動裝置 、 控制系統(tǒng) 、 感知反饋系統(tǒng) 。 機 器 人 執(zhí)行機構 驅動裝置 控制系統(tǒng) 感知系統(tǒng) 基 座 （ 固 定 或 移 動 ） 手 部 腕 部 臂 部 腰 部 電 驅 動 裝 置 液 壓 驅 動 裝 置 氣 壓 驅 動 裝 置 處 理 器 關 節(jié) 伺 服 控 制 器 內 部 傳 感 器 外 部 傳 感 器 18 一、執(zhí)行機構 包括：手部 、 腕部 、 臂部 、 腰部和基座等 。 相當于人的肢體 。 二 、 驅動裝置 包括：驅動源 、 傳動機構等 。 相當于人的肌肉 、 筋絡 。 三 、 感知反饋系統(tǒng) 包括：內部信息傳感器 ， 檢測位置 、 速度等信息；外部信息傳 感器 ， 檢測機器人所處的環(huán)境信息 。 相當于人的感官和神經 。 四 、 控制系統(tǒng) 包括：處理器及關節(jié)伺服控制器等 ， 進行任務及信息處理 ， 并 給出控制信號 。 相當于人的大腦和小腦 。 內部傳感器（位形檢測） 控制系統(tǒng) 驅動 裝置 執(zhí)行 機構 工作對象 外部傳感器（環(huán)境檢測） 1 處理器 關節(jié)控制器 19 1.3 機器人的體系結構 1 分層式體系結構 智能控制系統(tǒng)的典型模型 2 包容式結構 基于感知與行為之間映射 關系的并行結構 20 1.4 移動式機器人 21 1.5 機器人競賽 22 智能機器人技術 材 料 感知 仿生 網絡 微型 智能 交互 前沿技術 探索 多機器人 協(xié)調技術 人機器 人和諧共 存與交互 網絡化與 移動感知 新型機構 與驅動 仿生運動 與智能控 制 微納操作 技術 關鍵技術 攻關 仿生與生 物機器人 極地科考 機器人 助老助殘 家庭服務 微制造 機器人 裝備 核工業(yè) 機器人 油氣管道 檢測 電力檢測 機器人 系統(tǒng)集成 應用示范 我國智能機器人當前主要研究方向 習題 1、 簡述機器人的分類。 2、 機器人技術研究的主要問題是什么？ 3、 查閱資料，分析足球機器人競賽的系統(tǒng)組成。 4、 談談你對機器人競賽的想法。 23