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1、第 一章,让智能机器人动起来 课程名称：智能机器人（选修课） 班级：计算机专业2002级1-4班 地点：20幢智能机器人实验室 上课时间：2003-3班：周五上午4-5节（10:30-12:00)2003-4班：周五下午8-9节 (15:40-17:10) 授课方式:边讲课边实验、提问及课程设计 主讲人：金永贤,教学重点机器人基本概念智能机器人ASU-II的连接与检测,1.1 什么是机器人,机器人一词不仅会在科幻小说、动画片里看到和听到，有时也会在电视上看到在工厂进行作业的机器人，在实际中也有机会看到机器人的展示。今天，说不定机器人就在我们身边，但这里我们要讨论的是什么是机器人学研究的机器人。
2、机器人（robot）一词来源于1920年捷克作家雷尔查培克(Kapel Capek)所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚拟的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚拟的机器人加以区别，称其为工业机器人。,1.1 什么是机器人,工业机器人的兴起促进了大学及研究所展开机器人的研究。随着计算机的普及，又积极地开展了带有智能的机器人的研究。到70年代，机器人作为工程对像已经被确认，机器人学一词也受到公认。目前，机器人学的研究对像已不仅仅是机器人了。即便是实际存在的机器人，也很难把
3、它定义为机器人，而且其定义也随着时代在变化。,1.1 什么是机器人,这里简单地把具有下述性质的机械看作是机器人： 代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。 有通用性：既可简单地变换所进行的作业，又能按照工作状况的变化相应地进行工作。一般的玩具机器人不能说有通用性。 直接对外界工作：不仅是像计算机那样进行计算，而且能依据计算结果对外界产生作用。,1.1 什么是机器人,机器人定义：机器人是一种自动化机器，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、规划能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。智能机器人是高度综合的学科，涉及机械设
4、计制造、传感器、控制与规划、电子电气、计算机与信息处理、通信、能源、材料等。,1.2 机器人种类,机器人的分类方法很多，这里我们依据三个有代表性的分类方法列出机器人的种类。首先，由于机器人要代替人进行作业，因此可根据代替人的哪一个器官来分类：操作机器人（手）：利用相当于手臂的机械手、相当于手指的手爪来使物体动作。移动机器人（腿）：虽然已开发出了2足步行和4足步行机器人，但实用的却是用车轮进行移动的机器人。多器官机器人。进行视觉和操作的机器人,上述三种机器人看作是带有最低思考机能的机器人。 其次，按机器人的应用来分类： 工业机器人：可分为搬送、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于工厂内。 极
5、限作业机器人：主要用在人们难以进入的核电站、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。 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的宠物机器人。,此外，也还有正在开发中的福利机器人、医疗机器人、灾害救助机器人、乒乓球机器人一类的机器人。在上述的分类当中，工业机器人最早开始普及，极限作业机器人及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（人形）机器人的研究。 最后则是按照基于什么样的信息进行动作来分类。由于这种分类特别重要，所以汇集成表1.1。虽然它是针对工业机器人的分类，但也适用于工业机器人以外的机器人。
6、,表 1.1 机器人的分类,操纵机器人 这是一种在核电站处理放射性物质时，远距离操纵的机器人。在这种场合，相当于人手操纵的部分称为主动机械手，进行类似动作的部分称为从动机械手。两者多半是类似的，但从动机械手要大些，是用增大了的力进行作业的机器人，主动机械手要小些。也有一方面进行精密作业的机器人。 程序机器人 若只从预先设定的程序进行作业这一点来讲，装有发条的玩具也可以说是程序机器人，但它不能更换作业，而程序机器人则可用某些方法更换作业。,例如，在压力机制做零件时，设置收到压制完成信号决定取出零件的场所，把新的零件送入压力机。并依据零件的种类改变夹持零件的位置及放置位置。由于设定的部分被限制，所
7、以不能设定自由动作。 示教再现机器人 示教再现同盒式磁带的录放意思一样。开始为了示教作业，如图1.1(a)所示那样，人一面操纵机器人，一面在各重要位置按下示教盒的按扭，记忆其位置（相当于录音）。而进行作业时再把它再现，机器人顺次追寻记忆的位置。图1.1(b)表示的是在远距离操作示教装置使机器人动作的示教方式。,由于示教再现机器人能自由地示教动作，所以能进行各式各样的作业。而且要能够自由地动作，就需要具有多个类似人手臂的关节的机械手，这样才能在形态和机能上与机器人的称谓相符。示教再现机器人的出现可以说是工业机器人的开始。在汽车厂进行点焊的机器人大多是这种类型的机器人。,数值控制机器人 这是一种用
8、计算机控制机器人的动作，来代替人操纵机器人进行动作的工作方式。例如，使机器人手爪沿着圆周动作时，用计算机给出轨迹比人进行操作要方便得多，但必须编制计算机程序。 智能机器人 不仅可以进行事先设定的动作，还可以按照工作状况相应地进行动作。例如把导线焊接在LSI（大规模集成电路）的电极上时，要用机器人的眼确认电极的位置，在装配作业时又要判断零件的正反面位置。虽然实用化的智能机器人还不太多，但各种智能机器人正在被研究。例如，对传送带上多个物体的识别、回避障碍物的移动、作业次序的规划、有效的动态学习，多个机器人的协调作业等等。,1.3 机器人有什么用处,我们讨论一下机器人有什么用处。通过上一节的介绍，归
9、纳为以下几点： 节省劳动力 这是工业机器人的最主要功能。即便在人员工资便宜的国家，也需要准确高速作业的机器人，东南亚国家已引进了机器人。,机器人汽车焊接生产线,进行极限作业 在工厂的喷漆及铸造那样的恶劣条件下已使用了工业机器，现在像精练车间、冷藏室、核电站、宇宙空间、海底那样人难以进入的场所，进行作业的机器人正在增多，甚至在农业上，在温室内移动喷撒农药的机械也可以称为机器人。,自治潜水器,用于医疗、福利 脑外科手术、由于要求准确地定位手术部位，因此一些医院正在进行用机器人协助手术的试验。在福利方面，辅助步行训练、饮食等的搬运工作正在机器人化。在假手和假腿中也在利用机器人技术（参看图1.3）,与
10、人协调作业 在处理重物的场合，用机器人支撑重量、由人进行仔细定位。为了使老年人及残疾人具有生活能力，不仅要协助进行体力劳动，而且在观看细小的地方，要使手准确地动作等诸多方面都需要机器人的协助。,机器狗,制作宠物 在计算机内生成人物和动物已成为一种娱乐方式。在机器人方面，向着亮光移动的微型机器人，以及像小狗样动作的宠物机器人。,（1）机器人的大脑 （2）机器人的手 （3）机器人的眼睛 （4）机器人的鼻子 （5）机器人的耳朵,1.4 机器人器官,机器人的大脑,机器人的大脑是是机器人的核心，一般采用计算机控制系统（PC机、嵌入式计算机系统等），简单的可采用单片机系统。,嵌入式系统: 对于嵌入式系统，
11、至今没有确切的定义，多指置于电子设备内部，完成某种特定功能的计算机系统，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。 20世纪60年代，嵌入式计算机技术首先应用于国防系统中；20世纪70至80年代，逐渐应用于工业控制领域；目前该技术已广泛应用于国防、工业、科研、家电等领域。,为了适应不断变化的市场需求，嵌入式微处理器的各项性能指标不断提高，位数从4位-64位，寻址空间从64kB-16MB甚至更大，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，封装从8引脚到144个引脚，功耗逐渐降低、集成度逐步提高。 嵌入式计算机系统有如下特点：采用专用的嵌入式CPU，通常具有体积小、功耗低、集成度高的特点，为
12、特定的用户群设计。专用性和算法唯一性，一般设计为完成一定的任务，一旦设计完成就不再改变，进入市场后具有较长的生命周期。软硬件相互依赖，软件和硬件在设计初期就相互配合，具有很强的依赖性，尽量提高效率、减少对资源的浪费。结构紧凑、资源有限，在相当有限的硅片容量上实现特定的功能，结构尽可能的简洁紧凑。多为实时控制系统，一般用于军工产品、通信设备、工业控制，要求实时性高。,机器人的手,机器人要模仿动物的一部分行为特征，自然应该具有动物脑的一部分功能。,机器人光有电脑发号施令还不行，最基本的还得给机器人装上各种感觉器官。机器人必须有“手”和“脚”，这样它才能根据电脑发出的“命令”动作。 “手”和“脚”不
13、仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，这就是我们通常所说的“触觉”。 由于动物和人的听觉器官和视觉器官并不能感受所有的自然信息，所以触觉器官就得以存在和发展。动物对物体的软，硬，冷，热等的感觉就是靠的触觉器官。在黑暗中看不清物体时，往往要用手去摸一下，才能弄清楚。大脑要控制手，脚去完成指定的任务，也需要由手和脚的触觉所获得的信息反馈到大脑里，以调节动作，使动作适当。因此，我们给机器人装上的手应该是一双会“摸”的、有识别能力的灵巧的“手”。,机器人的手一般由方形的手掌和节状的手指组成。为了使它具有触觉，在手掌和手指上都装有带有弹性触点的触敏元件（如灵敏的弹簧测力计）。如果要感知冷暖，还
14、可以装上热敏元件。当触及物体时，触敏元件发出接触信号，否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器（一种利用转动来改变电路的电阻因而输出电流信号的元件），它能把手指的弯曲角度转换成“外形弯曲信息”。 把外形弯曲信息和各指节产生的“接触信息”一起送入电子计算机，通过计算就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。 现在，机器人的手已经具有了灵巧的指，腕，肘和肩胛关节，能灵活自如的伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的东西的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。,机器人的眼睛,人的眼睛是 感觉之窗，人有 80%以上的信息 是靠视觉获取， 能否造出“人工眼” 让机器也能
15、象人那样识文断字，看东西， 这是智能自动化的重要课题。,关于机器识别的理论，方法和技术，称为模式识别。所谓模式是指被判别的事件或过程，它可以是物理实体，如文字，图片等，也可以是抽象的虚体，如气候等。机器识别系统与人的视觉系统类似，由信息获取，信息处理与特征抽取，判决分类等部分组成。,机器认字 大家知道，信件投入邮筒需经过邮局工人分拣后才能发往各地。一人一天只能分拣2-3千封信，现在采用机器分拣，可以提高效率十多倍。机器认字的原理与人认字的过程大体相似。先对输入的邮政编码进行分析，并抽取特征，若输入的是个6字，其特征是底下有个圈，左上部有一直道或带拐弯。 其次是对比，即把这些特征与机器里原先规定
16、的0到9这十个符号的特征进行比较，与哪个数字的特征最相似，就是哪个数字。这一类型的识别，实质上叫分类，在模式识别理论中，这种方法叫做统计识别法。 机器人认字的研究成果除了用于邮政系统外，还可用于手写程序直接输入，政府办公自动化，银行合计，统计，自动排版等方面。,机器识图 现有的机床加工零件完全靠操作者看图纸来完成。能否让机器人来识别图纸呢？这就是机器识图问题。机器识图的方法除了上述的统计方法外，还有语言法，它是基于人认识过程中视觉和语言的联系而建立的。把图像分解成一些直线、斜线、折线、点、弧等基本元素，研究它们是按照怎样的规则构成图像的，即从结构入手，检查待识别图像是属于哪一类“句型”，是否符
17、合事先规定的句法。按这个原则，若句法正确就能识别出来。 机器识图具有广泛的应用领域，在现代的工业，农业，国防，科学实验和医疗中，涉及到大量的图象处理与识别问题。,机器识别物体机器识别物体即三维识别系统。一般是以电视摄像机作为信息输入系统。根据人识别景物主要靠明暗信息，颜色信息，距离信息等原理，机器识别物体的系统也是输入这三种信息，只是其方法有所不同罢了。由于电视摄像机所拍摄的方向不同，可得各种图形，如抽取出棱数，顶点数，平行线组数等立方体的共同特征，参照事先存储在计算机中的物体特征表，便可以识别立方体了。目前，机器可以识别简单形状的物体。对于曲面物体，电子部件等复杂形状的物体识别及室外景物识别等研究工作，也有所进展。物体识别主要用于工业产品外观检查，工件的分选和装配等方面。,
