从工业机器人到仿人机器人

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1、1,从工业机器人 到仿人机器人,清华大学自动化系 石宗英,2,报告内容,一机器人简介 发展 定义和分类 涉及的学科和技术 二仿人机器人研究及系统开发 性能设计 结构方案 控制系统设计,3,机器人简介,1.机器人的发展概况 “Robot”的出现 1921，机器人(Robot)一词最早出现于捷克斯洛伐克剧作家Karel Capek的剧本Rossums Universal Robots中.剧中把捷克语“Robota” (农奴)写成“Robot”(机器人) 1942年，著名科普读物作家Isaac Asimov在科幻小说流浪者中提出了机器人学(Robotics)一词，预测了机器人所涉及的科学领域和存在的

2、问题。,4,1950年，Isaac Asimov在科幻小说I Robot中，不仅描写了机器人机械方面的具体内容，而且描述了它在智能方面的内容，如机器人如何进行选择、决策等。并提出了有名的“机器人三原则”： 机器人不可伤害人或眼看人将遇害而袖手旁观。 机器人必须服从人的命令，但若命令的内容违反1时，则不受此约束。 只要不违反上述两条，机器人必须自己保卫自己。,5,机器人的起源 机器人起源于遥控操作器和数控机床 二战期间,为处理放射性材料研制出了遥控的主从式操作器 (连杆机构)。 1949年,由于研制新型飞机时零件加工的需要,美国空军发起了对数控铣床的研制。 1953年,MIT研制出数控铣床(伺服

3、技术与数字技术的结合) 。,6,机器人的出现及发展 1954,George Devol( 美)提出机器人不一定要象人的样子,但要能做人的工作。他具体描述了如何建造能控制的机械手,并申请了专利 1961, George Devol研制出第一台采用伺服控制技术的工业机器人。它是一台将遥控操作器的连杆机构与数控技术结合起来的设备 60年代，工业机器人进入成长期,机器人开始向实用化发展,并被用于焊接和喷涂作业中 1967, 日本的川崎重工购买了美国的专利许可,机器人远渡重洋来到日本,7,70年代，出现了更多的机器人商品，机器人进入实用化时代。日本成为“机器人王国” 1974年，Cincinati Mi

4、lacron 推出了第一台计算机控制的工业机器人T3，它可以举起100磅重的物体，并可跟踪在装配线上的工件 80年代 ，工业机器人进入普及时代,开始在汽车、电子等行业得到大量使用,推动了机器人产业的发展。 1982年，研制出第一台示教再现机器人 90年代初,工业机器人的生产与需求进入高潮期。 1991年底世界上已有53万台工业机器人。 90年代还出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人,产生了智能机器或机器人化机器。随着信息技术的发展,机器人的概念和应用领域也在不断扩大,8,2. （工业）机器人的定义 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应用的产物，目前尚处于发展阶段，关于

5、机器人的一些概念、定义，仍处于不断充实、演变之中。 美国机器人协会(RIA)的定义 机器人是“一种用于移动各种材料、零部件、工具或专用装置的,通过程序化的动作来执行各种任务.并具有编程能力的多功能操作机” 。 国际标准化组织(ISO)的定义 “机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机。这种操作机具有多个轴,能够借助可编程操作来处理各种材料、零部件、工具和专用装置,以执行各种任务”。,9,日本工业机器人协会的定义 “工业机器人是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及结构,并能完成复杂空间动作的、多自由度的自动机械” 。 中国机械工业部(1986)的定义 “工业机器人是一种能自动定

6、位、可重复编程的多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或夹持工具,用以完成各种作业” 。 智能机器人,“能根据感觉机能和认知机能来自行决定行动的机器人”,10,总括起来可以认为，机器人是具有以下特点的机电一体自动装置： 具有高度灵活性的多功能机电装置，可通过改编程序获得灵活性。简单地更换端部工具实现多种功能。 具有移动自身、操作对象的机构，能实现人手或脚的某些基本功能。 具有某些类似于人的智能。有一定感知，能识别环境及操作对象。具有理解指令，适应环境，规划作业操作过程的能力。,11,机器人装配生产线,12,喷漆机器人,13,焊接机器人,14,鉚接机器人,15,毛刺清理机器人,16,码垛机

7、器人,17,3. 机器人分类 表1.按运动机构分类,18,刚体的自由度：确定物体在坐标系中位姿的独立坐标运动数目 运动副：两个构件组成相对运动的联接 机器人的自由度数：机器人执行分系统所有运动副自由度数的总和（一般不包括手部自由度数,刚体的自由度,19,机器人结构类型,20,表2.按技术发展进程分类,21,表3.按控制方式分类,22,表4.按运动方式分,23,表5.按驱动方式分,24,表6 .按负载能力及工作空间范围分,25,表7.按完成功能分类,26,4.非制造环境下的机器人概念及分类 非制造环境下的机器人定义和特点 定义：非制造环境下的机器人涵盖了除工业机器人外的所有其它类型的机器人 特点

8、：非制造环境下的机器人除具有工业机器人的基本属性和使用特点外，具有比工业机器人适应面更广、自动化和智能化更高、对工作环境的适应能力更强、操作功能更复杂、以及能满足特殊要求等特性。,27,非制造环境下的机器人分类 表8.按应用领域分类,28,表9.按特征分类,29,我国第一台机器人化机器-虚拟轴机床 （清华制造所）,30,扫雷轮式移动机器人 无人移动侦察车,31,水下机器人,32,Rocky7(美国喷气动力实验室) (其简化型号“索杰纳”曾于1997年成功登陆火星）,33,月球登陆车录像,34,履带式移动机器人,35,农用采摘机器人,36,爬壁机器人,37,导盲机器人,38,足球机器人,39,打

9、球机器人录像,40,灵巧手,41,电子宠物 AIBO,42,四足机器人 八足机器人,43,MIT研制的拟人机器人上肢 英国的气囊驱动拟人机器人,44,Pioneer HITBWR- THBIP- (国防科大2000) (哈工大1995) （清华）,45,Sony SDR-3X Honda ASIMO MIT M2 (2001) (2001) (2000),46,5. 机器人研究涉及的理论和技术 涉及的学科领域 机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。 智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、

10、测试技术、制造技术、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。,47,涉及的理论和技术 基础理论 （1）机器人分析和设计理论，包括运动学和动力学分析、运动规划、机器人优化设计等。 （3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等 （4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互。 （5）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法。,48,机器人技术： 机器人制造技术、操作和执行技术、驱动和控制技术、检测和感知技术、机器人智能技术、实验和评价技

11、术、人机交互和融合技术、通讯技术、机器人的能源和通讯技术、技术规范和标准等。 机器人智能控制是控制理论，优化技术及人工智能综合应用的产物,49,机器人的未来技术发展方向 提高机器人的智能化、机动性、可靠和安全性、以及与人类环境的完美的融入性。追求的主要目标是“融入人类的生活，和人类一起协同工作。从事一些人类无法从事的工作，以更大的灵活性给人类社会带来更多的价值 智能机器人的发展 微型机器人发展 新型机器人关键器件技术的发展 机器人专项技术的发展,50,仿人机器人研究及系统开发,研制自主式拟人机器人，同时并行开展基础理论研究和样机研制。包括三个分项目： 拟人机器人步行理论研究及其样机步行载体分系

12、统开发 拟人机器人的感知、能源和通讯及操作技术研究及其样机分系统开发 拟人机器人的智能和控制理论研究及其样机分系统开发,51,研究内容： 自主式拟人机器人基础理论和技术研究 拟人机器人的机构分析和综合 拟人机器人的动静态平衡和运动控制理论及其技术 拟人机器人仿生学 拟人机器人驱动、关节和检测等关键件的设计理论 拟人机器人的材料技术 拟人机器人的制造加工技术,52,拟人机器人的制造加工技术 拟人机器人感知和检测及信息处理技术 拟人机器人动力和通讯技术 拟人机器人人工智能和计算机控制理论 拟人机器人智能故障诊断技术 拟人机器人的数字化技术,53,自主式拟人机器人样机研制 拟人机器人功能和性能设计

13、拟人机器人总体结构方案设计 驱动、关节、下肢和机体骨架部件的结构设计和制造 手部和头部的结构设计和制造 拟人机器人动静平衡系统及其器件设计和制造 拟人机器人动力和通讯系统设计和制造 拟人机器人感知系统及其检测原器件设计和制造 关节伺服运动控制系统设计和开发 拟人机器人计算机智能系统设计和开发 拟人机器人样机技术的应用开发,54,性能设计 第一步的工作就是分析人类两足步行的行走机理，建立起行走的模型；相关课题包括： 与行走相关的腿部关节功能 腿部关节的定位 腿部关节的活动范围 腿的尺寸、重量、质心 行走时，腿部关节所受到的力矩 与行走相关的传感器 行走时地面对腿部关节的冲击,55,人体的运动能力

14、 对于普通人而言，在没有经过专业的训练的情况下，可以拥有下面的运动能力 步行： 步长：70-80厘米 步频：100-120步/分 步速：4-6千米/小时 慢跑： 步长：100-120厘米 步频：150-200步/分 步速：9-15千米,56,首先实现静态行走，通过研究行走过程中身体各个部位的协调作用，加强机器人自身的平衡控制能力，进一步达到动态行走要求，实现动态行走。 将一些视觉系统，电源等部件安装到行走的载体上。 结构优化、智能化和拟人化，特别是外形的友好性的改进、重量的减轻、工作时间的延长等 。,57,结构方案 腿部自由度分配 髋部和踝部各设置2个自由度，可以使得机器人在不平的地面上站立；

15、髋部再增加一个扭转自由度，可以改变行走的方向；踝关节处加一个旋转自由度可以使得脚板在不规则的的表面落地，六个自由度的腿可以实现上面的功能。但是，步行的突然不连续性和跨步会造成重大的障碍，所以在膝关节上加上一个自由度，可以方便的上下台阶。所以从功能上考虑一个比较完善的腿部自由度配置是每条腿上7个自由度。 本田的P2P3系列，都是在腿上设计了六个自由度，其中髋部3个，踝部2个，膝关节1个,58,手臂自由度分配 P2P3系列机器人。 肩关节和腕关节各3个自由度，肘关节一个自由度 本田的拟人机器人只是可以用手完成使用扳手，抓持物体，所以只是涉及两个手部的自由度。然而，早稻田大学的WABOT2可以弹奏钢

16、琴，手部的自由度要丰富一些。,59,控制系统设计 与控制相关的机构设计 (1)关节分布 (2)传感器 腿：6*2=12 DOF 摄象机：2 hip: 3 DOF(P、R、Y) 倾斜角传感器：1 (光纤陀螺） knee:1 DOF(P) 轴力传感器：4 （脚、手腕） ankle: 2DOF(P、R) 臂：7*2=14 DOF shoulder:3DOF (P、R、Y) elbow: 1DOF(P) waist: 3DOF (P、R、Y) 手： 2 DOF,60,机器人的传感器主要分为内传感器（主要测量机器人各个关节和其它部件的位置、速度、加速度，用于控制机器人的运动），如位置、角度传感器，速度和角速度传感器，加速度传感器，姿态传感器等；外感受器主要是用来感知外界的各种刺激，获取外界环境状况的传感器，包括视觉、触觉、力觉等。以上只列出了外传感器。,