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1、机器人控制理论与技术机器人控制理论与技术（1）课程简介课程简介 教学内容教学内容：机器人的基本：机器人的基本结构构组成、工作原理、控制及分成、工作原理、控制及分析方法。析方法。 教学目教学目标：使学生通：使学生通过本本课程的学程的学习，了解当前国内外机，了解当前国内外机器人控制的研究、器人控制的研究、应用状况以及用状况以及发展展趋势，初步具，初步具备机器机器人控制系人控制系统的的设计能力，提高学生分析能力，提高学生分析问题和解决和解决问题的的能力。能力。 教材：教材：自主移自主移动机器人机器人导论，Siegwart著，李人厚著，李人厚译，西安交通大学出版社，西安交通大学出版社，2006年年9月
2、月 课程主要教学内容课程主要教学内容n理理论教学（教学（24学学时）移移动机器人机器人发展展历程与体系程与体系结构（构（1学学时）移移动机器人的感知技机器人的感知技术（6学学时）移移动机器人的定位技机器人的定位技术（5学学时）移移动机器人的路径机器人的路径规划（划（6学学时）移移动机器人的运机器人的运动控制技控制技术（6学学时）n实验教学（教学（8学学时）机器人机器人结构构认识（1学学时）机器人机器人传感器的使用（感器的使用（2学学时）机器人运机器人运动控制（控制（3学学时）机器人避障机器人避障实验（2学学时）课程考核方法课程考核方法n本本课程采用程采用课程程论文作文作为主要考核方式；主要考核
3、方式；n结合学生平合学生平时成成绩和和实验成成绩；平平时成成绩占占20%实验成成绩占占30%课程程论文成文成绩占占50% 机器人技机器人技术作作为2020世世纪人人类最最伟大的大的发明之一，自上世明之一，自上世纪四十、五十年代四十、五十年代问世以来，世以来，经历了了6060年的年的发展已展已经取得了取得了长足的足的进步！步！在人在人们的生的生产生活的很多生活的很多领域域发挥着越来越着越来越重要的作用。重要的作用。什么是什么是Robot？什么是什么是Robot？na machine that can do some tasks that a human can do and that works
4、 automatically or is controlled by a computer。机器人的发展历史机器人的发展历史列子列子汤问汤问篇篇n时间：时间：（约公元前约公元前10541054年年公元前公元前949949年）年）西周西周n人物：周穆王，偃师，伶人人物：周穆王，偃师，伶人“Robot”一词最早出现在哪位作者的著一词最早出现在哪位作者的著作中？作中？Norbert WienerIsaac AsimovKarel CapekGeoge Devol“Robot”一词最早出现在哪位作家的小说中？一词最早出现在哪位作家的小说中？nA. Norbert. WienernB. Isaac As
5、imovnC. Karel CapeknD. Geoge Devol“Robot”的来源的来源nThe word Robot comes from the 1920 play R.U.R. (Rossums Universal Robots) by the Czech writer Karel Capek. Robot comes from the Czech word robota, meaning forced labor.nThe word robotic also comes from science fiction - it first appeared in the short s
6、tory Runaround (1942) by Isaac Asimov. This story was later included in Asimovs famous book I, Robot.Karel Capek and his “Rossums Universal Robots”机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种第一代机器人是一种进行重复操作的机械，即通行重复操作的机械，即通常所常所说的机械手，它的机械手，它虽配有配有电子存子存储装置，能装置，能记忆重复重复动作，然而因作，然而因未采用外部未采用外部传感器感器，所以没，所以没有适有适应外界外界环境境变化的能力。化
7、的能力。n第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。第一代工业机器人的代表第一代工业机器人的代表1961年，通用汽车公司生产线年，通用汽车公司生产线Unimate and Joseph Engelberger 机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。n第二代
8、机器人由于采用了第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感感器，已初步具有感觉-反反馈控制的能力，能控制的能力，能进行行识别、选取判断。使取判断。使机器人具有了初步的智能。因而机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与感器的采用与否已成否已成为衡量第二代机器人的重要特征衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。HELPMATEnHelpmate具备多种传感器，可以利用天花板上的具备多种传感器，可以利用天花板上的路标做引导，实现避障等功能。路标做引导，实现避障等功能。机器人的发展历史机器人的发展历史n第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主
9、要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。n第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。n第三代机器人第三代机器人为高一高一级的智能机器人，的智能机器人，“智能化智能化”是是这代机器人的代机器人的重要重要标志志。自主移动机器人自主移动机器人Spirit & Opportunity轮式移动机器人轮式移动机器人Nomadn大小：大小：2.4*2.4*2.4(m)n重量：重量：725Kgn速度：速度：0.5m
10、/snGPS定位定位履带式移动机器人履带式移动机器人PackBot 510n自重：自重：19公斤公斤n负重：负重：20公斤公斤n行进速度：行进速度：2.5m/sn连续运行时间：连续运行时间：10hn其它特性：防水其它特性：防水四腿机器人四腿机器人BigDognBoston DynamicsnName:BigDogn自重：自重：234lbsn负重：负重：340lbsn速度：速度：6.4km/hn爬坡角：爬坡角：35度度n特点：可适应绝大多特点：可适应绝大多数恶劣地形，如雪地、数恶劣地形，如雪地、山区、沙地等。山区、沙地等。双足机器人双足机器人ASIMOn生产商：生产商：HONDAn自重：自重：5
11、4Kgn身高：身高：130cmn持重：持重：单手：单手：0.3Kg双手：双手：1.0Kgn速度：速度：通常步行时通常步行时02.7km/h持重行走时持重行走时1.6km/h直线行走时直线行走时6.0km/h旋回行走时旋回行走时5.0km/h自主移动机器人学中的三个关键问题：自主移动机器人学中的三个关键问题：n我在哪里？我在哪里？（Where am I?）n我要去哪里？我要去哪里？（Where am I going?）n我如何去那里？我如何去那里？（How do I get there?）为了解决上述三个问题，机器人需要：为了解决上述三个问题，机器人需要：n具具备一定的一定的环境模型；境模型；n
12、具具备对环境感知和分析的能力；境感知和分析的能力；n确定它在确定它在环境中的位置；境中的位置；n规划和划和执行运行运动的能力；的能力； 为了了实现上述功能，我上述功能，我们需要从以下四个需要从以下四个环节研究机器人：研究机器人：自主移动机器人的两种体系结构（一）自主移动机器人的两种体系结构（一）分分层式体系式体系结构：构：也称也称为基于知基于知识的体系的体系结构，构，该结构把各模构把各模块分分为不同的不同的层次，使不同次，使不同层次上的模次上的模块具具备不同的功能和操作不同的功能和操作方式。方式。典型的分层式体系结构典型的分层式体系结构NASREM结构结构移动机器人的两种体系结构（二）移动机器
13、人的两种体系结构（二）包容式体系包容式体系结构构 也称也称为基于行基于行为的体系的体系结构，是一种完全的反构，是一种完全的反应式式体系体系结构，是基于感知与行构，是基于感知与行为之之间映射关系的并行映射关系的并行结构。构。基于行为的机器人代表（基于行为的机器人代表（1）19491951Grey Walter制作的制作的 Elsie基于行为的机器人代表（基于行为的机器人代表（2）n1989年，年，MIT的的Rodeny Brooks教授制作了世界教授制作了世界上第一个基于行为的机上第一个基于行为的机器人器人-Genghis.n12个电机个电机n12个力传感器个力传感器n6个热电传感器个热电传感器
14、移动机器人的两种体系结构（三）移动机器人的两种体系结构（三）n包容式体系包容式体系结构构不确定模型不确定模型基于行基于行为的的并并联实现由下至上由下至上n分分层式体系式体系结构构完全建模完全建模基于功能的基于功能的串串联实现由上至下由上至下混杂式控制结构混杂式控制结构更可行的方法更可行的方法混杂式控制结构混杂式控制结构问题：问题：n什么是感知？什么是感知？n感知等于不等于感感知等于不等于感觉？感知的概念感知的概念自主移动机器人的传感器自主移动机器人的传感器 由于机器人的由于机器人的应用范用范围越来越广，所越来越广，所以要求它以要求它对变化的化的环境要具有更境要具有更强的适的适应能力，能能力，能
15、进行更精确的定位和控制，并具行更精确的定位和控制，并具有更高的智能。有更高的智能。传感器是感器是机器人机器人获取信息取信息的必的必备工具。工具。示例示例1Helpmate示例示例2B21问题：问题：n超声超声传感器的安装位置感器的安装位置为何往往要高于何往往要高于红外外传感器？感器？示例示例3Robart II示例示例4Nuclear Surveillance Robot问题：问题：n自主移自主移动机器人常用的机器人常用的传感器有哪些？感器有哪些？自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪
16、n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红
17、外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：自主移动机器人常用的传感器有：n1.电机机编码器器n2.超声超声传感器感器n3.红外外传感器感器n4.激光激光测距距仪n5.麦克麦克风n6.视觉传感器感器n7.电子子罗盘n8.GPS总结总结n机器人的定机器人的定义n机器人的三个机器人的三个发展展阶段段n几种典型的机器人几种典型的机器人n两种机器人控制体系两种机器人控制体系结构构n机器人感知机器人感知n几种机器人常用几种机器人常用传感器感器
