機器人課件.doc

第一單元 認識機器人 我們知道，隨著科學的不斷發(fā)展，不論是現(xiàn)代高端科技中還是在我們?nèi)粘Ｉ钪?，機器人都開始開始承擔越來越重要的角色。下面就讓我們一起走進機器人，認識機器人。其實，我們很多人在很早就接觸過機器人，只是沒有意識到而已。一下這些是否還記得呢？ 綠 色帶花紋，只要擰緊發(fā)條，青蛙可在地板上撲騰好一陣子。還記得小時候和伙伴們一塊玩鐵青蛙是的樂趣嗎？ 鐵青蛙 遙控車 以上這些機器人是否很熟悉？這些只不過是機器人的冰山一角，機器人大家庭還有很多奇能異士，讓我們慢慢欣賞！ 想一想： 我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|或在熒幕上看見過哪些機器人呢？ 我國機器人的誕生 那么，我國機器人是從什么時候開始的呢？其實，機器人早在我國三國時期就已出現(xiàn)，蜀漢丞相諸葛亮的妻子黃月英發(fā)明了一種運輸工具，木牛流馬。史載建興九年至十二年（231年234年）諸葛亮在北伐時所使用，其載重量為“一歲糧”，大約四百斤以上，每日行程為“特行者數(shù)十里，群行三十里”，為蜀國十萬大軍提供糧食。斗轉(zhuǎn)星移，時至現(xiàn)代。計算機技術飛速發(fā)展，現(xiàn)代仿生機器人出現(xiàn)。其理論基礎是人工智能，這門學科以計算機技術和機器人技術為基礎，綜合性強，旨 在創(chuàng)造出具有智慧的機器。機器人發(fā)展的幾個重要時刻 公元前1400年，巴比倫人發(fā)明了漏壺，這是一種利用水流計量時間的計時器，他也被認為是歷史上最早的機械設備之一。在公元270年，古希臘發(fā)明家特西比烏斯（Csestibus）發(fā)明了一種采用活靈活現(xiàn)的人物造型指針指示時間的水鐘，他也因此成名。 萊昂納多達芬奇（Leonardo DaVinci）設計了一種發(fā)條騎士，試圖讓它能夠坐直身子、揮動手臂以及移動頭部和下巴。這個機器人是否曾被造出來并不能確定，但根據(jù)其設計或許能夠造出第一個人形機器人。 1966年，斯坦福大學人工智能研究中心（The Artificial Intelligence Center at the Stanford Research Center）開始了謝克機器人（Shake The Robot）的研發(fā)工作，這是第一臺移動機器人，它被賦予了有限的觀察和環(huán)境建模能力，控制它的計算機要填滿整個房間。 1997年，小個頭的“旅居者”探測器（Sojourner Rover）開始了自己的火星科研任務，它的最高行走時速為0.02英里，這臺機器人探索了自己著陸點附近的區(qū)域，并在之后三個月中拍攝了550張照片。 2000年，本田汽車公司（Honda Motor）出品的人形機器人阿西莫（ASIMO）走上了舞臺，它身高1.3米，能夠以接近人類的姿態(tài)走路和奔跑。 做一做： 你希望自己擁有什么樣的機器人呢？完成你的愿望！發(fā)揮你的想象，寫出你希望擁有機器人的名字機器功能，完成下表。 機器人名字 機器人功能 前沿快車：機器人來了！這不是入侵而是變革，這些機器人很快就會成為我們生活的一部分。我們已經(jīng)窺探了未來，這便是未來，讓我們一起來了解認識最好的仿人機器人吧！ 有一個新品種正在世界各地不斷進化中，這個品種是由外形與我們相似的物體組成，但它們的身體卻非血肉，它們的身體是由金屬、發(fā)動機和硅樹脂組成。很快，他們便會在我們身邊開始生活。這正是一個令人著迷的機器人技術研究方向所得出的結果仿人機器人！他們其中有一個看起來十分可愛，像小孩一般，它的名字叫做兒童機器人，是在熱那亞的意大利科學技術研究院發(fā)明的?，F(xiàn)在應用于全球超過20家科研機構內(nèi)。兒童機器人被作為教育平臺應用于仿人機器人的開發(fā)，從工程設計到行為舉止，幾個方面的研究都得益于其多重視別力及學習能力，兒童機器人能和人類互動，響應語音指令并識別出不同的物體。 兒童機器人是一個完整的平臺，有可用于觀看和感受的傳感器，所以當他們和周圍環(huán)境交互時能感受到觸摸和力量。手經(jīng)過了精妙的設計，這就意味著手有著很多關節(jié)可以移動去探索周遭的環(huán)境。 兒童機器人身上的結合傳感器和精妙的活動能力能夠形成智能行為。這些智能行為讓機器人能夠?qū)ξ矬w做出反應，例如跟人類進行互動、自動學習周遭的環(huán)境等思考：為什么這個機器人的外形要塑造成三四歲的樣子呢？這是有很重要的原因，這是能夠讓科學家在其學習方面的問題進行研究時，與其建立一個已經(jīng)知道該怎么行動的機器人，不如建造出能和周遭環(huán)境進行互動的機器人。讓仿人機器人更像人類，這是一個復雜任務，需要工程學、機械學和認知研究的完美平衡。人類一直都對于創(chuàng)造出人造生物作為工作伙伴和進行社交互動這個概念十分著迷。兒童機器人為在未來分享我們?nèi)粘Ｉ羁臻g的機器人打下基礎。為此，他們不僅僅要長得像我們，也要以安全的方式和我們進行互動。我們需要可信任的機器人上半身仿人機器人。 他可以創(chuàng)造出一個能在共享空間內(nèi)與人類互動的機器，這樣我們就不會發(fā)生沖突或誤解。 機器人并非單單依靠許多的傳感器來形成一個反應，更多的是依靠一個模擬我們大腦思維和運作模式的更為復雜的系統(tǒng)。第二單元 機器人大家庭 同學們，我們前面簡單介紹了一下機器人的前世今生，那么這單元我們繼續(xù)來走進機器人大家庭。在機器人大家庭里，主要分為兩類機器人：工業(yè)機器人和服務機器人。這兩類機器人又是怎樣服務于人類的呢？讓我們一起來看看。 工業(yè)機器人 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術制定的原則綱領行動。如圖，是一個焊接機器人。服務機器人服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，可以分為專業(yè)領域服務機器人和個人/家庭服務機器人，服務機器人的應用范圍很廣，主要從事維護保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護等工作。隨著人們對生活質(zhì)量的不斷提高，服務機器人愈加成為我們生活中不可缺少的好幫手、好伙伴。 為了更好的和人進行互動，機器人必須安全、堅定和美觀。就在幾十年前，機器人這個詞是源于捷克語中“苦工”一詞。傳統(tǒng)上是指工廠內(nèi)為工業(yè)生產(chǎn)所采用的巨臂型機器?，F(xiàn)在這個曾經(jīng)是貶義的詞語，如今卻代表著更多的像服務機器人這樣的機器，但是我們讓這些機器人安全的融入我們的世界之前還需要克服很多的困難。而這些困難并非都是技術方面的。 有人說：阿西莫夫著名的機器人三大定律與在人們身邊的真實世界環(huán)境下投放一個機器人所碰到的問題相比根本不算什么。因為很多地區(qū)要求當人們出現(xiàn)在機器人身邊時要完全停止行動，但服務機器人的目的正是要面向人們，和人們互動并試著按原本設定那樣去幫助他們。上圖這個被叫做“雷姆”的機器人是用來作為博物館、購物商場和另外一些公眾場所的向?qū)?。它能通過其觸摸屏為人們提供信息和進行導航，能過理解指令并用語音回答詢問者。這些工作都需要軟件和硬件的完美結合。那么什么是機器人三大定律呢？在科幻小說領域，機器人三定律是科幻小說家艾薩克阿西莫夫在他的大量機器人相關作品中為機器人設定的行為準則:第一定律 機器人不得傷害人，或任人受到傷害而無所作為； 第二定律 機器人應服從人的一切命令，但命令與第一定律相抵觸時例外； 第三定律 機器人必須保護自己的存在，但不得與第一、第二定律相抵觸。 下圖是一個清掃機器人，他可以自動探測垃圾，測試房間大小，不會放過任何一個角落，不會卡在某個角落里不出來，有自救解圍系統(tǒng)。他還配有超級活性炭，在清掃過程中能順便凈化空氣。 科幻電影中的機器人有著酷炫的外形和強大的本領，它們也因此而赫赫有名。他們大多只是虛構出來的，而現(xiàn)實生活中卻真實存在一些默默無聞的機器人，它們安靜的在我們身邊工作，如樓道自動感應燈（如圖）、自動感應水龍頭（如圖）等?？梢?，機器人的外形可以是千差萬別的，并不是非要像人形。 思考：機器人與普通的機器有什么區(qū)別？機器人與普通機器的不同之處在于：機器人是自動化、智能化的機器，它們具備一些與人相似的能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力。機器人的廣泛應用 隨著人們對機器人技術智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術開始源源不斷的向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們開發(fā)了各式各樣的機器人，如工業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人（如圖）、娛樂機器人、農(nóng)業(yè)機器人、軍用機器人（如圖）、太空機器人、教育機器人等。 猜一猜，下面是雙胞胎還是模仿秀呢？第三單元 機器人的組成及工作原理同學們，前面我們已經(jīng)進入機器人大家庭，認識了許多各式各樣的機器人。但這些機器人都是怎么組成？怎么工作的呢？是不是像電影中那樣酷炫百變呢？讓我們進一步認識一下真實的機器人。 機器人有哪些部分組成？機器人系統(tǒng)的結構由機器人的機械結構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。機器人的外貌有的像人，有的卻并不具有人的模樣，但其組成與人很相似。機構部分包括機械手和移動機構，機械手相當于人手一樣，可完成各種工作；移動機構相當于人的腳，機器人靠它來走路。感知機器人自身或外部環(huán)境變化信息的傳 感器是它的感覺器官，相當于人的眼、耳、皮膚等，它包括內(nèi)傳感器和外傳感器。電腦是機器人的指揮中心，相當于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機器人各部位協(xié)調(diào)動 作；信息處理裝置（電子計算機），是人與機器人溝通的工具，可根據(jù)外界的環(huán)境變化、靈活變更機器人的動作。機器人運動機構機器人的運動機構就像是人類的手腳一樣，不一樣的是它們中有些機器人的腳是輪子或履帶等代替，如圖為機器人樂隊。 當我們見到某人時，我們會用握手的方式來打招呼，這也是人們愿意在機器人身上運用的人類互動基本形式。但機械手臂和手通常是僵硬的機械零件所組成的。傳統(tǒng)機器人一般都具有非常僵硬的關節(jié)和手臂，很有可能會給人類造成危險。而人類則不同，雖然我門具有著堅硬的骨骼，但肌肉卻非常柔軟，肌肉可以像彈簧一樣移動。他們不僅僅是驅(qū)動金屬的變速箱，這就促使科學家們想出了一個全新的人造肢體設計模型，其靈感就是直接來源于人體。 這個機器人雖然像人類，但是沒有皮膚而且僅僅只有一只大眼，它主要精妙的模擬了人類的骨骼結構，他甚至需要放松后背。 他是迄今為止最為逼真的骨骼，甚至關節(jié)盤之間有膠狀軟墊的水平，這正是骨骼活動的關鍵所在。機器人在人類骨骼上有很多值得借鑒的地方，特別是手臂和手，這是仿人機器人身上最復雜的零件之一，也是跟人類接觸最頻繁的部位如下圖，為便攜式履帶機器人，具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬等方面具有明顯優(yōu)勢。 思考：雙足機器人行走過程中怎么樣保持平衡呢？重心是雙足機器人直立行走的重點問題，主要在于保持重心平衡。機器人行走的過程中，能讓重心可以在安全范圍內(nèi)變化，使機器人可以保持平衡，穩(wěn)步前進。 有時候?qū)τ谌祟悂碚f這很簡單，但是對機器人卻并非如此。建造一個能行走的機器人的最大挑戰(zhàn)就在于如何保持平衡。因為僅僅用兩腿來保持平衡要比類似四肢著地要困難的多我們平常玩的不倒翁為什么總是直立的，這和重心有什么關系呢？ 原來，它的重心比較低。當你將它傾斜以后，它的重力與它的著地點之間就產(chǎn)生了一個力矩，由于這個力矩的作用，使不倒翁要恢復原來的狀態(tài)，所以不倒翁就不停地搖擺起來，就是不會倒下去。所以，重心一低，穩(wěn)度也就大大地提高了。想一想：物體的重心怎么找呢？ 對于質(zhì)地均勻、外形規(guī)則的物體，其重心位于它的幾何中心上。但對于形狀不規(guī)則的物體怎么辦呢？我們可以用懸掛法。來確定物體重心。如圖，物體的重心就在C點上。溫馨提示：從單位符合可以看出重力和質(zhì)量是兩個不同的概念，他們之間的關系服從公式：G=m*g（其中，G是物體的重力，m是物體質(zhì)量，g為重力加速度一般取9.8），通常我們所說的重量是指物體的質(zhì)量。 機器人在人類骨骼上有很多值得借鑒的地方，特別是手臂和手，這是仿人機器人身上最復雜的零件之一，也是跟人類接觸最頻繁的部位。在德國航空航天中心開發(fā)出來了一種機器人手臂在重量和大小尺寸方面和人類相似，即使其峰能消耗也跟人類手臂近似。這種機器人手部甚至有19自由度。：什么是自由度？機器人的自由度自由度是機器人的一個重要技術指標，它是由機器人的結構決定的，并直接影響到機器人的機動性。1.剛體的自由度物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關。物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目稱為自由度（DOF，degree of freedom)。物體所能進行的運動（見圖1. 3)有：圖表1.3剛體的六個自由度沿著坐標軸ox、oy和oz的三個平移運動T1，T2和T3；繞著坐標軸ox、oy和oz的三個旋轉(zhuǎn)運動R1，R2和R3。這意味著物體能夠運用三個平移和三個旋轉(zhuǎn)，相對于坐標系進行定向和運動。一個簡單物體有六個自由度。當兩個物體間確立起某種關系時，每一物體就對另一物體失去一些自由度。這種關系也可以用兩物體間由于建立連接關系而不能進行的移動或。轉(zhuǎn)動來表示。2.機器人的自由度人們期望機器人能夠以準確的方位把它的端部執(zhí)行裝置或與它連接的工具移動到給定點。如果機器人的用途預先是不知道的，那么它應當具有六個自由度；不過，如果工具本身具有某種特別結構，那么就可能不需要六個自由度。例如，要把一個球放到空間某個給定位置，有三個自由度就足夠了（見圖(a)。又如，要對某個旋轉(zhuǎn)鉆頭進行定位與定向，就需要五個自由度；這個鉆頭可表示為某個繞著它的主軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體（見圖(b)）。機器人機械手的手臂一般具有三個自由度，其他的自由度數(shù)為末端執(zhí)行裝置所具有。機器人自由度舉例當要求某一機器人鉆孔時，其鉆頭必須轉(zhuǎn)動。不過，這一轉(zhuǎn)動總是由外部的馬達帶動的。因此，不把它看做機器人的一個自由度。這同樣適用于機器人的機械手。機械手的夾手應能開閉。不過，也不能把夾手的這個開閉所用的自由度當做機器人的自由度之一，因為這個自由度只對夾手的操作起作用，這一點是很重要的，必須記住。實驗： 在我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)過程中，很多地方需要搬運并碼垛好一些貨物，對于這種重復度高，又繁重的動作，我們需要碼垛機器人來幫忙。如圖在物流行業(yè)中，碼垛機器人在工作。但碼垛機器人需要克服多大的力才能把貨物抓起來呢？讓我們做個簡單的實驗來認識一下什么叫重力。 實驗器材： 支架，鉤碼，彈簧測力計。實驗步驟：1、檢查彈簧測力計2、 把鉤碼逐個懸掛在彈簧測力計上，并記錄每一次的讀數(shù)；3、 整理器材，把器材放回原位；4、 根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)做出質(zhì)量與重力的關系圖像； 從質(zhì)量與重力的關系圖像中我們能否得出重力與質(zhì)量成正比呢？第四單元 機器人傳動機構 機器人的傳動機構是工業(yè)機器人的核心所在。用戶要求機器人速度高、加速度（減速度）特性好、運動平穩(wěn)、精度高、承載能力大。這在很大程度上決定于傳動部件設計的合理性和優(yōu)劣。這單元我們一起來認識一下機器人的傳動機構。機器人中常用的傳動機構 在工業(yè)機器人中，常用的傳動機構主要有：齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動、連桿傳動等。 平常我們常見的是直齒輪傳動，直齒輪傳動的旋轉(zhuǎn)軸是平行的。還有一種圓錐齒輪傳動可以實現(xiàn)傳動軸相互垂直的傳動。如圖： 渦輪蝸桿如圖所示，其中輪狀零件叫蝸輪，雖然看起來像齒輪，但是其齒形跟齒輪是不一樣的，桿狀的零件叫蝸桿。這種傳動的特點是能夠獲得很大的減速比，即蝸桿旋轉(zhuǎn)很多圈才能帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)一圈。并且只能單向傳動，即運動只能由蝸桿傳遞到蝸輪而不能反過來，這種單向傳動的特性一般也稱為自鎖，即當外力想驅(qū)使蝸輪轉(zhuǎn)動時，會被蝸桿鎖住而無法轉(zhuǎn)動。帶傳動主要分兩類，一類是靠帶和帶輪之間的摩擦力傳動的，比如平帶傳動，V帶傳動（帶的橫截面是梯形）等，由于主要是靠摩擦力帶動，所以載荷較大時可能會打滑。還有一種同步帶，帶輪和帶上都有齒，通過齒嚙合消除打滑的存在，可以實現(xiàn)較高精度的傳動。 V帶傳動 同步帶想一想：我們?nèi)粘Ｉ钪卸荚谑裁吹胤揭姷竭^帶傳動裝置？鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。這是我們最常見的一種傳動裝置，自行車、大型挖掘機，甚至坦克都少不了這種傳動方式。連桿傳動利用連桿可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，往復運動，指定軌跡運動，甚至還可以指定經(jīng)過軌跡上某點時的速度，連桿傳動需要非常巧妙的設計。如圖為一個二連桿傳動裝置。前沿快車 仿人機器人需要達到手工靈巧的熟練程度，為此在不萊梅的德國人工智能研究中心開發(fā)了一種叫“艾拉”的服務機器人。它能夠由穿著外甲的工程師從遠處操控，因此很適合在艱苦和高強度的環(huán)境下工作，比如太空，適用于人類難以開展的工作或太危險的環(huán)境。它的手不僅靈巧而且精準度高。 實驗： 在工業(yè)生產(chǎn)中，機器人常代替人類完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作，這些操作很多都要用到機器人的傳動系統(tǒng)。相信很多同學和父母都去過大商場購物，當