《從工業(yè)機(jī)器人到仿人機(jī)器人》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《從工業(yè)機(jī)器人到仿人機(jī)器人（70頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、1 清華大學(xué)自動(dòng)化系 石宗英 2一機(jī)器人簡(jiǎn)介 發(fā)展 定義和分類(lèi) 涉及的學(xué)科和技術(shù)二仿人機(jī)器人研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 性能設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)方案 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)31.1.機(jī)器人的發(fā)展概況機(jī)器人的發(fā)展概況“Robot”Robot”的出現(xiàn)的出現(xiàn) v1921，機(jī)器人(Robot)一詞最早出現(xiàn)于捷克斯洛伐克劇作家Karel Capek的劇本Rossums Universal Robots中.劇中把捷克語(yǔ)“Robota” (農(nóng)奴)寫(xiě)成“Robot”(機(jī)器人)v1942年，著名科普讀物作家Isaac Asimov在科幻小說(shuō)流浪者中提出了機(jī)器人學(xué)(Robotics)一詞，預(yù)測(cè)了機(jī)器人所涉及的科學(xué)領(lǐng)域和存在的問(wèn)題。4v1950年
2、，Isaac Asimov在科幻小說(shuō)I Robot中，不僅描寫(xiě)了機(jī)器人機(jī)械方面的具體內(nèi)容，而且描述了它在智能方面的內(nèi)容，如機(jī)器人如何進(jìn)行選擇、決策等。并提出了有名的“機(jī)器人三原則”：1.1.機(jī)器人不可傷害人或眼看人將遇害而袖手機(jī)器人不可傷害人或眼看人將遇害而袖手旁觀(guān)。旁觀(guān)。2.2.機(jī)器人必須服從人的命令，但若命令的內(nèi)機(jī)器人必須服從人的命令，但若命令的內(nèi)容違反容違反1 1時(shí)，則不受此約束。時(shí)，則不受此約束。3.3.只要不違反上述兩條，機(jī)器人必須自己保只要不違反上述兩條，機(jī)器人必須自己保衛(wèi)自己。衛(wèi)自己。5機(jī)器人的起源機(jī)器人的起源 機(jī)器人起源于遙控操作器和數(shù)控機(jī)床 v二戰(zhàn)期間,為處理放射性材料研制出
3、了遙控的主從式操作器 (連桿機(jī)構(gòu))。 v1949年,由于研制新型飛機(jī)時(shí)零件加工的需要,美國(guó)空軍發(fā)起了對(duì)數(shù)控銑床的研制。v1953年,MIT研制出數(shù)控銑床(伺服技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合) 。6機(jī)器人的出現(xiàn)及發(fā)展機(jī)器人的出現(xiàn)及發(fā)展v1954,George Devol( 美)提出機(jī)器人不一定要象人的樣子,但要能做人的工作。他具體描述了如何建造能控制的機(jī)械手,并申請(qǐng)了專(zhuān)利 v1961, George Devol研制出第一臺(tái)采用伺服控制技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人。它是一臺(tái)將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來(lái)的設(shè)備 v60年代，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長(zhǎng)期,機(jī)器人開(kāi)始向?qū)嵱没l(fā)展,并被用于焊接和噴涂作業(yè)中 l1967, 日
4、本的川崎重工購(gòu)買(mǎi)了美國(guó)的專(zhuān)利許可,機(jī)器人遠(yuǎn)渡重洋來(lái)到日本 7v70年代，出現(xiàn)了更多的機(jī)器人商品，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本成為“機(jī)器人王國(guó)”l1974年，Cincinati Milacron 推出了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人T3，它可以舉起100磅重的物體，并可跟蹤在裝配線(xiàn)上的工件 v80年代 ，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代,開(kāi)始在汽車(chē)、電子等行業(yè)得到大量使用,推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 l1982年，研制出第一臺(tái)示教再現(xiàn)機(jī)器人 v90年代初,工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求進(jìn)入高潮期。l1991年底世界上已有53萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。v90年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動(dòng)作能力的智能機(jī)器人,產(chǎn)生了智能機(jī)器或機(jī)器人化
5、機(jī)器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大82. 2. （工業(yè)）機(jī)器人的定義（工業(yè)）機(jī)器人的定義 機(jī)器人是機(jī)構(gòu)學(xué)、控制論、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)綜合應(yīng)用的產(chǎn)物，目前尚處于發(fā)展階段，關(guān)于機(jī)器人的一些概念、定義，仍處于不斷充實(shí)、演變之中。v美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)的定義 機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)一種用于移動(dòng)各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的各種材料、零部件、工具或?qū)Ｓ醚b置的, ,通過(guò)程序化的動(dòng)通過(guò)程序化的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù). .并具有編程能力的多功能操作機(jī)并具有編程能力的多功能操作機(jī)” 。v國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義 “機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位機(jī)器人是一種自動(dòng)
6、的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)。這種操作機(jī)置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)。這種操作機(jī)具有多個(gè)軸具有多個(gè)軸, ,能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零部能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零部件、工具和專(zhuān)用裝置件、工具和專(zhuān)用裝置, ,以執(zhí)行各種任務(wù)以執(zhí)行各種任務(wù)”。9v日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義 “工業(yè)機(jī)器人是在三維工業(yè)機(jī)器人是在三維空間具有類(lèi)似人體上肢動(dòng)作機(jī)能及結(jié)構(gòu)空間具有類(lèi)似人體上肢動(dòng)作機(jī)能及結(jié)構(gòu), ,并能完成并能完成復(fù)雜空間動(dòng)作的、多自由度的自動(dòng)機(jī)械復(fù)雜空間動(dòng)作的、多自由度的自動(dòng)機(jī)械” 。v中國(guó)機(jī)械工業(yè)部(1986)的定義 “工業(yè)機(jī)器人是一種工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可重復(fù)編
7、程的多功能、多自由度的操能自動(dòng)定位、可重復(fù)編程的多功能、多自由度的操作機(jī)。它能搬運(yùn)材料、零件或夾持工具作機(jī)。它能搬運(yùn)材料、零件或夾持工具, ,用以完成用以完成各種作業(yè)各種作業(yè)” 。v智能機(jī)器人智能機(jī)器人,“,“能根據(jù)感覺(jué)機(jī)能和認(rèn)知機(jī)能來(lái)自行能根據(jù)感覺(jué)機(jī)能和認(rèn)知機(jī)能來(lái)自行決定行動(dòng)的機(jī)器人決定行動(dòng)的機(jī)器人”10 總括起來(lái)可以認(rèn)為，機(jī)器人是具有以下特點(diǎn)的機(jī)電一體自動(dòng)裝置： v具有高度靈活性的多功能機(jī)電裝置，可通過(guò)改編程序獲得靈活性。簡(jiǎn)單地更換端部工具實(shí)現(xiàn)多種功能。 v具有移動(dòng)自身、操作對(duì)象的機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)人手或腳的某些基本功能。 v具有某些類(lèi)似于人的智能。有一定感知，能識(shí)別環(huán)境及操作對(duì)象。具有理解指令
8、，適應(yīng)環(huán)境，規(guī)劃作業(yè)操作過(guò)程的能力。 111213141516173. 機(jī)器人分類(lèi)機(jī)器人分類(lèi)表1.按運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分類(lèi)名名 稱(chēng)稱(chēng) 特特 征征 說(shuō)說(shuō) 明明 直角坐標(biāo)型機(jī)器人 機(jī)器人的手臂按直角坐標(biāo)形式配置，即通過(guò)三個(gè)相互垂直軸線(xiàn)上的移動(dòng)來(lái)改變手部的空間位置圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 機(jī)器人的手臂按圓柱坐標(biāo)形式配置，即通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變 球坐標(biāo)型機(jī)器人 機(jī)器人的手臂接球坐標(biāo)形式配置，其手臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 機(jī)器人的手臂按類(lèi)似人的腰部及手臂形式配置，其運(yùn)動(dòng)由前后的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成。移動(dòng)機(jī)器人機(jī)座不固定的機(jī)器人，可分為輪式，履帶式和足式18v剛體的自
9、由度剛體的自由度：確定物體在坐標(biāo)系中位姿的獨(dú)立坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)目v運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副：兩個(gè)構(gòu)件組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接 v機(jī)器人的自由度數(shù)自由度數(shù)：機(jī)器人執(zhí)行分系統(tǒng)所有運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)的總和（一般不包括手部自由度數(shù)剛體的自由度0XYZ1920表2.按技術(shù)發(fā)展進(jìn)程分類(lèi)名名 稱(chēng)稱(chēng) 特特 征征 說(shuō)說(shuō) 明明 第一代機(jī)器人（可編程及示教再現(xiàn)）按事先示教或編程的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)作業(yè)的機(jī)器人。（實(shí)用，主要用于搬運(yùn)，噴漆，點(diǎn)焊等）第二代機(jī)器人（感知機(jī)器人）帶有如視覺(jué)觸覺(jué)等外部傳感器，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能。可完成較為復(fù)雜的作業(yè)，如裝配，檢查等第三代機(jī)器人（智能機(jī)器人）除具有外部感覺(jué)感知功能，還具有一定決策和規(guī)
10、劃的能力，從而可適應(yīng)環(huán)境的變化而自主地工作。21表3.按控制方式分類(lèi)名 稱(chēng)特 征 說(shuō) 明順序控制機(jī)器人按照預(yù)先假定的信息（順序、條件、空位等）逐步進(jìn)行各步驟動(dòng)作的機(jī)器人示教再現(xiàn)機(jī)器人通過(guò)示教操作向機(jī)器人傳授順序、條件、位置和其它信息，然后機(jī)器人能按照所存貯的信息，反復(fù)再現(xiàn)示教動(dòng)作。可控軌跡型機(jī)器人（數(shù)控機(jī)器人）以機(jī)器人語(yǔ)言為工具，采用離線(xiàn)方式完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及操作的編程。使用者只需給定作業(yè)參數(shù)，機(jī)器人即能規(guī)劃出全部控制程序。適應(yīng)型機(jī)器人能根據(jù)傳感器反饋信息調(diào)整其運(yùn)動(dòng)軌跡和操作智能機(jī)器人能根據(jù)感覺(jué)機(jī)能和認(rèn)知機(jī)能來(lái)自行決定行動(dòng)的機(jī)器人22表4.按運(yùn)動(dòng)方式分名 稱(chēng)特 征 說(shuō) 明點(diǎn)位控制型（PTP） 機(jī)
11、器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一點(diǎn)位目標(biāo)移向另一點(diǎn)位目標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作連續(xù)控制型（CP）機(jī)器人終端按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)23表5.按驅(qū)動(dòng)方式分名名 稱(chēng)稱(chēng)特特 征征 說(shuō)說(shuō) 明明氣動(dòng)機(jī)器人以壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但工作速度的穩(wěn)定性差等。液壓傳動(dòng)機(jī)器人以液壓方式驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作靈敏、出力大，但要求密封性較高。電動(dòng)機(jī)器人采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常用的有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)，其控制方法靈活、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。24表6 .按負(fù)載能力及工作空間范圍分名名 稱(chēng)稱(chēng)特特 征征 說(shuō)說(shuō) 明明超大型機(jī)器人 可搬重量為1t以上的工業(yè)機(jī)器人大型機(jī)器人可搬重量為100kg
12、1t,動(dòng)作范圍為10 以上的工業(yè)機(jī)器人中型機(jī)器人可搬重量為10100kg，動(dòng)作范圍為110 的工業(yè)機(jī)器人小型機(jī)器人可搬重量為0.l10kg，動(dòng)作范圍為0.l10 的機(jī)器人超小型機(jī)器人 可搬重量小于0.1kg動(dòng)作范圍小于0.1 的機(jī)器人25表7.按完成功能分類(lèi)名名 稱(chēng)稱(chēng)特特 征征 說(shuō)說(shuō) 明明操作機(jī)器人模仿人手和手臂的動(dòng)作，完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢驗(yàn)、裝配等工藝操作，絕大多數(shù)目前的工業(yè)機(jī)器人屬此類(lèi)。移動(dòng)機(jī)器人工業(yè)生產(chǎn)中輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人，可完成運(yùn)輸及上下料等任務(wù)，還有足式、蠕動(dòng)等機(jī)器人。264.非制造環(huán)境下的機(jī)器人概念及分類(lèi)非制造環(huán)境下的機(jī)器人概念及分類(lèi)非制造環(huán)境下的機(jī)器人定義和
13、特點(diǎn)非制造環(huán)境下的機(jī)器人定義和特點(diǎn)v定義：非制造環(huán)境下的機(jī)器人涵蓋了除工業(yè)機(jī)器人外的所有其它類(lèi)型的機(jī)器人 v特點(diǎn)：非制造環(huán)境下的機(jī)器人除具有工業(yè)機(jī)器人的基本屬性和使用特點(diǎn)外，具有比工業(yè)機(jī)器人適應(yīng)面更廣、自動(dòng)化和智能化更高、對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)、操作功能更復(fù)雜、以及能滿(mǎn)足特殊要求等特性。27非制造環(huán)境下的機(jī)器人分類(lèi)非制造環(huán)境下的機(jī)器人分類(lèi) 表8.按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)名 稱(chēng)特 征 說(shuō) 明服務(wù)機(jī)器人指能在人類(lèi)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中代替人的工作, 從事家庭服務(wù)和社會(huì)服務(wù)的機(jī)器人，要求它能更完美的在人生活的環(huán)境中與人共處軍用機(jī)器人滿(mǎn)足各種國(guó)防和軍事用途的機(jī)器人，一般要求它具有遙控、多操作、移動(dòng)、感知和較高
14、的智能空間機(jī)器人用于空間作業(yè)的機(jī)器人，具有功率重量比大，能在失重狀態(tài)下代替人完成任務(wù)水下機(jī)器人在水下作業(yè)的機(jī)器人，具有足夠的抗壓能力和密封性能，可實(shí)現(xiàn)有人或無(wú)人操作醫(yī)療機(jī)器人能完成各種醫(yī)療操作和康復(fù)治療的機(jī)器人，具有高可靠性、無(wú)污染操作等特點(diǎn)28表9.按特征分類(lèi)名 稱(chēng)特 征 說(shuō) 明機(jī)器人化機(jī)器基于機(jī)器人技術(shù)，為滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化機(jī)器的特殊需求，研制的新的機(jī)器系統(tǒng)，它具有機(jī)器人的特征，采用了各種機(jī)器人技術(shù)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功能。微型機(jī)器人微機(jī)器人分為微型機(jī)器人和微操作機(jī)器人。微型機(jī)器人是指外形很小(不大于1cm3),便于進(jìn)入微小空間進(jìn)行可控操作的微型機(jī)械。微操作機(jī)器人的外形尺寸未必很小,但其操作尺寸
15、很小,位移為微米、亞微米級(jí)高精度的機(jī)械。仿生機(jī)器人模仿各種生物的動(dòng)作和功能的機(jī)器人擬人機(jī)器人在形狀和動(dòng)作，以及智能水平上與人類(lèi)似的機(jī)器人，雙足步行實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能是它的主要特征飛行機(jī)器人無(wú)人飛行器29我國(guó)第一臺(tái)機(jī)器人化機(jī)器-虛擬軸機(jī)床（清華制造所）30 掃雷輪式移動(dòng)機(jī)器人 無(wú)人移動(dòng)偵察車(chē)31水下機(jī)器人32Rocky7(美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室)(其簡(jiǎn)化型號(hào)“索杰納”曾于1997年成功登陸火星）33 月球登陸車(chē)錄像34履帶式移動(dòng)機(jī)器人35農(nóng)用采摘機(jī)器人36爬壁機(jī)器人 37導(dǎo)盲機(jī)器人38足球機(jī)器人39打球機(jī)器人錄像40靈巧手41電子寵物 AIBO 42 四足機(jī)器人 八足機(jī)器人43 MIT研制的擬人機(jī)器人上肢
16、 英國(guó)的氣囊驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)器人44 Pioneer HITBWR- THBIP- (國(guó)防科大2000) (哈工大1995) （清華） 45Sony SDR-3X Honda ASIMO MIT M2 (2001) (2001) (2000)465. 機(jī)器人研究涉及的理論和技術(shù)機(jī)器人研究涉及的理論和技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域涉及的學(xué)科領(lǐng)域v 機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科和技術(shù)交叉和結(jié)合的綜合高技術(shù)領(lǐng)域。從某種意義上講,一個(gè)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)水平的高低反映了這個(gè)國(guó)家綜合技術(shù)實(shí)力的高低。v智能機(jī)器人是具有感知、思維和行動(dòng)功能的機(jī)器,是機(jī)構(gòu)學(xué)、測(cè)試技術(shù)、制造技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、
17、仿生學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。47涉及的理論和技術(shù)涉及的理論和技術(shù)v基礎(chǔ)理論（1）機(jī)器人分析和設(shè)計(jì)理論，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)等。（3）機(jī)器人仿生學(xué)，仿生運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理論、仿生器件設(shè)計(jì)和制造等（4）機(jī)器人系統(tǒng)理論，多機(jī)器人系統(tǒng)理論、機(jī)器人-人融合、以及機(jī)器人與其它機(jī)器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和交互。（5）微機(jī)器人學(xué)，微機(jī)器人的分析、設(shè)計(jì)、制造和控制等理論方法。48v機(jī)器人技術(shù)： 機(jī)器人制造技術(shù)、操作和執(zhí)行技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)、檢測(cè)和感知技術(shù)、機(jī)器人智能技術(shù)、實(shí)驗(yàn)和評(píng)價(jià)技術(shù)、人機(jī)交互和融合技術(shù)、通訊技術(shù)、機(jī)器人的能源和通訊技術(shù)、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等。 機(jī)器
18、人智能控制是控制理論，優(yōu)化技術(shù)及人工機(jī)器人智能控制是控制理論，優(yōu)化技術(shù)及人工智能綜合應(yīng)用的產(chǎn)物智能綜合應(yīng)用的產(chǎn)物49機(jī)器人的未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向機(jī)器人的未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向 提高機(jī)器人的智能化、機(jī)動(dòng)性、可靠和安全性、以及與人類(lèi)環(huán)境的完美的融入性。追求的主要目標(biāo)是“融入人類(lèi)的生活，和人類(lèi)一起協(xié)同工作。從事一些人類(lèi)無(wú)法從事的工作，以更大的靈活性給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更多的價(jià)值v智能機(jī)器人的發(fā)展v微型機(jī)器人發(fā)展v新型機(jī)器人關(guān)鍵器件技術(shù)的發(fā)展v機(jī)器人專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展50 研制自主式擬人機(jī)器人，同時(shí)并行開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究和樣機(jī)研制。包括三個(gè)分項(xiàng)目：q 擬人機(jī)器人步行理論研究及其樣機(jī)步行載體分系統(tǒng)開(kāi)發(fā) q擬人機(jī)器人的感知、能
19、源和通訊及操作技術(shù)研究及其樣機(jī)分系統(tǒng)開(kāi)發(fā) q擬人機(jī)器人的智能和控制理論研究及其樣機(jī)分系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 51研究?jī)?nèi)容：自主式擬人機(jī)器人基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究v擬人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分析和綜合v擬人機(jī)器人的動(dòng)靜態(tài)平衡和運(yùn)動(dòng)控制理論及其技術(shù)v擬人機(jī)器人仿生學(xué)v擬人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)和檢測(cè)等關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)理論v擬人機(jī)器人的材料技術(shù)v擬人機(jī)器人的制造加工技術(shù)52v擬人機(jī)器人的制造加工技術(shù)v擬人機(jī)器人感知和檢測(cè)及信息處理技術(shù)v擬人機(jī)器人動(dòng)力和通訊技術(shù)v擬人機(jī)器人人工智能和計(jì)算機(jī)控制理論v擬人機(jī)器人智能故障診斷技術(shù)v擬人機(jī)器人的數(shù)字化技術(shù)53自主式擬人機(jī)器人樣機(jī)研制 v擬人機(jī)器人功能和性能設(shè)計(jì) v擬人機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)v驅(qū)動(dòng)
20、、關(guān)節(jié)、下肢和機(jī)體骨架部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造v手部和頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造v擬人機(jī)器人動(dòng)靜平衡系統(tǒng)及其器件設(shè)計(jì)和制造v擬人機(jī)器人動(dòng)力和通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造v擬人機(jī)器人感知系統(tǒng)及其檢測(cè)原器件設(shè)計(jì)和制造v關(guān)節(jié)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)v擬人機(jī)器人計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)v擬人機(jī)器人樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)54性能設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)第一步的工作就是分析人類(lèi)兩足步行的行走機(jī)理，建立起行走的模型；相關(guān)課題包括：v與行走相關(guān)的腿部關(guān)節(jié)功能v腿部關(guān)節(jié)的定位v腿部關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍v腿的尺寸、重量、質(zhì)心v行走時(shí)，腿部關(guān)節(jié)所受到的力矩v與行走相關(guān)的傳感器v行走時(shí)地面對(duì)腿部關(guān)節(jié)的沖擊55人體的運(yùn)動(dòng)能力人體的運(yùn)動(dòng)能力 對(duì)于普通人而言，在
21、沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的訓(xùn)練的情況下，可以擁有下面的運(yùn)動(dòng)能力 v步行： 步長(zhǎng)：70-80厘米 步頻：100-120步/分 步速：4-6千米/小時(shí) v慢跑： 步長(zhǎng)：100-120厘米 步頻：150-200步/分 步速：9-15千米 56首先實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走，通過(guò)研究行走過(guò)程中身體各個(gè)部位的協(xié)調(diào)作用，加強(qiáng)機(jī)器人自身的平衡控制能力，進(jìn)一步達(dá)到動(dòng)態(tài)行走要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走。將一些視覺(jué)系統(tǒng)，電源等部件安裝到行走的載體上。結(jié)構(gòu)優(yōu)化、智能化和擬人化，特別是外形的友好性的改進(jìn)、重量的減輕、工作時(shí)間的延長(zhǎng)等 。57結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案腿部自由度分配v髖部和踝部各設(shè)置2個(gè)自由度，可以使得機(jī)器人在不平的地面上站立；髖部再增加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自
22、由度，可以改變行走的方向；踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可以使得腳板在不規(guī)則的的表面落地，六個(gè)自由度的腿可以實(shí)現(xiàn)上面的功能。但是，步行的突然不連續(xù)性和跨步會(huì)造成重大的障礙，所以在膝關(guān)節(jié)上加上一個(gè)自由度，可以方便的上下臺(tái)階。所以從功能上考慮一個(gè)比較完善的腿部自由度配置是每條腿上7個(gè)自由度。v本田的P2P3系列，都是在腿上設(shè)計(jì)了六個(gè)自由度，其中髖部3個(gè)，踝部2個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)58手臂自由度分配P2P3系列機(jī)器人。 肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)各3個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)一個(gè)自由度 本田的擬人機(jī)器人只是可以用手完成使用扳手，抓持物體，所以只是涉及兩個(gè)手部的自由度。然而，早稻田大學(xué)的WABOT2可以彈奏鋼琴，手部的自由度要豐富一些
23、。 59控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制相關(guān)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制相關(guān)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (1)關(guān)節(jié)分布 (2)傳感器 腿：6*2=12 DOF 攝象機(jī)：2 hip: 3 DOF(P、R、Y) 傾斜角傳感器：1 (光纖陀螺） knee:1 DOF(P) 軸力傳感器：4 （腳、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 機(jī)器人的傳感器主要分為內(nèi)傳感器（主要測(cè)量機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)和其它部件的位置、速度、加速度，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)），如位置、角度傳感器，速度
24、和角速度傳感器，加速度傳感器，姿態(tài)傳感器等；外感受器主要是用來(lái)感知外界的各種刺激，獲取外界環(huán)境狀況的傳感器，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等。以上只列出了外傳感器。61人工智能層控制中樞層控制信號(hào)輸出層62機(jī)器人控制系統(tǒng)分為三層：1.人工智能層： 進(jìn)行圖像信息處理，向下一層發(fā)出行為指令。2.控制中樞層： 接收上一級(jí)的行為指令，進(jìn)行控制及協(xié)調(diào)運(yùn) 算，向下一級(jí)發(fā)送控制命令。3.控制信號(hào)輸出層： 接收控制中樞層的指令，向伺服系統(tǒng)發(fā)送具 體驅(qū)動(dòng)信號(hào)。63控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1Radio modemworkstation腿運(yùn)動(dòng)控制(PMAC)手臂控制(PMAC)主板協(xié)調(diào)視覺(jué)處理頸及camera的控制其它關(guān)節(jié)控制(P
25、MAC)通訊或總線(xiàn)六軸力傳感器(踝)接觸開(kāi)關(guān)(腳底)接近傳感器(腳底)陀螺(俯仰、橫滾)六軸力傳感器(腕)64控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2工作站筆記本camera1camera2USB1USB2PC-104PC-104CAN卡CAN卡CAN接口伺服控制CPU驅(qū)動(dòng)CAN接口伺服控制CPU驅(qū)動(dòng)motormotorCAN總線(xiàn)CAN總線(xiàn)ethernet65嵌入式計(jì)算機(jī)PC104：長(zhǎng):90mm寬:96mm高:15mm66CAN (Controller Area Network)CAN (Controller Area Network) 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),有如下特點(diǎn)：v多主方式工作v網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí),可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求v非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù),v通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù),無(wú)需專(zhuān)門(mén)調(diào)度v通信速率最高可達(dá)Mbpsv目前可以達(dá)到110個(gè)CANv傳輸介質(zhì)可選用雙絞線(xiàn)，同軸電纜或光纖 6768 MIT跳躍機(jī)器人錄像跳躍拉車(chē)69ASIMO步行機(jī)器人錄像步行臺(tái)階斜坡轉(zhuǎn)彎70謝 謝 ！
從工業(yè)機(jī)器人到仿人機(jī)器人
