智能机器人应用与发展

2013.12.2013.12.“勇气号勇气号”火星探测空间机器人火星探测空间机器人“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构机体：机体：机器人的机体被称为热电子盒WEB（Warm Electronics Box）。机体是一层坚硬的外壁，它能起到保护机器人的计算机、电子系统和电池（这些都是机器人的心脏和大脑）的作用。因此，机体保护了机器人的主要器官并实现了温度控制。热电子盒WEB控制系统：控制系统：机器人的计算机安装在机体内一个称为机器人电子模块（REM）的里面。主计算机与机器人的设备和传感器通过总线来交换数据。机器人的轮子：机器人的轮子：机器人有6个轮子，每个轮子有自己独立的电动机。它的2个前轮和2个后轮还有独立的转向发动机。科学仪器：科学仪器：科学仪器主要包括：磁体排列微型热辐射分光计Mini-TES(Miniature Thermal Emission Spectrometer)、穆斯堡尔谱分光计、射线粒子X射线分光仪（APXS）、磨石工具（RAT）等。“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构机器人的摄像机：机器人的摄像机：“勇气号”机器人有9个摄像机。包括：避障摄像机（4个）、导航摄像机（2个）、科学探测全景摄像机（2个）、显微镜摄像机（1个）、测定标定对象（它以日晷的形式安装在机器人的平台上）。“勇气号”机器人上的摄像机布局“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构机器人的机器人的“颈和头颈和头”：在“勇气号”机器人上看上去像颈和头的装置被称为全景摄像机桅杆头（Pancam Mast Assembly）。它有两个作用：作为装在机器人内部的微型热辐射分光计潜望镜、全景摄像机和导航摄像机提供一个适合的高度和视界。机器人上的“颈”和“头”“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构机器人的手臂：机器人的手臂：机器人的手臂也叫工具执行装置（IDD）。该手臂具有三个关节：肩、肘和腕。该手臂能够使工具操作延伸、弯曲和转动一定精确的夹角，并能剔除岩石表层，拍摄微小图像，并分析岩石和土壤的组成成分。装在机器人手上的4个工具是：微型摄像机、Mossbauer谱分光计、射线粒子X射线分光仪和岩石研磨工具。机器人的手臂“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构机器人的温度控制：机器人的温度控制：火星探测空间机器人最重要的器件绝对不能超过-40 40C这个范围。通常保温的方法有以下几种：利用黄金涂料防止热量扩散、防止热量扩散的绝热材料是“气溶胶”、通过加热器来保持温度、自动调温器和热转换器、散热管等。火星探测空间机器人的工作过程主要包括以下步骤：火星探测空间机器人的工作过程主要包括以下步骤：开始通信准备、旋转太空船、开始传输音频信号巡游舱脱离、“勇气号”进入火星大气层展开减速伞、隔热屏脱离、登陆器脱离雷达系统开始工作、降落成像器对火星表面拍照开始向火星环绕检测卫星进行数据传输、气囊的膨胀减速火箭推进器、绳索剪断和第一冲击发生登陆器翻滚直到最终完全停止、通信尝试开始关键的布置开始、开始向火星长期卫星传输信号休眠“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构主要内容1.什么是机器人什么是机器人2.机器人的发展历史机器人的发展历史3.机器人的分类机器人的分类4.机器人的组成和涉及的技术机器人的组成和涉及的技术5.智能机器人智能机器人6.未来展望未来展望7.机器人竞赛机器人竞赛什么是机器人（robot）机器人问世已有几十年，但对这一问题一直没有统一的意见。原因之一是机器人学科还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。正是由于机器人定义的模糊，人们才会有充分的想象和创造空间。什么是机器人（robot）日本：l森政弘与合田周平：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器l加藤一郎：具有如下3个条件的机器 具有脑、手、脚等三要素的个体；具有非接触传感器（如，用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉的传感器。什么是机器人（robot）美国：l美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（Manipulator）。l美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。什么是机器人（robot）中国：l机器人是一种自动化的机器l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 动作能力 协同能力什么是机器人（robot）国际标准化组织对工业机器人的定义（1987年）l工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。机器人的功能节省劳动力l搬运机器人、清扫机器人进行极限作业l喷漆机器人、空间机器人、海底机器人、救援机器人用于医疗、福利l外科手术机器人、智能轮椅与人协调作业机器宠物，如日本的机器狗，机器猫。机器人的发展历史1920年，捷克作家卡雷尔卡佩克在科幻剧本罗萨姆的万能机器人中定义了“robota”1954年，George Deval开发出第一台可编程机器人1962年，Unimation公司成立，出现了最早了工业机器人，第一位用户是GM（美国通用机械公司）1964年，MIT，Stanford University 等成立人工智能研究所1965年，Carnegie Mellon University 建立机器人研究所机器人的发展历史1967年，第一台Unimation公司的喷涂用机器人出口到日本1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所(SRI)诞生机器人的发展历史1972，IBM公司开发出内部使用的制造机器人，并发展成为IBM7565商用机器人机器人的发展历史1978年，第一台PUMA机器人由Unimation装运到GM公司机器人的发展历史80年代开始，各种机器人公司陆续成立，并不断出现兼并和调整1983年，美国开始将机器人学列入教学计划。1994年，CMU利用Dante机器人探测Alaska spurr火山采集火山气体样本机器人的发展历史1995年，Intuitive Surgical 公司推出外科手术机器人。机器人的发展历史1997年，NASA的探险者登陆火星，并由旅行者（Sojourner）将所拍摄的照片发回地球机器人的发展历史1997年，Honda推出人形机器人P31999年，Sony推出机器狗Aibo机器人的发展历史2000年，Honda推出第二代人形机器人Asimo,Sony推出人形机器人Qiro。ASIMO会拉提琴,曾经登台指挥交响乐团。QRIO身高54cm，重5kg，可以跳舞打拳。机器人的发展历史2001年，加拿大MD机器人公司建造的“空间站远程操纵系统”发射进入太空轨道机器人的发展历史2004年，美国的“机遇号”登上火星。机器人的发展历史机器人发展趋势用于制造生产线用于制造生产线结构化环境下结构化环境下规则工作规则工作具有简单智能的具有简单智能的工业机器人工业机器人工程、社会服务、人类生活工程、社会服务、人类生活等各个领域等各个领域适应非结构环境下的适应非结构环境下的各种灵活需求各种灵活需求具有综合和集成能力的具有综合和集成能力的智能机器人智能机器人功能工作环境智能程度机器人发展趋势美国卡内基梅隆大学的科学家预测：l未来的机器人将使目前信息科技革命的贡献相形见绌，机器人市场将超越信息产业，成为全球最大的工业。日本：l拥有世界上58的机器人l大力发展机器人教育和机器人产业机器人的分类按所替代的人体器官分类按智能水平分类按机器人的应用分类分类1按所替代的人体器官分类操作机器人-手移动机器人-腿视觉机器人-眼听觉机器人-耳操作机器人机械臂相当于手臂机械手相当于手指移动机器人轮式：独轮、两轮、三轮、四轮、六轮等腿式：两足、多足履带式机器蛇如图所示为中国科学院研制的机器蛇。如图所示为中国科学院研制的机器蛇。仿生机器鱼北京航空航天大学机器人北京航空航天大学机器人研究所研制的仿生机器鱼研究所研制的仿生机器鱼SPC-II ROV和和SPC-III机机器鱼。器鱼。微型机器蝇微型机器蝇如图如图所示所示为美国加州大学伯克利分校制造的机器蝇，并实为美国加州大学伯克利分校制造的机器蝇，并实现拍打翅膀的有限距离飞行。现拍打翅膀的有限距离飞行。基于基于SMASMA导向的肠道微型机器人导向的肠道微型机器人中国科技大学研制的基于中国科技大学研制的基于SMASMA导导向的用于人体肠道检查和腹腔向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机手术的医用蠕动式管道微型机器人。携带的内窥镜检测微型器人。携带的内窥镜检测微型机器人在可控的机器人在可控的SMASMA元件的作用元件的作用下可以实现自主导向。下可以实现自主导向。SMASMA既可作为驱动元件又可作为传感器。既可作为驱动元件又可作为传感器。SMASMA元件和软芯被做成元件和软芯被做成多竹节结构，通过对其通电控制，微型机器人头部的内窥镜整多竹节结构，通过对其通电控制，微型机器人头部的内窥镜整体能在空间三维方向弯曲成所需要的形状，因此微型机器人容体能在空间三维方向弯曲成所需要的形状，因此微型机器人容易穿越大肠不规则的各种管道，大大降低患者的痛苦。如图所易穿越大肠不规则的各种管道，大大降低患者的痛苦。如图所示为该微型机器人主动引导机构。示为该微型机器人主动引导机构。视觉机器人产品检测人脸检测人脸识别物体识别分类2按智能水平分类分分 类类 名名 称称简简 要要 解解 释释人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可编程伺服控制。感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。如拣蛋机器人。智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。如火星探测车。第一代第一代第二代第二代第三代第三代分类3按机器人的应用分类工业机器人特种机器人l服务机器人l娱乐机器人l军用机器人l水下机器人l农业机器人l机器人的组成机械臂或移动车（运动平台）末端执行器驱动器传感器控制器软件驱动器电动机l伺服电机l步进电机l直流电机液压驱动器气动驱动器形状记忆金属驱动器磁致伸缩驱动器传感器位置传感器速度/加速度传感器力/力矩传感器触觉传感器接近觉传感器测距仪嗅觉传感器视觉系统语音识别和语音合成编码器所涉及的研究领域机器人主要技术机器人技术包括：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。人工智能规划和配置l机器人动作规划、路径规划机器感知l计算机视觉 l语义识别l信息融合机器学习和知识发现（深蓝机器人）分布式人工智能l分布式问题求解l多智能体行为协调新型智能机器人护士助手智能轮椅家用及办公机器人水下机器人空间机器人军用机器人类人机器人护士助手它可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品，运送试验样品及试验结果，在医院内部送邮件及包裹。智能轮椅奈良先端科学技术大学院大学的电动轮椅“WATSON”。摄像头安装在轮椅前面，可以捕捉坐在椅子上的人的表情。一点头轮椅就开始活动，向左右看的话轮椅就向看的方向转弯，摇头就停下来，这样不用手足仅靠头部的运动与视线就能控制轮椅。中国科学院自动化研究所研制的一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。美国公司开发一种iBot自动平衡轮椅家用伙伴型机器人家用清洁机器人 办公/商务服务机器人清洗机器人清洗机器人清洗机器人水下机器人水下机器人军用机器人微型飞行机器人类人机器人 类人机器人在跌倒后还可以站起来 类人机器人未来展望未来展望 1 1）2121世纪的技术热点和特征世纪的技术热点和特征v机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争之知识经济制高点和研究热点v未来技术发展特点：许多国家都已将机器人技术列入高技术发展计划。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点:一个是在横向上,机器人的应用领域在不断扩大,机器人的种类日趋增多;另一个是在纵向上,机器人的性能不断提高,并逐步向智能化方向发展。v技术纵向上的发展特征：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”。652 2）机器人技术发展方向）机器人技术发展方向v智能机器人的发展（1）具有感知功能的机器人和具有自主功能的智能机器人技术将迅速发展，计算机的小型化与智能化、传感器系统的集成化与智能化将促使智能机器人的发展。（2）在21世纪,各种智能机器人将得到广泛应用。具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人将被研制成功,并得到应用。v微型机器人发展（1）将登上历史舞台微型机器人的发展还面临着许多技术上的难题,但是MEMS技术、LIGA技术和微细加工技术的进步将使各种微型机器人走向应用。（2）微型机器人将会首先在医疗、军事、环境、空间等科技领域得到应用。v新型机器人关键器件技术的发展目前,机器人技术的发展尚存在许多待解决的瓶颈问题，如驱动器、能源和控制器。从仿生学角度看,21世纪将出现与人体执行、感知和大脑类似的新的机器人器件和系统。v 专项技术的发展（1）到21世纪,机器人的种类将大量增加，机器人种类的多样性和机器人应用的广泛性,要求机器人系统逐渐走向标准化、模块化、开放化和网络化。（2）网络机器人技术，通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。（3）虚拟机器人技术，许多特种机器人在使用时,遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实(或临场感)的虚拟遥控操作和人机交互,将成为需要共同发展的一项技术。v 专项技术的发展 （4）多智能体协调控制技术，用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术,这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。(5)软机器人技术许多特种机器人,特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时,经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人,由于在设计时未考虑与人共存,用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器,在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“软”的,增强人对机器人的安全感和亲近感。在未来的100年中,科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的“伙伴”,更加广泛地参与人类各方面的生产活动和社会生活。1 1）机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业）机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业v它将从目前已广泛地用的汽车、机械制造、电子工业及塑料制品等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中,如在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面。v机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来,从而有更多的时间去学习、研究和创造。应用前景应用前景2 2）机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地）机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具下未知世界的有力工具v将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵，机器人将代替人从事空间作业和太空探索。目前，航天飞机已经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业，火星探测车已被送到火星表面上,并成功地完成了预定的探测任务。v水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题，水下和地下机器人将解决这个问题，被用于海底和地底的探索与开发、海洋和地下资源的利用、水下作业与救生等。水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题713 3）机器人将在未来战争中发挥重要作用）机器人将在未来战争中发挥重要作用v军用机器人可以是一个武器系统,如机器人坦克、自主式地面车辆、扫雷机器人等,也可以是武器装备上的一个系统或装置,如军用飞机的“副驾驶员”系统、舰船作战管理系统、武器装备的自动故障诊断与排除系统、坦克炮装弹机器人系统等。v将来可能出现机器人化部队或兵团。在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。4 4）机器人将用于提高人类健康水平与生活质量）机器人将用于提高人类健康水平与生活质量v改善生活条件,提高生活水准始终是人类面临的一个重要课题。在21世纪,服务机器人将进入家庭和服务产业。v家庭服务机器人可以从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、家庭护理与服务等作业。v在医院,机器人可以从事手术、化验、运输、康复及病人护理等作业。v在商业和旅游业中导购机器人、导游机器人和表演机器人都将得到发展。智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加。各种机器人体育运动比赛和文艺表演将层出不穷。机器人不再是只用于生产作业的工具,大量的服务机器人、表演机器人、科教机器人、机器人玩具和机器人宠物将进入人类社会,使人类生活更加丰富多彩。机器人竞赛主要的机器人竞赛足球机器人比赛机器人竞赛的意义为相关理论和技术提供一个实践平台和检验标准，有效促进相关领域的发展。培养多学科交叉的综合性人才、机器人工业发展的后备人才培养学生的创新能力、理论与实践相结合能力、动手能力和协作精神主要的机器人竞赛机器人足球赛机器人相扑赛空中机器人比赛灭火机器人比赛创新性机器人大赛机器人足球比赛1992年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授Alan Mackworth在论文On Seeing Robots中提出设想由硬件或仿真机器人进行的足球赛，比赛规则与人类正规的足球比赛规则类似最终目标：到2050年，一支全自主的类人型机器人足球队，战胜人类的足球世界杯冠军队足球机器人系统基本框架机器人子系统(智能体)动作执行体环境感知子系统了解环境信息和位置信息策略子系统多机器人协作、单机器人的技术动作和运动规划通讯子系统信息交换国际机器人足球比赛RoboCupFIRA有用的网址有用的网址作业：针对某一种机器人，介绍一下它的主要功能，性能指标和工作原理。谢谢！谢谢！