从工业机器人到仿人机器人

1 清华大学自动化系 石宗英 2一机器人简介 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31.1.机器人的发展概况机器人的发展概况“Robot”Robot”的出现的出现 v1921，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)v1942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问题。4v1950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”：1.1.机器人不可伤害人或眼看人将遇害而袖手机器人不可伤害人或眼看人将遇害而袖手旁观。旁观。2.2.机器人必须服从人的命令，但若命令的内机器人必须服从人的命令，但若命令的内容违反容违反1 1时，则不受此约束。时，则不受此约束。3.3.只要不违反上述两条，机器人必须自己保只要不违反上述两条，机器人必须自己保卫自己。卫自己。5机器人的起源机器人的起源 机器人起源于遥控操作器和数控机床 v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)。 v1949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。v1953年,MIT研制出数控铣床(伺服技术与数字技术的结合) 。6机器人的出现及发展机器人的出现及发展v1954,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 v1961, 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 v60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 l1967, 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 7v70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”l1974年，Cincinati Milacron 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 v80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。 l1982年，研制出第一台示教再现机器人 v90年代初,工业机器人的生产与需求进入高潮期。l1991年底世界上已有53万台工业机器人。v90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82. 2. （工业）机器人的定义（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，关于机器人的一些概念、定义，仍处于不断充实、演变之中。v美国机器人协会(RIA)的定义 机器人是“一种用于移动一种用于移动各种材料、零部件、工具或专用装置的各种材料、零部件、工具或专用装置的, ,通过程序化的动通过程序化的动作来执行各种任务作来执行各种任务. .并具有编程能力的多功能操作机并具有编程能力的多功能操作机” 。v国际标准化组织(ISO)的定义 “机器人是一种自动的、位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具有多个轴, ,能够借助可编程操作来处理各种材料、零部能够借助可编程操作来处理各种材料、零部件、工具和专用装置件、工具和专用装置, ,以执行各种任务以执行各种任务”。9v日本工业机器人协会的定义 “工业机器人是在三维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空间具有类似人体上肢动作机能及结构, ,并能完成并能完成复杂空间动作的、多自由度的自动机械复杂空间动作的、多自由度的自动机械” 。v中国机械工业部(1986)的定义 “工业机器人是一种工业机器人是一种能自动定位、可重复编程的多功能、多自由度的操能自动定位、可重复编程的多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或夹持工具作机。它能搬运材料、零件或夹持工具, ,用以完成用以完成各种作业各种作业” 。v智能机器人智能机器人,“,“能根据感觉机能和认知机能来自行能根据感觉机能和认知机能来自行决定行动的机器人决定行动的机器人”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： v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。 v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。 v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。 111213141516173. 机器人分类机器人分类表1.按运动机构分类名名 称称 特特 征征 说说 明明 直角坐标型机器人 机器人的手臂按直角坐标形式配置，即通过三个相互垂直轴线上的移动来改变手部的空间位置圆柱坐标型机器人 机器人的手臂按圆柱坐标形式配置，即通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变 球坐标型机器人 机器人的手臂接球坐标形式配置，其手臂的运动由一个直线运动和两个转动所组成。 关节型机器人 机器人的手臂按类似人的腰部及手臂形式配置，其运动由前后的俯仰及立柱的回转构成。移动机器人机座不固定的机器人，可分为轮式，履带式和足式18v刚体的自由度刚体的自由度：确定物体在坐标系中位姿的独立坐标运动数目v运动副运动副：两个构件组成相对运动的联接 v机器人的自由度数自由度数：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0XYZ1920表2.按技术发展进程分类名名 称称 特特 征征 说说 明明 第一代机器人（可编程及示教再现）按事先示教或编程的位置和姿态进行重复作业的机器人。（实用，主要用于搬运，喷漆，点焊等）第二代机器人（感知机器人）带有如视觉触觉等外部传感器，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。可完成较为复杂的作业，如装配，检查等第三代机器人（智能机器人）除具有外部感觉感知功能，还具有一定决策和规划的能力，从而可适应环境的变化而自主地工作。21表3.按控制方式分类名 称特 征 说 明顺序控制机器人按照预先假定的信息（顺序、条件、空位等）逐步进行各步骤动作的机器人示教再现机器人通过示教操作向机器人传授顺序、条件、位置和其它信息，然后机器人能按照所存贮的信息，反复再现示教动作。可控轨迹型机器人（数控机器人）以机器人语言为工具，采用离线方式完成机器人运动及操作的编程。使用者只需给定作业参数，机器人即能规划出全部控制程序。适应型机器人能根据传感器反馈信息调整其运动轨迹和操作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22表4.按运动方式分名 称特 征 说 明点位控制型（PTP） 机器人受控运动方式为自一点位目标移向另一点位目标，只在目标点上完成操作连续控制型（CP）机器人终端按预期轨迹和速度运动23表5.按驱动方式分名名 称称特特 征征 说说 明明气动机器人以压缩空气来驱动执行机构，动作迅速、结构简单、造价低，但工作速度的稳定性差等。液压传动机器人以液压方式驱动执行机构，其传动平稳、动作灵敏、出力大，但要求密封性较高。电动机器人采用电动方式驱动执行机构，常用的有步进电机驱动、直流电机驱动和交流驱动，其控制方法灵活、结构紧凑简单。24表6 .按负载能力及工作空间范围分名名 称称特特 征征 说说 明明超大型机器人 可搬重量为1t以上的工业机器人大型机器人可搬重量为100kg1t,动作范围为10 以上的工业机器人中型机器人可搬重量为10100kg，动作范围为110 的工业机器人小型机器人可搬重量为0.l10kg，动作范围为0.l10 的机器人超小型机器人 可搬重量小于0.1kg动作范围小于0.1 的机器人25表7.按完成功能分类名名 称称特特 征征 说说 明明操作机器人模仿人手和手臂的动作，完成搬运、焊接、喷漆、打磨、抛光、检验、装配等工艺操作，绝大多数目前的工业机器人属此类。移动机器人工业生产中轮式机器人和履带式机器人，可完成运输及上下料等任务，还有足式、蠕动等机器人。264.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概念及分类非制造环境下的机器人定义和特点非制造环境下的机器人定义和特点v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 v特点：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非制造环境下的机器人分类 表8.按应用领域分类名 称特 征 说 明服务机器人指能在人类生活、工业、农业生产中代替人的工作, 从事家庭服务和社会服务的机器人，要求它能更完美的在人生活的环境中与人共处军用机器人满足各种国防和军事用途的机器人，一般要求它具有遥控、多操作、移动、感知和较高的智能空间机器人用于空间作业的机器人，具有功率重量比大，能在失重状态下代替人完成任务水下机器人在水下作业的机器人，具有足够的抗压能力和密封性能，可实现有人或无人操作医疗机器人能完成各种医疗操作和康复治疗的机器人，具有高可靠性、无污染操作等特点28表9.按特征分类名 称特 征 说 明机器人化机器基于机器人技术，为满足现实生产对自动化机器的特殊需求，研制的新的机器系统，它具有机器人的特征，采用了各种机器人技术以实现机器的功能。微型机器人微机器人分为微型机器人和微操作机器人。微型机器人是指外形很小(不大于1cm3),便于进入微小空间进行可控操作的微型机械。微操作机器人的外形尺寸未必很小,但其操作尺寸很小,位移为微米、亚微米级高精度的机械。仿生机器人模仿各种生物的动作和功能的机器人拟人机器人在形状和动作，以及智能水平上与人类似的机器人，双足步行实现移动功能是它的主要特征飞行机器人无人飞行器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32Rocky7(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） 45Sony SDR-3X Honda ASIMO MIT M2 (2001) (2001) (2000)465. 机器人研究涉及的理论和技术机器人研究涉及的理论和技术涉及的学科领域涉及的学科领域v 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。v智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、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涉及的理论和技术涉及的理论和技术v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。48v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智能综合应用的产物49机器人的未来技术发展方向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v智能机器人的发展v微型机器人发展v新型机器人关键器件技术的发展v机器人专项技术的发展50 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：q 拟人机器人步行理论研究及其样机步行载体分系统开发 q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 q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v拟人机器人的机构分析和综合v拟人机器人的动静态平衡和运动控制理论及其技术v拟人机器人仿生学v拟人机器人驱动、关节和检测等关键件的设计理论v拟人机器人的材料技术v拟人机器人的制造加工技术52v拟人机器人的制造加工技术v拟人机器人感知和检测及信息处理技术v拟人机器人动力和通讯技术v拟人机器人人工智能和计算机控制理论v拟人机器人智能故障诊断技术v拟人机器人的数字化技术53自主式拟人机器人样机研制 v拟人机器人功能和性能设计 v拟人机器人总体结构方案设计v驱动、关节、下肢和机体骨架部件的结构设计和制造v手部和头部的结构设计和制造v拟人机器人动静平衡系统及其器件设计和制造v拟人机器人动力和通讯系统设计和制造v拟人机器人感知系统及其检测原器件设计和制造v关节伺服运动控制系统设计和开发v拟人机器人计算机智能系统设计和开发v拟人机器人样机技术的应用开发54性能设计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：v与行走相关的腿部关节功能v腿部关节的定位v腿部关节的活动范围v腿的尺寸、重量、质心v行走时，腿部关节所受到的力矩v与行走相关的传感器v行走时地面对腿部关节的冲击55人体的运动能力人体的运动能力 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 v步行： 步长：70-80厘米 步频：100-120步/分 步速：4-6千米/小时 v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结构方案结构方案腿部自由度分配v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；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。v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可以弹奏钢琴，手部的自由度要丰富一些。 59控制系统设计控制系统设计与控制相关的机构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。61人工智能层控制中枢层控制信号输出层62机器人控制系统分为三层：1.人工智能层： 进行图像信息处理，向下一层发出行为指令。2.控制中枢层： 接收上一级的行为指令，进行控制及协调运 算，向下一级发送控制命令。3.控制信号输出层： 接收控制中枢层的指令，向伺服系统发送具 体驱动信号。63控制系统结构示意图1Radio modemworkstation腿运动控制(PMAC)手臂控制(PMAC)主板协调视觉处理颈及camera的控制其它关节控制(PMAC)通讯或总线六轴力传感器(踝)接触开关(脚底)接近传感器(脚底)陀螺(俯仰、横滚)六轴力传感器(腕)64控制系统结构示意图2工作站笔记本camera1camera2USB1USB2PC-104PC-104CAN卡CAN卡CAN接口伺服控制CPU驱动CAN接口伺服控制CPU驱动motormotorCAN总线CAN总线ethernet65嵌入式计算机PC104：长:90mm宽:96mm高:15mm66CAN (Controller Area Network)CAN (Controller Area Network) 属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,有如下特点：v多主方式工作v网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求v非破坏性总线仲裁技术,v通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据,无需专门调度v通信速率最高可达Mbpsv目前可以达到110个CANv传输介质可选用双绞线，同轴电缆或光纤 6768 MIT跳跃机器人录像跳跃拉车69ASIMO步行机器人录像步行台阶斜坡转弯70谢 谢 ！