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人工智能与机器人,2,1.7 机器人技术指标指标体系与评价内容,1.3 机器人分类,1.1 机器人发展史,1.2 机器人的定义,1.6 机器人相关主要技术与学科,1.5 机器人的优缺点,1.4 机器人化机器,1.8. 机器人技术展望,3,机器人的模样一定要像人吗？,有些人认为，最高级的机器人要做的和人一模一样，其实非也。 实际上，机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。 然而，机器人的样子不一定必须像人，只要能自主完成人类所赋予他的任务与命令，就属于机器人大家族的成员。,4,1.1 机器人发展史,1.1.1 古代机器人,公元前1066-前771，《列子·汤问篇》记载，我国西周时代，木偶工匠偃师，向周武穆王献上“木制伶人”，能歌善舞，栩栩如生。,春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，公元前400至350年，《墨子·鲁问篇》记载“公输子（鲁班）削竹木以为鹊,他曾制造过一只木鸟,成而飞之,三日不下”。,公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了自动机----以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，可以自己开门、借助蒸汽唱歌。,5,公元25-220年，东汉时期，发明了“记里鼓车”，它靠传动齿轮和凸轮杠杆等机械驱动，车行一里，车上木人受凸轮的牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓，无需人手工测量计程。,6,指南车，它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向，不论车子转向何方，木人的手始终指向南方。,7,后汉三国时期，《三国志·诸葛亮传》载：“九年，亮复出祁山，以木牛运”，“十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运”。 木牛流马“口内舌头扭转，即不能动弹；再扭回来，复奔跑如飞。” “搬运粮米，甚是便利。牛马皆不水食，可以昼夜搬运不绝也”。,8,1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。,进入自动机械时期,第一次工业革命,1.1.2 近代机器人,9,1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。,10,1773年,在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯。他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的. 现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。,11,1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。 进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世， 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。,12,1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。,1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远，但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。,13,1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I，Robot》中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。,机器人三定律Three Laws of Robotics,A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm. 机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。,A robot must obey orders given it by human beings except where such orders would conflict with the First Law. 在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类给与的任何命令。,A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law. 在不违反第一定律和第二定律的前提下，机器人必须尽力保护自己。,14,1954年 美国人（George C. Devol）乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并在1956年获得美国专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性。 1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。,1.1.3 现代机器人,现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。,自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。,15,1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。,1962年，美国万能自动化（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司（GM）投入使用 标志着第一代机器人的诞生。,1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。,随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——美国万能自动化（Unimation）公司。由于英格伯格长期对工业机器人的研发和宣传，被称为“工业机器人之父”。,16,1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。,17,传感器的应用,1961年 恩斯特采用的触觉传感器,1962年 托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,1963年 麦卡锡则开始在机器人中加入视觉传感系统,1965年 MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积 木的机器人系统,1965年 约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。能 通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置,“有感觉”的机器人,18,20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。 开始向人工智能进发,1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，成为第一个运用逻辑思维自行定位物体，并在物体周围移动的智能机器人。不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人。,19,1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。,1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。 1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。 1973年，Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人。,20,1973年 美国辛辛那提.米拉克龙（Cincinnati Milacron）公司推出了第一台计算机控制的工业机器人---T3，可以力举超过100磅重的物体，并且可追踪在装配线上工件，被誉为“未来工具” 。 第一次机器人和小型计算机结合,1978年 美国万能自动化Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，标志着工业机器人技术已经成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。,21,1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。,1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖给了瑞士的Staubli公司。 1990年，Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并。,22,随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。 80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。,23,24,1997年7月4日，携带火星探路者的飞船着陆火星。探路者名叫“索杰纳”，是一个小型机器人６轮探测车，重10公斤，造价２５００万美元。它具有人工智能，使用太阳能动力。它的行驶速度最快为每分钟２英尺。它专找岩石爬，目的是搜集有关岩石成分的数据。,1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。,25,1998年世界著名玩具厂商丹麦乐高(LEGO)公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界，同时掀起了机器人教育的热潮。,26,1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，创造过20分钟内卖掉3000只的纪录，被抢购一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。,AIBO---人工智能机器人（artificial intelligence robot）的缩写,27,2002年5月2日,纽约证交所，本田制造的名叫阿西（Asimo）四英尺高的白色机器人摇响开市铃声，庆祝本田在美国上市25周年，摇响了机器智能时代的开始。,Advanced …… 新纪元 Step in …… 进入 Innovative …… 创新 Mobility …… 移动工具,28,SONY公司的QRIO,Qrio的四个型号拥有各自不同的性格： Ken的性格为对宇宙及科学等感兴趣的知识探求型，知识渊博且有独到的见解，特长为猜谜及健谈，具有与人自然交流的谈话能力； Audrey属于喜欢小孩子的稳重和蔼型，特长为朗读连环画，具有使人开心的对话技术； Charlie属于喜欢电影及音乐的逗人开心型，擅长舞蹈与运动，能够进行全身协调地运动控制，可以随音乐起舞； Marco对时装及艺术感兴趣，活泼但“不够稳重”，特长为唱歌，可以根据声音合成展示丰富的音乐内容。,Qrio最吸引人的不是功能上的进步，而是它完全模拟人类独有的“性格”。,29,2002年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它拥有的数学运算法自动设计行进路线，可以能避开障碍，察觉陡坡以免摔下楼梯，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。,30,伊拉克战争中，美国马萨诸塞州伯灵顿的iRobot公司制造的PackbotEOD炸弹处理型机器人在伊拉克战场上大显身手，帮助士兵排除炸弹。,“徘徊者”无人战车,31,日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。,80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。,32,90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。,随着机器人技术的发展形成了新学科 — 机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A 等。 国际杂志：《 Robtics Research 》、 《 Robotica 》、 《 Robotics and Automation 》 等。,33,1.1.4 机器人在中国,70年代末，中国科学的春天到来，对机器人的研究也开始起步。,1981－1985：中国第六个五年计划阶段 在各大学和研究所建立了许多的机器人研究室,许多大学和研究所开始购买国外的机器人产品,研究开发机器人技术正式纳入第七个五年计划 .,1986－1990：中国第七个五年计划阶段 政府开始在国家计划中支持机器人技术的研究与开发 各大学和研究所开始研究各种机器人相关技术开发了一些工业机器人原型.,34,我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。,国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。,35,2019/7/18,35,沈阳自动化所——机器人示范工程,以高校和科研院所为主，863大发展,863高技术863计划简介发展计划简介,中国机器人之父——蒋新松院士,863计划总共包括7个领域。 智能机器人是自动化领域的两个分支之一。,863计划支持的研究开发项目： 基础研究，关键技术，原型开发，工程应用，期刊──机器人技术与应用,36,蒋新松，中国科学院沈阳自动化所研究员，学术委员会主任，中国工程院院士，自动控制、机器人学专家。中国机器人事业的主奠基人。长期为我国工业自动化、机器人产业化呕心沥血。创建了我国第一个机器人工程研究开发中心。领导研制了水下机器人系列产品，工业机器人、特种机器人。担任国家“863”计划自动化领域首席科学家期间，在领导CIMS方面获得国际奖励。为我国自动控制和机器人研制事来业作出了重要贡献。,37,他是我国机器人事业的开拓者，在多种机器人的研究、开发、工程应用及产业化方面作出了开创性的贡献；创建国家机器人技术研究开发工程中心和中科院机器人学开放实验室，为我国机器人学研究及机器人技术工程化建立了基地；参加“863”计划的制订，1978年获全国科学大会成果奖，中国科学院重大成果奖；我国第一台计算机控制的示教再现机器人SXJ-1号，1981年获中国科学院科技进步二等奖；海人一号水下机器人样机，1987年获中国科学院科技进步二等奖；中型水下机器人RECON-IV（300米水深、有缆），1991年获中国科学院科技进步一等奖，1992年获国家科技进步二等奖。 由于他对事业孜孜以求，疏于自己健康，于1997年3月突发心脏病，经抢救无效在沈阳逝世（66岁）。,38,2019/7/18,38,,选择生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术和新材料7个领域15个主题作为我国高技术研究与开发的重点。智能机器人是自动化领域的两个分支之一。,1996年7月，国家科技领导小组批准将海洋高技术作为863计划的第八个领域。这时，863计划共有八个领域、20个主题。,863计划,王大珩 中国科学院院士，中国工程院院士，我国应用光学及光学工程的主要奠基人之一。,王淦昌 中国科学院院士、著名高能物理学家。,杨嘉墀(chi) 中国科学院院士，著名空间自动控制专家。,陈芳允 863倡议人之一，中国科学院院士，著名电子学家。,由于科学家的建议和邓小平同志的对建议的批示都是在1986年3月作出的，这个宏伟计划被命名为“863”计划。以高校和科研院所为主。,39,智能机器人主题的内容和目标： 智能机器人体系结构；智能机器人机构；机器人智能控制；人工智能技术在机器人中的应用；机器人视觉及非视觉传感器；人机智能交互技术；机器人需要的其他技术。 　　研制能感知环境、自主决策和灵活动作的智能机器人；完成高精度装配机器人；水下无缆作业机器人；恶劣环境下作业机器人；跟踪国际机器人技术的前沿。,40,我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。《中国自动化学会》《中国自动化学会机器人竞赛工作委员会》《中国自动化学会智能自动化专业委员会》等。 学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。 学术刊物：《 机器人 》、《机器人技术与应用 》等。 机器人竞赛：“中国机器人大赛暨RoboCup公开赛”、“CCTV全国大学生机器人电视大赛暨亚太地区机器人大赛国内选拔赛” 等。,41,中国机器人大赛暨RoboCup公开赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主办，该会于2001年6月21日成立。它的成立标志着我国机器人竞赛事业进入了一个新的阶段。       宗旨是通过组织机器人比赛和技术研讨，让更多的群众尤其是青少年朋友了解机器人，喜爱机器人，向他们普及现代科学知识，为我国的机器人事业培养更多的优秀人才。同时通过机器人比赛和技术研讨，也为推动和促进机器人与自动化技术的发展与创新，为我国的快速持续发展贡献力量。,中国机器人大赛暨RoboCup公开赛,42,CCTV全国大学生机器人电视大赛,中国中央电视台为了选拔能够代表中国参赛的代表队，自2002年开始举办中央电视台机器人电视大赛，并且由每年的国内赛冠军代表中国参加亚广联亚太地区机器人大赛的比赛，“亚广联亚太地区机器人大赛”是由亚广联节目部发起倡导的，并于1999年在亚广联年会上正式通过了该项目的提案。,43,1.2.1 机器人名词的产生,封建神学,文艺复兴,生理学和医学,上帝造人说,→,法国 笛卡尔,人是机器,英国哲学家霍布斯,人不过是一架正立行走的机器：心脏是汲筒，四肢是杠杆，关节是齿轮，神经是游丝…,人,机器,→,,,？,1.2 相关定义与术语,44,1.2.2 Robot,机器人——,英文robot ——来自捷克语robota 而中文翻译成 罗伯特，机器奴仆，机器助手， 也许更好 不强调它要有人态，不会产生错觉,45,捷克语robota “劳役、苦工”,波兰语robotnik “工人”,,,捷克斯洛伐克语Robot 用来称呼剧中的机器人,英语 robot 德语 robot 日语 ロボット 俄语 робот 中国 机器人 ……………,46,1.2.3 机器人的定义,机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，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。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。,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）。 　 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。,47,1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“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。,日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。,英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。,中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，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、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,48,国际标准化组织（ISO）的定义,“ 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，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”。,49,尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点： 是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。,机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。,50,共同属性,有类人的功能,根据人的编程能自动的工作,人造的机器或机械电子装置,,如果并不刻意追求严格定义， 那可以认为机器人是一种 具有拟人功能的、 可编程的、自动化的 机械电子装置。,51,（1）深海载人潜水器,目标任务 7000米（全球98％海域）中国（500 2005年下水工程应用 目的意义 抢占国际海地资源 海洋资源开发 国家未来可持续发展,52,图：5000米载人深潜首试成功，“蛟龙”首破4000米深度,“蛟龙”号载人潜水器5000米级海试共进行了5次下潜，下潜深度分别为：4027、5057、5188、5184和5180米。期间获得了大量的视像资料和近底微地形地貌测量数据，检验了潜水器在大深度环境下的各项功能指标与作业性能。,53,（2）微机电系统MEMS,目标任务 围绕产业化支撑关键技术，开展设计方法与工具、制造工艺、封装与检测、集成技术等研究，微器件与系统应用推广。 目的意义 在医疗卫生、生物基因、环保监测、IT与家电、军事武器等方面有广泛应用前景。,54,（3）数控关键技术与装备,目标任务 推动中档车床和铣床/加工中心装备产业化发展，面向国防应用的高精尖装备竞争前核心技术。 目的意义 提高制造业基础装备核心竞争力打破国外封锁掌握发展主动权。,55,（4）大型工程机械,目标任务 盾构6.3米全断面盾构机装备与实际3km施工应用智能化机群工程机械的工程示范应用。 目的意义 增强自主设计与制造能力，带动若干典型行业成套关键装备发展，抵制长期依赖进口促进国家城市、道路等方面基础实施建设发展。,56,盾构掘进机,57,（5）仿人形机器人,目标任务 综合高技术演示平台无电缆，动态行走，速度1.5km小时多仿人形机器人协调运动。 目的意义 带动相关机构、传感、控制与交互等智能技术发展，推动多交叉学科技术革新与发展，在社会与家庭服务、危险环境、军事应用、科技奥运等方面具有广泛应用前景。,58,1.3 机器人分类,目前，世界上已经有了上万种机器人。这些形状各异、功能不同、种类众多的机器人，根据分类方法的不同，可以分成不同的类别，而且有着不同的认识。,关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按发展时代分，有的按替代人的器官类型分，有的按运动方式分，有的按其驱动方式分，有的按应用领域分……,59,,1.3.1 一般的分类方式,60,1.3.2 按替代人的器官类型分,操作机器人（手—— manipulator） 移动机器人（腿—— locomotive robot） 视觉机器人（眼—— visual robot） ………..,1.3.3 按与环境相关程度分,固定臂机器人 Fixed Arm Robot 可移动机器人 Mobile Robot,61,1.3.4 按其构成机构分,直角坐标机器人 Cartesian coordinate 圆柱坐标机器人 Cylindrical coordinate 极坐标机器人 Polar coordinate 多关节型机器人 Articulated robot 并联关节机器人 Parallel linked robot 串并联关节机器人 Hybrid linked robot,1.3.5 按其驱动方式分,液压机器人 Hydraulic robot 气动机器人 Pneumatic robot 电动机器人 Electrical robot,62,1.3.6 按运动方式分,点位控制型机器人 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 机器人终端按预期轨迹和速度运动,1.3.7 按搬持重量及动作范围分,超大型机器人 可搬重量为1t以上的机器人 大型机器人 可搬重量为100kg--1t,动作范围为10m3以上的机器人 中型机器人 可搬重量为10--100kg,动作范围为1-10m3的机器人 小型机器人 可搬重量为0.1--10kg,动作范围为0.1--1m3的机器人 超小型机器人 可搬重量为 小于0.1kg,动作范围为小于0.1m3的机器人,63,1.3.8 按机器人用途分,农业机器人：采摘、嫁接,排险救灾：排雷、除匪、爆炸物处理,医用机器人：微型机器人——肠内窥镜、血管疏通、 脑外科手术、微驱动系统——DNA,娱乐机器人：迎宾小姐、智能宠物、AIBO、电影,军用机器人：无人飞机U-2、海湾战争中“先锋号”无人机， 科索沃战争中“捕食者”无人战机,极限作业机器人：核反应堆 、空间机器人,水下机器人：水下6000米无缆自治机器人,工业机器人：搬运、制造、装配、焊接、喷漆、铸造、 码垛、井下、…,64,1.3.9 还可以按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分,2、按用途划分,1）工业机器人,65,66,即：特种机器人,竞赛机器人,67,3、按智能水平划分,68,用于机械制造业中的操作机和机械手。它能代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车、摩托车、船舶制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。,工业机器人 Industrial Manipulator,69,机器人化机器是指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能。,1.4 机器人化机器,例如无人驾驶振动压路机、喷浆机器人、凿岩机器人、盾构机器人等等。,这一概念最早是由蒋新松院士提出来的。当然，也可把机器人化机器称之为智能机器或智能机械。,将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。,70,山东科技大学机器人研究中心（现在团队在我校控制学院）从1994年开始着手“喷浆机器人”的研制。2000年初，第一台大型喷浆机器人已完成，5月23日运抵济南高速公路的隧道施工现场开始使用，机器人运转正常。目前，第二台大型喷浆机器人已用于西安－合肥的铁路隧道施工。,喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法。但是人工进行喷浆时，回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使喷枪无法保持与受喷面垂直，也无法使喷枪口与受喷面保持最佳距离。从而导致混凝土的回弹率高（30－50％），浪费材料，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量。另外对大断面隧道，人工喷浆需要搭脚手架，影响施工进度，且费工费料。国内外都认为采用机器人喷浆是一条出路。,71,自带各种必要的传感器、控制器,在运行过程中无外界人为信息输入和控制的条件下,可以独立完成一定的任务,自主机器人 Autonomous robot,智能机器人 Intelligent robot,72,复杂的作业由单一机器人已难以完成，需要多个机器人协调与合作共同完成。如何组织由多个机器人构成的群体，以及在这样的群体中如何实现机器人的协调合作问题已成为当前的机器人研究领域的一个新课题 。,多机器人系统 Multi-robot system,多智能体系统 Multi-Agent System (MAS),73,1.5 机器人的优缺点,1.5.1、优点 能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题； 具有比人更高的精确度、速度，可以同时相应多个激励； 可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要； 无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等； 其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力。,1.5.2 缺点 替代了工人，由此带来经济和社会问题； 缺乏应急能力； 灵活性、自适应能力还欠缺； 设备费用开销较大。,74,1.6 主要技术与相关科学,1.6.1 主要技术,操作技术（手） 移动技术（减少死区） 传感技术 控制与决策技术 通讯及信息处理技术 机身相关技术（能源、材料……）,1.6.2 机器人相关学科,数学，物理学，理论力学，材料力学，流体力学（液压、气动），机械学，自动控制，电子与通讯，仿生学，人工生命等，还有计算机，单片机，C语言、 C++、汇编语言等等。其中自动控制技术和人工智能技术这两种技术是机器人科学技术的基础。,75,1.6.3 机器人学科的知识构成,坐标系统与坐标变换 运动学与动力学 机械工程与机电一体化 控制工程 机器视觉与图像工程 语言与声音识别 自学习与自组织 系统仿真 人工智能（专家系统，模糊推理，神经网络等） 人体工程学 多智能体系统等,76,1.7 机器人技术指标与性能评价,1.7.1 指标体系与评价内容,l       自由度（DOF） “这个机器人有几个自由度？”——绝对内行问题 l         工作空间与动作领域 l         定位精度 实现精度——实际值与理论值的差值 重复精度——重复定位的偏离情况 l         负载能力 （30kg臂仅能提10kg物体） l         最大运动速度 空程高速 提高效率 l         自由度活动范围 拉伸距离 转动角度 l         存储器容量 l         机器人自身重量 l         智能水平,77,1.7.2 机器人对控制系统的基本要求,多轴协调 位置高精度、无超调 大调速范围（空程高速） 调速范围＝工作时最大速度/工作时最小速度 动态响应快 系统刚性好 各轴速度误差系数相近 有加减速控制（减少冲击）,78,1.8. 机器人技术展望,伴随信息技术的飞速发展，机器人日新月异 机器人的进化绝对不会像人类进化那么漫长 第一、第二、第三代、…… 还不到半个世纪，机器人让人刮目相看,人类如果是按等差级数进化， 那机器人将是按等比级数进化。,因为，全人类的技术开发几乎 都是在为机器人进化服务。,未来会是什么样？,79,进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几个方面发展。 一、操作臂技术 1．  高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法； 2．  柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），轻质材料； 3．  冗余自由度臂； 4．  高精度、多自由度力控制：精密组装； 5．  微型操作臂。,80,二、移动技术 1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构； 2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。,三、感知技术 1、视觉：图像识别与处理； 2、手眼协调； 3、接触觉小型化； 4、多信息融合。,四、自主控制技术 1、分布式计算机控制技术； 2、人工智能技术。,81,1.8.1 当代机器人的最伟大成就,1. 在现代化生产系统中的主力军作用 2. 在火星探测中的勇气号与机遇号机器人 3. 类人形机器人的研究突飞猛进 4. 机器人在医疗领域的应用前景广阔 5. 机器人部队将走向战场 6. 到2010年，平均每个家庭将有3个机器人 家政服务，娱乐，子女教育，安全……,82,1.8.2 关于机器人前景的展望,用蓝领机器替代蓝领工人 白领阶层也成为机器人替代的对象 人类天才败阵的例子屡见不鲜 人与机器（人）的关系已经成为社会学家关注的重点 21世纪人如何与机器人和谐共处？,83,人类,机器人,,,,,制 约,服 务,人类与机器的关系是服务与制约是辩证的和变化的,服 务,制 约,84,1.8.3 机器人技术发展方向 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。,85,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。 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,86,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。,87,（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。,88,1.8.4 应用前景 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）机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业 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。 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。,89,2 ）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 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。 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,