1、機器人控制理論與技術(shù)機器人控制理論與技術(shù)（1）課程簡介課程簡介 教學內(nèi)容教學內(nèi)容：機器人的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理、控制及分：機器人的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理、控制及分析方法。析方法。 教學目標教學目標：使學生通過本課程的學習，了解當前國內(nèi)外機：使學生通過本課程的學習，了解當前國內(nèi)外機器人控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢，初步具備機器器人控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢，初步具備機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，提高學生分析問題和解決問題的人控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，提高學生分析問題和解決問題的能力。能力。 教材：教材：自主移動機器人導論自主移動機器人導論，Siegwart著，李人厚譯，著，李人厚譯，西安交通大

2、學出版社，西安交通大學出版社，2006年年9月月 課程主要教學內(nèi)容課程主要教學內(nèi)容n理論教學（理論教學（24學時）學時）移動機器人發(fā)展歷程與體系結(jié)構(gòu)（移動機器人發(fā)展歷程與體系結(jié)構(gòu)（1學時）學時）移動機器人的感知技術(shù)（移動機器人的感知技術(shù)（6學時）學時）移動機器人的定位技術(shù)（移動機器人的定位技術(shù)（5學時）學時）移動機器人的路徑規(guī)劃（移動機器人的路徑規(guī)劃（6學時）學時）移動機器人的運動控制技術(shù)（移動機器人的運動控制技術(shù)（6學時）學時）n實驗教學（實驗教學（8學時）學時）機器人結(jié)構(gòu)認識（機器人結(jié)構(gòu)認識（1學時）學時）機器人傳感器的使用（機器人傳感器的使用（2學時）學時）機器人運動控制（機器人運動控制

3、（3學時）學時）機器人避障實驗（機器人避障實驗（2學時）學時）課程考核方法課程考核方法n本課程采用課程論文作為主要考核方式；本課程采用課程論文作為主要考核方式；n結(jié)合學生平時成績和實驗成績；結(jié)合學生平時成績和實驗成績；平時成績占平時成績占20%實驗成績占實驗成績占30%課程論文成績占課程論文成績占50% 機器人技術(shù)作為機器人技術(shù)作為2020世紀人類最偉大的發(fā)明世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自上世紀四十、五十年代問世以來，之一，自上世紀四十、五十年代問世以來，經(jīng)歷了經(jīng)歷了6060年的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步！年的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步！在人們的生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越在人們的生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)

4、域發(fā)揮著越來越重要的作用。重要的作用。什么是什么是Robot？什么是什么是Robot？na machine that can do some tasks that a human can do and that works automatically or is controlled by a computer。機器人的發(fā)展歷史機器人的發(fā)展歷史列子列子湯問篇湯問篇n時間：時間：（約公元前約公元前10541054年年公元前公元前949949年）年）西周西周n人物：周穆王，偃師，伶人人物：周穆王，偃師，伶人“Robot”一詞最早出現(xiàn)在哪位作者的著一詞最早出現(xiàn)在哪位作者的著作中？作中？Norbert

5、 WienerIsaac AsimovKarel CapekGeoge Devol“Robot”一詞最早出現(xiàn)在哪位作家的小說中？一詞最早出現(xiàn)在哪位作家的小說中？nA. Norbert. WienernB. Isaac AsimovnC. Karel CapeknD. Geoge Devol“Robot”的來源的來源nThe word Robot comes from the 1920 play R.U.R. (Rossums Universal Robots) by the Czech writer Karel Capek. Robot comes from the Czech word ro

6、bota, meaning forced labor.nThe word robotic also comes from science fiction - it first appeared in the short story Runaround (1942) by Isaac Asimov. This story was later included in Asimovs famous book I, Robot.Karel Capek and his “Rossums Universal Robots”機器人的發(fā)展歷史機器人的發(fā)展歷史n第一代機器人是一種進行重復操作的機械，即通第一代機

7、器人是一種進行重復操作的機械，即通常所說的機械手，它雖配有電子存儲裝置，能記常所說的機械手，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復動作，然而因憶重復動作，然而因未采用外部傳感器未采用外部傳感器，所以沒，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺-反饋控制的能力，能進行識別、選取判斷。使機器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機器人的重要特征。n第三代機器人為高一級的智能機器人，“智能化”是這代機器人的重要標志。第一代工業(yè)機器人的代表第一代工業(yè)機器人的代表1961年，通用汽車公司生產(chǎn)線年，通用汽車公司生產(chǎn)線Unimate

8、 and Joseph Engelberger 機器人的發(fā)展歷史機器人的發(fā)展歷史n第一代機器人是一種進行重復操作的機械、主要是通常所說的機械手，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復動作，然而因未采用外部傳感器，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機器人由于采用了傳感器，已初步具有感第二代機器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺覺-反饋控制的能力，能進行識別、選取判斷。使反饋控制的能力，能進行識別、選取判斷。使機器人具有了初步的智能。因而機器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與傳感器的采用與否已成為衡量第二代機器人的重要特征否已成為衡量第二代機器人的重要特征。n第三代機器人為高一級的智能機器人，

9、“智能化”是這代機器人的重要標志。HELPMATEnHelpmate具備多種傳感器，可以利用天花板上的具備多種傳感器，可以利用天花板上的路標做引導，實現(xiàn)避障等功能。路標做引導，實現(xiàn)避障等功能。機器人的發(fā)展歷史機器人的發(fā)展歷史n第一代機器人是一種進行重復操作的機械、主要是通常所說的機械手，它雖配有電子存儲裝置，能記憶重復動作，然而因未采用外部傳感器，所以沒有適應(yīng)外界環(huán)境變化的能力。n第二代機器人由于采用了傳感器，已初步具有感覺-反饋控制的能力，能進行識別、選取判斷。使機器人具有了初步的智能。因而傳感器的采用與否已成為衡量第二代機器人的重要特征。n第三代機器人為高一級的智能機器人，第三代機器人為高

10、一級的智能機器人，“智能化智能化”是這代機器人的是這代機器人的重要標志重要標志。自主移動機器人自主移動機器人Spirit & Opportunity輪式移動機器人輪式移動機器人Nomadn大?。捍笮。?.4*2.4*2.4(m)n重量：重量：725Kgn速度：速度：0.5m/snGPS定位定位履帶式移動機器人履帶式移動機器人PackBot 510n自重：自重：19公斤公斤n負重：負重：20公斤公斤n行進速度：行進速度：2.5m/sn連續(xù)運行時間：連續(xù)運行時間：10hn其它特性：防水其它特性：防水四腿機器人四腿機器人BigDognBoston DynamicsnName:BigDogn自

11、重：自重：234lbsn負重：負重：340lbsn速度：速度：6.4km/hn爬坡角：爬坡角：35度度n特點：可適應(yīng)絕大多特點：可適應(yīng)絕大多數(shù)惡劣地形，如雪地、數(shù)惡劣地形，如雪地、山區(qū)、沙地等。山區(qū)、沙地等。雙足機器人雙足機器人ASIMOn生產(chǎn)商：生產(chǎn)商：HONDAn自重：自重：54Kgn身高：身高：130cmn持重：持重：單手：單手：0.3Kg雙手：雙手：1.0Kgn速度：速度：通常步行時通常步行時02.7km/h持重行走時持重行走時1.6km/h直線行走時直線行走時6.0km/h旋回行走時旋回行走時5.0km/h自主移動機器人學中的三個關(guān)鍵問題：自主移動機器人學中的三個關(guān)鍵問題：n我在哪里

12、？我在哪里？（Where am I?）n我要去哪里？我要去哪里？（Where am I going?）n我如何去那里？我如何去那里？（How do I get there?）為了解決上述三個問題，機器人需要：為了解決上述三個問題，機器人需要：n具備一定的環(huán)境模型；具備一定的環(huán)境模型；n具備對環(huán)境感知和分析的能力；具備對環(huán)境感知和分析的能力；n確定它在環(huán)境中的位置；確定它在環(huán)境中的位置；n規(guī)劃和執(zhí)行運動的能力；規(guī)劃和執(zhí)行運動的能力； 為了實現(xiàn)上述功能，我們需要從以下四個環(huán)節(jié)為了實現(xiàn)上述功能，我們需要從以下四個環(huán)節(jié)研究機器人：研究機器人：自主移動機器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（一）自主移動機器人的兩種體系結(jié)

13、構(gòu)（一）分層式體系結(jié)構(gòu)：分層式體系結(jié)構(gòu)：也稱為基于知識的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)把各模塊分為也稱為基于知識的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)把各模塊分為不同的層次，使不同層次上的模塊具備不同的功能和操作不同的層次，使不同層次上的模塊具備不同的功能和操作方式。方式。典型的分層式體系結(jié)構(gòu)典型的分層式體系結(jié)構(gòu)NASREM結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)全局數(shù)據(jù)庫地圖狀態(tài)變量評價函數(shù)程序文件對象清單G6H6M6人機接口G5H5M5G4H4M4G3H3M3G2H2M2G1H1M1外界環(huán)境運動控制任務(wù)分解規(guī)劃執(zhí)行總目標環(huán)境建模模型評價傳感器信號處理、檢驗和積分總?cè)蝿?wù)成組任務(wù)單體任務(wù)基本運動動力學運算坐標變換移動機器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（二）移動機器人的兩種

14、體系結(jié)構(gòu)（二）包容式體系結(jié)構(gòu)包容式體系結(jié)構(gòu) 也稱為基于行為的體系結(jié)構(gòu)，是一種完全的反應(yīng)式也稱為基于行為的體系結(jié)構(gòu)，是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。基于行為的機器人代表（基于行為的機器人代表（1）19491951Grey Walter制作的制作的 Elsie基于行為的機器人代表（基于行為的機器人代表（2）n1989年，年，MIT的的Rodeny Brooks教授制作了世界教授制作了世界上第一個基于行為的機上第一個基于行為的機器人器人-Genghis.n12個電機個電機n12個力傳感器個力傳感器n6個熱電傳感器個

15、熱電傳感器移動機器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（三）移動機器人的兩種體系結(jié)構(gòu)（三）n包容式體系結(jié)構(gòu)包容式體系結(jié)構(gòu)不確定模型不確定模型基于行為的基于行為的并聯(lián)實現(xiàn)并聯(lián)實現(xiàn)由下至上由下至上n分層式體系結(jié)構(gòu)分層式體系結(jié)構(gòu)完全建模完全建?；诠δ艿幕诠δ艿拇?lián)實現(xiàn)串聯(lián)實現(xiàn)由上至下由上至下混雜式控制結(jié)構(gòu)混雜式控制結(jié)構(gòu)更可行的方法更可行的方法混雜式控制結(jié)構(gòu)混雜式控制結(jié)構(gòu)問題：問題：n什么是感知？什么是感知？n感知等于不等于感覺？感知等于不等于感覺？感知的概念感知的概念自主移動機器人的傳感器自主移動機器人的傳感器 由于機器人的應(yīng)用范圍越來越廣，所由于機器人的應(yīng)用范圍越來越廣，所以要求它對變化的環(huán)境要具有更強的適應(yīng)以要

16、求它對變化的環(huán)境要具有更強的適應(yīng)能力，能進行更精確的定位和控制，并具能力，能進行更精確的定位和控制，并具有更高的智能。傳感器是有更高的智能。傳感器是機器人獲取信息機器人獲取信息的必備工具。的必備工具。示例示例1Helpmate示例示例2B21問題：問題：n超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅外傳感器？外傳感器？示例示例3Robart II示例示例4Nuclear Surveillance Robot問題：問題：n自主移動機器人常用的傳感器有哪些？自主移動機器人常用的傳感器有哪些？自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機

17、編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感

18、器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外傳感器紅外傳感器n4.激光測距儀激光測距儀n5.麥克風麥克風n6.視覺傳感器視覺傳感器n7.電子羅盤電子羅盤n8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：自主移動機器人常用的傳感器有：n1.電機編碼器電機編碼器n2.超聲傳感器超聲傳感器n3.紅外