機器人控制理論與技術

（1）機器人控制理論與技術

（1）課程簡介

教學內容：機器人的基本結構組成、工作原理、控制及分析方法。

教學目標：使學生通過本課程的學習，了解當前國內外機器人控制的研究、應用狀況以及發展趨勢，初步具備機器人控制系統的設計能力，提高學生分析問題和解決問題的能力。教材：《自主移動機器人導論》，Siegwart著，李人厚譯，西安交通大學出版社，2006年9月課程簡介教學內容：機器人的基本結構組成、工作原理、控課程主要教學內容理論教學（24學時）移動機器人發展歷程與體系結構（1學時）移動機器人的感知技術（6學時）移動機器人的定位技術（5學時）移動機器人的路徑規劃（6學時）移動機器人的運動控制技術（6學時）實驗教學（8學時）機器人結構認識（1學時）機器人傳感器的使用（2學時）機器人運動控制（3學時）機器人避障實驗（2學時）課程主要教學內容理論教學（24學時）課程考核方法本課程采用課程論文作為主要考核方式；結合學生平時成績和實驗成績；平時成績占20%實驗成績占30%課程論文成績占50%課程考核方法本課程采用課程論文作為主要考核方式；

機器人技術作為20世紀人類最偉大的發明之一，自上世紀四十、五十年代問世以來，經歷了60年的發展已經取得了長足的進步！在人們的生產生活的很多領域發揮著越來越重要的作用。機器人技術作為20世紀人類最偉大的發明之一，自上世紀什么是Robot？什么是Robot？什么是Robot？amachinethatcandosometasksthatahumancandoandthatworksautomaticallyoriscontrolledbyacomputer。什么是Robot？amachinethatcando機器人的發展歷史—《列子·湯問篇》時間：（約公元前1054年—公元前949年）西周人物：周穆王，偃師，伶人機器人的發展歷史—《列子·湯問篇》時間：（約公元前1054年“Robot”一詞最早出現在哪位作者的著作中？NorbertWienerIsaacAsimovKarelCapekGeogeDevol“Robot”一詞最早出現在哪位作者的著作中？Norbert“Robot”一詞最早出現在哪位作家的小說中？A.Norbert.WienerB.IsaacAsimovC.KarelCapekD.GeogeDevol“Robot”一詞最早出現在哪位作家的小說中？A.Norb“Robot”的來源Theword`Robot'comesfromthe1920play`R.U.R.'(Rossum'sUniversalRobots)bytheCzechwriterKarelCapek.`Robot'comesfromtheCzechword`robota',meaning`forcedlabor.'Theword`robotic'alsocomesfromsciencefiction-itfirstappearedintheshortstory`Runaround'(1942)byIsaacAsimov.ThisstorywaslaterincludedinAsimov'sfamousbook`I,Robot.'“Robot”的來源Theword`Robot'comKarelCapekandhis“Rossum'sUniversalRobots”KarelCapekandhis“Rossum's機器人的發展歷史第一代機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，能記憶重復動作，然而因未采用外部傳感器，所以沒有適應外界環境變化的能力。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。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。機器人的發展歷史第一代機器人是一種進行重復操作的機械，即通常第一代工業機器人的代表1961年，通用汽車公司生產線UnimateandJosephEngelberger

第一代工業機器人的代表1961年，通用汽車公司生產線機器人的發展歷史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，所以沒有適應外界環境變化的能力。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。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。機器人的發展歷史第一代機器人是一種進行重復操作的機械、主要是HELPMATEHelpmate具備多種傳感器，可以利用天花板上的路標做引導，實現避障等功能。HELPMATEHelpmate具備多種傳感器，可以利用天花機器人的發展歷史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，所以沒有適應外界環境變化的能力。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。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。機器人的發展歷史第一代機器人是一種進行重復操作的機械、主要是自主移動機器人Spirit&Opportunity自主移動機器人Spirit&Opportunity機器人控制理論與技術ppt課件機器人控制理論與技術ppt課件輪式移動機器人—Nomad大小：2.4*2.4*2.4(m)重量：725Kg速度：0.5m/sGPS定位輪式移動機器人—Nomad大小：2.4*2.4*2.4(m)履帶式移動機器人—PackBot510自重：19公斤負重：20公斤行進速度：2.5m/s連續運行時間：10h其它特性：防水履帶式移動機器人—PackBot510自重：19公斤四腿機器人——BigDogBostonDynamicsName:BigDog自重：234lbs負重：340lbs速度：6.4km/h爬坡角：35度特點：可適應絕大多數惡劣地形，如雪地、山區、沙地等。四腿機器人——BigDogBostonDynamics雙足機器人—ASIMO生產商：HONDA自重：54Kg身高：130cm持重：單手：0.3Kg雙手：1.0Kg速度：通常步行時0~2.7km/h持重行走時1.6km/h直線行走時6.0km/h旋回行走時5.0km/h雙足機器人—ASIMO生產商：HONDA自主移動機器人學中的三個關鍵問題：我在哪里？（WhereamI?）我要去哪里？（WhereamIgoing?）我如何去那里？（HowdoIgetthere?）自主移動機器人學中的三個關鍵問題：我在哪里？為了解決上述三個問題，機器人需要：具備一定的環境模型；具備對環境感知和分析的能力；確定它在環境中的位置；規劃和執行運動的能力；為了解決上述三個問題，機器人需要：具備一定的環境模型；

為了實現上述功能，我們需要從以下四個環節研究機器人：為了實現上述功能，我們需要從以下四個環節研究機器自主移動機器人的兩種體系結構（一）分層式體系結構：

也稱為基于知識的體系結構，該結構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方式。自主移動機器人的兩種體系結構（一）分層式體系結構：

也稱為典型的分層式體系結構—NASREM結構典型的分層式體系結構—NASREM結構移動機器人的兩種體系結構（二）包容式體系結構

也稱為基于行為的體系結構，是一種完全的反應式體系結構，是基于感知與行為之間映射關系的并行結構。移動機器人的兩種體系結構（二）包容式體系結構

基于行為的機器人代表（1）1949~1951GreyWalter制作的Elsie基于行為的機器人代表（1）1949~1951基于行為的機器人代表（2）1989年，MIT的RodenyBrooks教授制作了世界上第一個基于行為的機器人-Genghis.12個電機12個力傳感器6個熱電傳感器基于行為的機器人代表（2）1989年，MIT的Rodeny移動機器人的兩種體系結構（三）包容式體系結構不確定模型基于行為的并聯實現由下至上分層式體系結構完全建模基于功能的串聯實現由上至下移動機器人的兩種體系結構（三）包容式體系結構分層式體系結構混雜式控制結構——更可行的方法混雜式控制結構——更可行的方法混雜式控制結構混雜式控制結構問題：什么是感知？感知等于不等于感覺？問題：什么是感知？感知的概念感知的概念自主移動機器人的傳感器

由于機器人的應用范圍越來越廣，所以要求它對變化的環境要具有更強的適應能力，能進行更精確的定位和控制，并具有更高的智能。傳感器是機器人獲取信息的必備工具。自主移動機器人的傳感器示例1—Helpmate示例1—Helpmate示例2—B21示例2—B21問題：超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅外傳感器？問題：超聲傳感器的安裝位置為何往往要高于紅外傳感器？示例3—RobartII示例3—RobartII示例4—NuclearSurveillanceRobot示例4—NuclearSurveillanceRobot問題：自主移動機器人常用的傳感器有哪些？問題：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：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器2.超聲傳感器3.紅外傳感器4.激光測距儀5.麥克風6.視覺傳感器7.電子羅盤8.GPS自主移動機器人常用的傳感器有：1.電機編碼器自主移動機器人常用的