机器人控制理论与技术-

机器人控制理论与技术（1）课程简介教学内容：机器人的基本结构组成、工作原理、控制及分析方法。教学目标：使学生通过本课程的学习，了解当前国内外机器人控制的研究、应用状况以及发展趋势，初步具备机器人控制系统的设计能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。教材：《自主移动机器人导论》，Siegwart著，李人厚译，西安交通大学出版社，2006年9月课程主要教学内容理论教学（24学时）移动机器人发展历程与体系结构（1学时）移动机器人的感知技术（6学时）移动机器人的定位技术（5学时）移动机器人的路径规划（6学时）移动机器人的运动控制技术（6学时）实验教学（8学时）机器人结构认识（1学时）机器人传感器的使用（2学时）机器人运动控制（3学时）机器人避障实验（2学时）课程考核方法本课程采用课程论文作为主要考核方式；结合学生平时成绩和实验成绩；平时成绩占20%实验成绩占30%课程论文成绩占50%机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自上世纪四十、五十年代问世以来，经历了60年的发展已经取得了长足的进步！在人们的生产生活的很多领域发挥着越来越重要的作用。什么是Robot？什么是Robot？amachinethatcandosometasksthatahumancandoandthatworksautomaticallyoriscontrolledbyacomputer。机器人的发展历史—《列子·汤问篇》时间：（约公元前1054年—公元前949年）西周人物：周穆王，偃师，伶人“Robot”一词最早出现在哪位作者的著作中？NorbertWienerIsaacAsimovKarelCapekGeogeDevol“Robot”一词最早出现在哪位作家的小说中？A.Norbert.WienerB.IsaacAsimovC.KarelCapekD.GeogeDevol“Robot”的来源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.'KarelCapekandhis“Rossum'sUniversalRobots”机器人的发展历史第一代机器人是一种进行重复操作的机械，即通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。第一代工业机器人的代表1961年，通用汽车公司生产线UnimateandJosephEngelberger机器人的发展历史第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。HELPMATEHelpmate具备多种传感器，可以利用天花板上的路标做引导，实现避障等功能。机器人的发展历史第一代机器人是一种进行重复操作的机械、主要是通常所说的机械手，它虽配有电子存储装置，能记忆重复动作，然而因未采用外部传感器，所以没有适应外界环境变化的能力。第二代机器人由于采用了传感器，已初步具有感觉-反馈控制的能力，能进行识别、选取判断。使机器人具有了初步的智能。因而传感器的采用与否已成为衡量第二代机器人的重要特征。第三代机器人为高一级的智能机器人，“智能化”是这代机器人的重要标志。自主移动机器人Spirit&Opportunity轮式移动机器人—Nomad大小：2.4*2.4*2.4(m)重量：725Kg速度：0.5m/sGPS定位履带式移动机器人—PackBot510自重：19公斤负重：20公斤行进速度：2.5m/s连续运行时间：10h其它特性：防水四腿机器人——BigDogBostonDynamicsName:BigDog自重：234lbs负重：340lbs速度：6.4km/h爬坡角：35度特点：可适应绝大多数恶劣地形，如雪地、山区、沙地等。双足机器人—ASIMO生产商：HONDA自重：54Kg身高：130cm持重：单手：0.3Kg双手：1.0Kg速度：通常步行时0~2.7km/h持重行走时1.6km/h直线行走时6.0km/h旋回行走时5.0km/h自主移动机器人学中的三个关键问题：我在哪里？（WhereamI?）我要去哪里？（WhereamIgoing?）我如何去那里？（HowdoIgetthere?）为了解决上述三个问题，机器人需要：具备一定的环境模型；具备对环境感知和分析的能力；确定它在环境中的位置；规划和执行运动的能力；为了实现上述功能，我们需要从以下四个环节研究机器人：定位感知运动现实世界规划环境模型全局地图路径或轨迹知识库外部命令自主移动机器人的两种体系结构（一）分层式体系结构：也称为基于知识的体系结构，该结构把各模块分为不同的层次，使不同层次上的模块具备不同的功能和操作方式。组织层协调层执行层传感器执行器典型的分层式体系结构—NASREM结构全局数据库地图状态变量评价函数程序文件对象清单G6H6M6人机接口G5H5M5G4H4M4G3H3M3G2H2M2G1H1M1外界环境运动控制任务分解规划执行总目标环境建模模型评价传感器信号处理、检验和积分总任务成组任务单体任务基本运动动力学运算坐标变换移动机器人的两种体系结构（二）包容式体系结构也称为基于行为的体系结构，是一种完全的反应式体系结构，是基于感知与行为之间映射关系的并行结构。规划搜索漫游避碰执行器+++传感器基于行为的机器人代表（1）1949~1951GreyWalter制作的Elsie基于行为的机器人代表（2）1989年，MIT的RodenyBrooks教授制作了世界上第一个基于行为的机器人-Genghis.12个电机12个力传感器6个热电传感器移动机器人的两种体系结构（三）包容式体系结构不确定模型基于行为的并联实现由下至上分层式体系结构完全建模基于功能的串联实现由上至下混杂式控制结构——更可行的方法混杂式控制结构感知运动现实世界环境模型全局地图路径或轨迹知识库外部命令规划定位问题：什么是感知？感知等于不等于感觉？传感器信息提取原始数据感知的概念定位感知运动现实世界规划环境模型全局地图路径或轨迹知识库外部命令自主移动机器人的传感器由于机器人的应用范围越来越广，所以要求它对变化的环境要具有更强的适应能力，能进行更精确的定位和控制，并具有更高的智能。传感器是机器人获取信息的必备工具。示例1—Helpmate示例2—B21问题：超声传感器的安装位置为何往往要高于红外传感器？示例3—RobartII示例4—NuclearSurveillanceRobot问题：自主移动机器人常用的传感器有哪些？自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS自主移动机器人常用的传感器有：1.电机编码器2.超声传感器3.红外传感器4.激光测距仪5.麦克风6.视觉传感器7.电子罗盘8.GPS总结机器人的定义机器人的三个发展阶段几种典型的机器人两种机器人控制体系结构机器人感知几种机器人常用传感器