beike机器人系统概论.pptx

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1、任 课 教 师 石 志 国 副 教 授 教师简介石志国，男，副教授，物联网与电子工程系副主任。教育背景2008年 毕 业 于 中 国 科 学 院 软 件 研 究 所 ， 并 获 得 工 学 博 士 学 位分 别 于 2000年 和 2003年 在 北 京 科 技 大 学 信 息 工 程 学 院 获 得 学 士 和 硕 士 学 位 。2006年 1月 到 2月 在 比 利 时 鲁 汶 工 学 院 做 访 问 学 者 。2013年 4月 到 2014年 4月 在 加 拿 大 Ryerson大 学 做 访 问 学 者代表性编著1. 石 志 国 等 . 信 息 安 全 概 论 . 清 华 大 学 出

2、版 社 . 2007,1 2. 石 志 国 , 薛 为 民 , 尹 浩 . 计 算 机 网 络 安 全 教 程 (修 订 本 ). 清 华 大 学 出 版 社 . 2007,1 (第 一 版 于 2006年 荣 获 第 七 届 全 国 高 校 出 版 社 优 秀 畅 销 书 二 等 奖 )3. 石 志 国 , 李 向 前 , 薛 为 民 . C+程 序 设 计 教 程 . 清 华 大 学 出 版 社 . 2005,8 (荣 获 2006年 度 全 行 业 优 秀 畅 销 品 种 (科 技 类 )代表性获奖 1. 2014 年 霍 英 东 青 年 教 师 奖 二 等 奖 2. 2011年 北 京

3、 市 高 等 学 校 青 年 教 师 教 学 基 本 功 比 赛 一 等 奖 ， 最 受 学 生 欢 迎奖 ， 最 佳 演 示 奖 3. 2013年 北 京 科 技 大 学 本 科 教 学 优 秀 奖 一 等 奖 4. 2010年 北 京 科 技 大 学 青 年 教 师 课 堂 教 学 针 对 性 培 养 二 等 奖 Email: 办 公 室 ： 机 电 信 息 楼 701 电 话 ： 62334751 / 13910661167 机 器 人 的 定 义 、 特 性 和 功 能 机 器 人 的 应 用 以 及 发 展 现 状 机 器 人 的 历 史 源 远 流 长 ， 早 在 我 国 的 西

4、周 时 期 ， 一 名 叫 作 偃师 的 能 工 巧 匠 就 造 就 了 一 个 能 歌 善 舞 的 偶 人 ， 这 是 有 据 可 查的 第 一 个 “ 机 器 人 ” 。 在 1800年 前 的 汉 朝 ， 张 衡 造 出 了 举 世 闻 名 的 地 动 仪 和 计 里鼓 车 。 在 三 国 时 期 的 诸 葛 亮 发 明 了 木 牛 流 马 ， 用 来 运 送 粮 草 。 在 国 外 ， 公 元 前 2世 纪 亚 历 山 大 时 期 ， 古 希 腊 人 造 就 出 了“ 自 动 机 ” 以 空 气 、 水 、 蒸 汽 压 力 为 动 力 的 会 动 的 雕 像 。 这 些 都 可 以 看

5、 作 是 广 义 上 的 机 器 人 。 1886年 法 国 作 家 利 尔 亚 在 他 的 小 说 未 来 的 夏 娃 中 将 外 表 像 人 的 机 器 起 名 为 “ 安 德 罗 丁 ” 。 1920年 捷 克 作 家 卡 雷 尔 卡 佩 克 发 表 了 科 幻 剧 本 罗 萨 姆德 万 能 机 器 人 。 剧 本 中 ， 卡 佩 克 把 捷 克 语“ Robota” 写 成 了 “ Robot” ， 该 剧 预 告 了 机 器 人的 发 展 对 人 类 社 会 的 悲 剧 性 影 响 ， 引 起 了 大 家 的 广泛 关 注 ， 被 当 成 了 机 器 人 一 词 的 起 源 。 在

6、1967年 日 本 召 开 了 第 一 届 机 器 人 学 术 会 议 上 ， 人 们 提 出了 两 个 有 代 表 性 的 定 义 。 一 个 是 森 政 弘 与 合 田 周 平 提 出 的 ：“ 机 器 人 是 一 种 具 有 移 动 性 、 个 体 性 、 智 能 性 、 通 用 性 、 半机 器 半 人 性 、 自 动 性 、 奴 隶 性 等 7个 特 征 的 柔 性 机 器 ” 。 从 这 一 定 义 出 发 ， 森 政 弘 又 提 出 了 自 动 性 、 智 能 性 、 个 体 性 、半 机 器 半 人 行 、 作 业 性 、 通 用 性 、 信 息 性 、 柔 性 、 有 限 性

7、 、移 动 性 等 10个 特 性 来 表 示 机 器 人 的 形 象 ； 另 一 个 是 加 藤 一郎 提 出 的 具 有 如 下 3个 条 件 的 机 器 称 为 机 器 人 ： （ 1） 具 有 脑 、 手 、 脚 等 三 要 素 的 个 体 ； （ 2） 具 有 非 接 触 传 感 器 （ 用 眼 、 耳 接 受 远 方 信 息 ） 和 接 触传 感 器 ； （ 3） 具 有 平 衡 觉 和 固 有 觉 得 传 感 器 。 1987年 国 际 标 准 化 组 织 对 工 业 机 器 人 进 行 了 定 义 ：“ 工 业 机 器 人 是 一 种 具 有 自 动 控 制 的 操 作 和 移

8、 动 功能 ， 能 完 成 各 种 作 业 的 可 编 程 操 作 机 。 ” 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 ， 所 不 同 的 是 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 。 ” 在 研 究 和 开 发 未 知 以 及 不 确 定 环 境 下 作业 的 机 器 人 的 过 程 中 ， 人 们 逐 步 认 识 到 机 器 人 技 术的

9、本 质 是 感 知 、 决 策 、 行 动 和 交 互 技 术 的 结 合 。 机 器 人 从 第 一 台 遥 控 的 操 作 机 到 现 在 智 能 型 机 器 人 ，机 器 人 技 术 的 发 展 成 为 人 类 科 学 技 术 发 展 的 一 格 缩影 。 从 简 单 的 机 电 控 制 到 复 杂 的 智 能 控 制 ， 从 简 单 的 开关 量 到 复 杂 的 、 连 续 的 、 随 机 的 量 ， 从 平 面 空 间 到立 体 空 间 ， 从 简 单 的 运 算 到 复 杂 的 、 大 量 的 数 据 处理 ， 从 简 单 的 机 械 结 构 到 复 杂 的 人 工 肌 肉 ， 都

10、 是 机器 人 这 个 特 殊 的 装 置 所 需 要 的 。 第 一 代 的 机 器 人 是 一 种 “ 遥 控 操 作 器 ” 。 第 一 代 是示 教 再 现 型 机 器 人 ： 尤 尼 梅 特 和 沃 尔 萨 特 兰 这两 种 最 早 的 工 业 机 器 人 是 示 教 再 现 型 机 器 人 的 典 型代 表 。 它 由 人 操 纵 机 械 手 做 一 遍 应 当 完 成 的 动 作 或 通 过 控制 器 发 出 指 令 让 机 械 手 臂 动 作 ， 在 动 作 过 程 中 机 器人 会 自 动 将 这 一 过 程 存 入 记 忆 装 置 。 当 机 器 人 工 作时 ， 能 再

11、现 人 教 给 它 的 动 作 ， 并 能 自 动 重 复 的 执 行 。这 类 机 器 人 不 具 有 外 界 信 息 的 反 馈 能 力 ， 很 难 适 应变 化 的 环 境 。 英 格 伯 格 和 德 沃 尔 制 造 的 工 业 机 器 人 是 第 一 代 机 器人 ， 属 于 示 教 再 现 型 ， 即 人 手 把 着 机 械 手 ， 把 应 当完 成 的 任 务 做 一 遍 ， 或 者 人 用 “ 示 教 控 制 盒 ” 发 出指 令 ， 让 机 器 人 的 机 械 手 臂 运 动 ， 一 步 步 完 成 它 应当 完 成 的 各 个 动 作 。 第 二 代 机 器 人 是 一 种

12、按 人 事 先 编 好 的 程 序 对 机 器 人进 行 控 制 ， 使 其 自 动 重 复 完 成 某 种 操 作 的 方 式 。 第二 代 是 有 感 觉 的 机 器 人 ： 它 们 对 外 界 环 境 有 一 定 感知 能 力 ， 并 具 有 听 觉 、 视 觉 、 触 觉 等 功 能 。 机 器 人 工 作 时 ， 根 据 感 觉 器 官 （ 传 感 器 ） 获 得 的 信息 ， 灵 活 调 整 自 己 的 工 作 状 态 ， 保 证 在 适 应 环 境 的情 况 下 完 成 工 作 。 如 ： 有 触 觉 的 机 械 手 可 轻 松 自 如地 抓 取 鸡 蛋 ， 具 有 嗅 觉 的

13、机 器 人 能 分 辨 出 不 同 饮 料和 酒 类 。 第 三 代 机 器 人 是 智 能 机 器 人 ， 它 是 利 用 通 过 各 种 传 感 器 、 测 量 器等 来 获 取 环 境 的 信 息 ， 然 后 利 用 智 能 技 术 进 行 识 别 、 理 解 、 推 理并 最 后 做 出 规 划 决 策 ， 能 自 主 行 动 实 现 预 定 目 标 的 高 级 机 器 人 。 第 三 代 机 器 人 是 智 能 机 器 人 ， 它 不 仅 具 有 感 觉 能 力 ， 而 且 还 具 有独 立 判 断 和 行 动 的 能 力 ， 并 具 有 记 忆 、 推 理 和 决 策 的 能 力

14、， 因 而能 够 完 成 更 加 复 杂 的 动 作 。 中 央 电 脑 控 制 手 臂 和 行 走 装 置 ， 使 机 器 人 的 手 完 成 作 业 ， 脚 完 成移 动 ， 机 器 人 能 够 用 自 然 语 言 与 人 对 话 。 智 能 机 器 人 的 “ 智 能 ”特 征 就 在 于 它 具 有 与 外 部 世 界 对 象 、 环 境 和 人 相 适 应 、 相 协调 的 工 作 机 能 。 从 控 制 方 式 看 ， 智 能 机 器 人 不 同 于 工 业 机 器 人 的“ 示 教 、 再 现 ” ， 不 同 于 遥 控 机 器 人 的 “ 主 从 操 纵 ” ， 而 是 以一

15、种 “ 认 知 适 应 ” 的 方 式 自 律 地 进 行 操 作 。 智 能 机 器 人 在 发 生 故 障 时 ， 通 过 自 我 诊 断 装 置 能 自我 诊 断 出 故 障 部 位 ， 并 能 自 我 修 复 。 今 天 ， 智 能 机器 人 的 应 用 范 围 大 大 地 扩 展 了 ， 除 工 农 业 生 产 外 ，机 器 人 应 用 到 各 行 各 业 ， 机 器 人 已 具 备 了 人 类 的 特点 。 机 器 人 向 着 智 能 化 、 拟 人 化 方 向 发 展 的 道 路 ，是 没 有 止 境 的 。 机 器 人 技 术 成 为 了 一 个 非 常 综 合 的 、 新 型

16、 技 术 。 科学 技 术 的 日 新 月 异 ， 给 我 们 人 类 的 生 活 带 来 巨 大 的变 化 ， 机 器 人 技 术 包 括 了 ： 控 制 技 术 ， 计 算 机 技 术 ，传 感 器 技 术 ， 机 械 技 术 、 材 料 技 术 等 等 。 从 机 器 人 诞 生 到 本 世 纪 80年 代 初 ， 机 器 人 技 术 经 历了 一 个 长 期 缓 慢 的 发 展 过 程 。 到 了 90年 代 ， 随 着 计算 机 技 术 、 微 电 子 技 术 、 网 络 技 术 等 的 快 速 发 展 ，机 器 人 技 术 也 得 到 了 飞 速 发 展 。 除 了 工 业 机 器

17、 人 水 平 不 断 提 高 之 外 ， 各 种 用 于 非 制造 业 的 先 进 机 器 人 系 统 也 有 了 长 足 的 进 展 。 下 将 按工 业 机 器 人 和 先 进 机 器 人 两 条 技 术 发 展 路 线 分 述 机器 人 的 最 新 进 展 情 况 。 1 工 业 机 器 人 （ 1） 机 器 人 操 作 机 ： 通 过 有 限 元 分 析 、 模 态 分 析 及 仿 真 设 计 等 现代 设 计 方 法 的 运 用 ， 机 器 人 操 作 机 已 实 现 了 优 化 设 计 。 以 德 国KUKA公 司 为 代 表 的 机 器 人 公 司 ， 已 将 机 器 人 并 联

18、 平 行 四 边 形 结构 改 为 开 链 结 构 ， 拓 展 了 机 器 人 的 工 作 范 围 ， 加 之 轻 质 铝 合 金 材料 的 应 用 ， 大 大 提 高 了 机 器 人 的 性 能 。 此 外 采 用 先 进 的 RV减 速 器及 交 流 伺 服 电 机 ， 使 机 器 人 操 作 机 几 乎 成 为 免 维 护 系 统 。 （ 2） 并 联 机 器 人 ： 采 用 并 联 机 构 ， 利 用 机 器 人 技 术 ， 实 现 高 精 度测 量 及 加 工 ， 这 是 机 器 人 技 术 向 数 控 技 术 的 拓 展 ， 为 将 来 实 现 机器 人 和 数 控 技 术 一 体

19、 化 奠 定 了 基 础 。 意 大 利 COMAU公 司 ， 日 本FANUC等 公 司 已 开 发 出 了 此 类 产 品 。 （ 3） 控 制 系 统 ： 控 制 系 统 的 性 能 进 一 步 提 高 ， 已 由 过 去 控 制 标 准的 6轴 机 器 人 发 展 到 现 在 能 够 控 制 21轴 甚 至 27轴 ， 并 且 实 现 了 软件 伺 服 和 全 数 字 控 制 。 人 机 界 面 更 加 友 好 ， 基 于 图 形 操 作 的 界 面也 已 问 世 。 编 程 方 式 仍 以 示 教 编 程 为 主 ， 但 在 某 些 领 域 的 离 线 编程 已 实 现 实 用 化

20、。 （ 4） 传 感 系 统 ： 激 光 传 感 器 、 视 觉 传 感 器 和 力 传 感 器 在 机器 人 系 统 中 已 得 到 成 功 应 用 ， 并 实 现 了 焊 缝 自 动 跟 踪 和 自 动化 生 产 线 上 物 体 的 自 动 定 位 以 及 精 密 装 配 作 业 等 ， 大 大 提 高了 机 器 人 的 作 业 性 能 和 对 环 境 的 适 应 性 。 日 本 KAWASAKI、YASKAWA、 FANUC和 瑞 典 ABB、 德 国 KUKA、 REIS等 公 司皆 推 出 了 此 类 产 品 。 （ 5） 网 络 通 信 功 能 ： 日 本 YASKAWA和 德 国

21、 KUKA公 司 的 最新 机 器 人 控 制 器 已 实 现 了 与 Canbus、 Profibus总 线 及 一 些网 络 的 联 接 ， 使 机 器 人 由 过 去 的 独 立 应 用 向 网 络 化 应 用 迈 进了 一 大 步 ， 也 使 机 器 人 由 过 去 的 专 用 设 备 向 标 准 化 设 备 发 展 。 （ 6） 可 靠 性 ： 由 于 微 电 子 技 术 的 快 速 发 展 和 大 规 模 集 成 电路 的 应 用 ， 使 机 器 人 系 统 的 可 靠 性 有 了 很 大 提 高 。 过 去 机 器人 系 统 的 可 靠 性 MTBF一 般 为 几 千 小 时 ，

22、 而 现 在 已 达 到 5万小 时 ， 几 冬 天 可 以 满 足 任 何 场 合 的 需 求 。 2 先 进 机 器 人 近 年 来 ， 人 类 的 活 动 领 域 不 断 扩 大 ， 机 器 人 应 用 也从 制 造 领 域 向 非 制 造 领 域 发 展 。 像 海 洋 开 发 、 宇 宙探 测 、 采 掘 、 建 筑 、 医 疗 、 农 林 业 、 服 务 、 娱 乐 等行 业 都 提 出 了 自 动 化 和 机 器 人 化 的 要 求 。 这 些 行 业 与 制 造 业 相 比 ， 其 主 要 特 点 是 工 作 环 境 的非 结 构 化 和 不 确 定 性 ， 因 而 对 机 器

23、 人 的 要 求 更 高 ，需 要 机 器 人 具 有 行 走 功 能 ， 对 外 感 知 能 力 以 及 局 部的 自 主 规 划 能 力 等 ， 是 机 器 人 技 术 的 一 个 重 要 发 展方 向 。 （ 1） 水 下 机 器 人 ： 美 国 的 AUSS、 俄 罗 斯 的 MT-88、法 国 的 EPAVLARD等 水 下 机 器 人 已 用 于 海 洋 石 油 开 采 ，海 底 勘 查 、 救 捞 作 业 、 管 道 敷 设 和 检 查 、 电 缆 敷 设 和 维护 、 以 及 大 坝 检 查 等 方 面 ， 形 成 了 有 缆 水 下 机 器 人（ remote operate

24、d vehicle） 和 无 缆 水 下 机 器 人（ autonomous under water vehicle） 两 大 类 。 （ 2） 空 间 机 器 人 ： 空 间 机 器 人 一 直 是 先 进 机 器 人 的 重要 研 究 领 域 。 目 前 美 、 俄 、 加 拿 大 等 国 已 研 制 出 各 种 空间 机 器 人 。 如 美 国 NASA的 空 间 机 器 人 Sojanor等 。Sljanor是 一 辆 自 主 移 动 车 ， 重 量 为 11.5kg， 尺 寸63048mm， 有 6个 车 轮 ， 它 在 火 星 上 的 成 功 应 用 ，引 起 了 全 球 的 广

25、泛 关 注 。 （ 3） 核 工 业 用 机 器 人 ： 国 外 的 研 究 主 要 集 中 在 机 构 灵巧 ， 动 作 准 确 可 靠 、 反 应 快 、 重 量 轻 、 刚 度 好 、 便 于 装卸 与 维 修 的 高 性 能 伺 服 手 ， 以 及 半 自 主 和 自 主 移 动 机 器人 。 已 完 成 的 典 型 系 统 ， 如 美 国 ORML基 于 机 器 人 的 放射 性 储 罐 清 理 系 统 、 反 应 堆 用 双 臂 操 作 器 ， 加 拿 来 大 研制 成 功 的 辐 射 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 ， 德 国 的 C7灵 巧 手等 。 （ 4） 地 下 机

26、器 人 ： 地 下 机 器 人 主 要 包 括 采 掘 机 器 人 和地 下 管 道 检 修 机 器 人 两 在 类 。 主 要 研 究 内 容 为 ： 机 械 结构 、 行 走 系 统 、 传 感 器 及 定 位 系 统 、 控 制 系 统 、 通 信 及遥 控 技 术 。 目 前 日 、 美 、 德 等 发 达 国 家 已 研 制 出 了 地 下管 道 和 石 油 、 天 然 气 等 大 型 管 道 检 修 用 的 机 器 人 ， 各 种采 机 器 人 及 自 动 化 系 统 正 在 研 制 中 。 （ 5） 医 用 机 器 人 ： 医 用 机 器 人 的 主 要 研 究 内 容 包 括

27、： 医 疗 外 科 手术 的 规 划 与 仿 真 、 机 器 人 辅 助 外 科 手 术 、 最 小 损 伤 外 科 、 临 场 感外 科 手 术 等 。 美 国 已 开 展 临 场 感 外 科 （ telepresence surgery）的 研 究 ， 用 于 战 场 模 拟 、 手 术 培 训 、 解 剖 教 学 等 。 法 、 英 、 意 、德 等 国 家 联 合 开 展 了 图 像 引 导 型 矫 形 外 科 （ telematics） 计 划 、袖 珍 机 器 人 （ biomed） 计 划 以 及 用 于 外 科 手 术 的 机 电 手 术 工 具 等项 目 的 研 究 ， 并

28、已 取 得 一 些 卓 有 成 效 的 结 果 。 （ 6） 建 筑 机 器 人 ： 日 本 已 研 制 出 20多 种 建 筑 机 器 人 。 如 高 层 建筑 抹 灰 机 器 人 、 预 制 件 安 装 机 器 人 、 室 内 装 修 机 器 人 、 地 面 抛 光机 器 人 、 擦 玻 璃 机 器 人 等 ， 并 已 实 际 应 有 和 。 美 国 卡 内 基 梅 隆 重大 学 、 麻 省 理 工 学 院 等 都 在 进 行 管 道 挖 掘 和 埋 设 机 器 人 、 内 墙 安装 机 器 人 等 型 号 的 研 制 、 并 开 展 了 传 感 器 、 移 动 技 术 和 系 统 自 动

29、化 施 工 方 法 等 基 础 研 究 。 英 、 德 、 法 等 国 也 在 开 展 这 方 面 的 研 究 。 （ 7） 军 用 机 器 人 ： 近 年 来 ， 美 、 英 、 法 、 德 等 国 已 研制 出 第 二 代 军 用 智 能 机 器 人 。 其 特 点 是 采 用 自 主 控 制 方 式 ， 能 完 成 侦 察 、 作 战 和 后 勤支 援 等 任 务 ， 在 战 场 上 具 有 看 、 嗅 和 角 摸 能 力 ， 能 够 自 动 跟 踪 地 形 和 选 择 道 路 ， 并 且 具 有 自 动 搜 索 、 识 别 和消 灭 敌 方 目 标 014的 功 能 。 如 美 国 的

30、 Navplab自 主 导 航 车 、 SSV半 自 主 地 面 战 车 ，法 国 的 自 主 式 快 速 运 动 侦 察 车 （ DARDS） ， 德 国 MV4爆 炸 物 处 理 机 器 人 等 。 目 前 美 国 ORNL正 在 研 制 和 开 发Abrams坦 克 、 爱 国 者 导 弹 装 电 池 用 机 器 人 等 各 种 用 途的 军 用 机 器 人 。 1.4.1 遥 控 机 器 人 通 过 操 作 者 遥 控 完 成 各 种 远 程 作 业 的 机 器 人 。 遥 控 机 器人 与 传 统 遥 控 器 相 似 ， 又 增 加 了 用 于 机 器 人 的 各 种 技 术 ，操

31、作 者 可 以 通 过 可 视 距 离 内 遥 控 ， 也 可 以 在 电 视 图 像 中进 行 监 控 操 作 。 遥 控 机 器 人 系 统 主 要 分 为 两 部 分 ， 机 器 人 工 作 空 间 和 操作 者 的 操 作 空 间 ， 按 类 型 可 将 遥 控 机 器 人 分 为 两 种 类 型 ：固 定 式 和 移 动 式 两 种 。 主 要 应 用 于 以 下 领 域 ： 非 结 构 环境 下 很 少 重 复 的 任 务 ； 遥 控 机 器 人 被 带 到 施 工 现 场 ； 任务 不 是 非 结 构 ， 但 没 有 先 验 知 识 去 执 行 任 务 。 遥 控 机 器人 被

32、广 泛 的 应 用 到 各 种 不 容 易 到 达 或 不 能 到 达 作 业 的 危险 环 境 中 ， 并 在 各 个 领 域 根 据 应 用 扩 展 了 研 究 课 题 ， 一个 典 型 的 远 程 遥 控 机 器 人 如 图 1-1所 示 。 1.4.2 自 主 机 器 人 其 本 体 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 的 机 器 人是 自 主 机 器 人 。 例 如 足 球 机 器 人 的 组 成 包 括 ： (1) 视 觉 系

33、 统 ： 负 责 感 知 球 场 上 的 态 势 ， 视 觉 系 统 获 得 球 场 上 的 实时 图 像 ， 对 图 像 进 行 颜 色 分 割 ， 识 别 出 球 场 上 的 各 个 目 标 ， 然 后进 行 距 离 校 正 ， 将 结 果 发 给 决 策 程 序 。 (2) 决 策 系 统 ： 接 收 视 觉 系 统 的 辨 识 结 果 ， 对 球 场 态 势 进 行 分 析 ，然 后 做 出 合 理 决 策 ， 将 命 令 发 送 给 底 层 控 制 系 统 。 (3) 底 层 控 制 系 统 ： 通 过 串 口 接 收 上 位 机 的 命 令 ， 控 制 各 轮 走 行 电机 按 照

34、 指 定 速 度 运 行 ， 控 制 弹 射 和 持 球 电 机 ， 将 底 层 传 感 器 的 数据 通 过 串 口 发 送 给 上 位 机 。 (4) 通 信 系 统 ： 通 过 无 线 网 络 联 系 场 内 机 器 人 和 场 外 计 算 机 ， 进 行遥 控 测 试 ， 参 数 设 置 等 操 作 以 及 控 制 比 赛 的 开 始 和 终 止 ， 如 图 1-2所 示 。 1. 工 业 机 器 人 工 业 机 器 人 是 指 在 工 业 中 应 用 的 一 种 能 进 行 自 动 控制 的 、 可 重 复 编 程 的 、 多 功 能 的 、 多 自 由 度 的 、 多用 途 的 操

35、 作 机 ， 能 搬 运 材 料 、 工 件 或 操 持 工 具 ， 用以 完 成 各 种 作 业 。 且 这 种 操 作 机 可 以 固 定 在 一 个 地方 ， 也 可 以 在 往 复 运 动 的 小 车 上 ， 如 图 1-3所 示 。 2. 服 务 机 器 人 服 务 机 器 人 是 机 器 人 家 族 中 的 一 个 年 轻 成 员 ， 到 目 前 为 止 尚 没 有一 个 严 格 的 定 义 ， 不 同 国 家 对 服 务 机 器 人 的 认 识 也 有 一 定 差 异 。服 务 机 器 人 的 应 用 范 围 很 广 ， 主 要 从 事 维 护 、 保 养 、 修 理 、 运 输

36、 、清 洗 、 保 安 、 救 援 、 监 护 等 工 作 。 德 国 生 产 技 术 与 自 动 化 研 究 所所 长 施 拉 夫 特 博 士 给 服 务 机 器 人 下 了 这 样 一 个 定 义 ： 服 务 机 器 人是 一 种 可 自 由 编 程 的 移 动 装 置 ， 它 至 少 应 有 三 个 运 动 轴 ， 可 以 部分 地 或 全 自 动 地 完 成 服 务 工 作 。 这 里 的 服 务 工 作 指 的 不 是 为 工 业生 产 物 品 而 从 事 的 服 务 活 动 ， 而 是 指 为 人 和 单 位 完 成 的 服 务 工 作 。 现 在 世 界 上 已 应 用 的 服

37、务 机 器 人 只 有 1000多 台 ， 其 中 建 筑 机 器人 500多 台 ， 公 用 事 业 、 环 保 、 农 业 机 器 人 100多 台 ， 运 输 与 交通 机 器 人 100多 台 ， 康 复 机 器 人 100多 台 ， 防 辐 射 、 防 灾 机 器 人70多 台 ， 旅 馆 、 餐 饮 业 机 器 人 50多 台 ， 医 疗 机 器 人 20多 台 ， 家务 、 业 余 爱 好 、 休 闲 机 器 人 10余 台 。 这 些 数 据 是 德 国 生 产 技 术 与自 动 化 研 究 所 前 几 年 调 查 获 得 的 。 3. 娱 乐 机 器 人 娱 乐 机 器 人

38、以 供 人 观 赏 、 娱 乐 为 目 的 ， 具 有 机 器 人 的 外 部 特 征 ，可 以 像 人 ， 像 某 种 动 物 ， 像 童 话 或 科 幻 小 说 中 的 人 物 等 。 同 时 具有 机 器 人 的 功 能 ， 可 以 行 走 或 完 成 动 作 ， 可 以 有 语 言 能 力 ， 会 唱歌 ， 有 一 定 的 感 知 能 力 。 工 作 之 余 欣 赏 一 段 美 妙 的 音 乐 ， 不 仅 可 以 帮 助 趋 散 一 天 的 疲 劳 ，还 可 陶 冶 你 的 情 操 ， 提 高 你 的 艺 术 鉴 赏 力 ， 所 以 很 多 人 都 有 听 音乐 的 习 惯 。 几 年

39、 前 ， 美 国 特 种 机 器 人 协 会 曾 举 办 了 一 场 别 开 生 面 的 音 乐 会 ，演 唱 者 是 世 界 男 高 音 之 王 “ 帕 瓦 罗 蒂 ” 。 这 位 “ 帕 瓦 罗 蒂 ” 并 不是 意 大 利 著 名 的 歌 唱 家 帕 瓦 罗 蒂 ， 而 是 美 国 依 阿 华 州 州 立 大 学 研制 的 机 器 人 歌 手 “ 帕 瓦 罗 蒂 ” 。 这 场 音 乐 会 实 际 上 是 一 场 机 器 人验 收 会 。 听 众 席 上 不 仅 有 机 器 人 领 域 的 专 家 ， 更 有 不 少 音 乐 家 以及 众 多 慕 名 而 来 的 听 众 。 目 前 ，

40、受 关 注 的 是 机 器 人 玩 具 ， 它 实 际 是 一 种 智 能玩 具 ， 能 够 开 发 儿 童 的 智 能 ， 让 儿 童 在 玩 耍 中 学 到一 些 高 技 术 知 识 。 我 国 机 器 人 玩 具 还 比 较 少 ， 而 在 美 国 、 日 本 等 国 ，机 器 人 玩 具 则 已 非 常 普 遍 。 日 本 是 机 器 人 玩 具 发 展较 早 的 国 家 。 （ 4） 类 人 机 器 人 从 其 他 类 别 的 机 器 人 可 以 看 出 ， 大 多 数 的 机 器 人 并 不 像人 ， 有 的 甚 至 没 有 一 点 人 的 模 样 ， 这 一 点 使 很 多 机

41、器 人爱 好 者 大 失 所 望 。 也 许 你 会 问 ， 为 什 么 科 学 家 不 研 制 类人 机 器 人 ？ 这 样 的 机 器 人 会 更 容 易 让 人 接 受 。 其 实 ， 研 制 出 外 观 和 功 能 与 人 一 样 的 机 器 人 是 科 学 家 们梦 寐 以 求 的 愿 望 ， 也 是 他 们 不 懈 追 求 的 目 标 。 然 而 ， 研制 出 性 能 优 异 的 类 人 机 器 人 ， 其 最 大 的 难 关 就 是 双 足 直立 行 走 。 因 为 机 器 人 与 人 的 学 习 方 式 不 一 样 。 一 个 婴 儿要 先 学 走 ， 再 学 跑 ； 而 机

42、器 人 则 要 先 学 跑 ， 再 学 走 。 也就 是 说 机 器 人 学 跑 更 容 易 些 。 （ 5） 农 业 机 器 人 由 于 机 械 化 、 自 动 化 程 度 比 较 落 后 ， “ 面 朝 黄 土 背朝 天 ， 一 年 四 季 不 得 闲 ” 成 了 我 国 农 民 的 象 征 。 但近 年 农 业 机 器 人 的 问 世 ， 有 望 改 变 传 统 的 劳 动 方 式 。在 农 业 机 器 人 的 方 面 ， 目 前 日 本 居 于 世 界 各 国 之 首 。 1.5.2 军 用 机 器 人 1. 地 面 军 用 机 器 人 地 面 机 器 人 主 要 是 指 智 能 或

43、遥 控 的 轮 式 和 履 带 式 车辆 .地 面 军 用 机 器 人 又 可 分 为 自 主 车 辆 和 半 自 主 车辆 。 自 主 车 辆 依 靠 自 身 的 智 能 自 主 导 航 ,躲 避 障 碍 物 ,独立 完 成 各 种 战 斗 任 务 ;半 自 主 车 辆 可 在 人 的 监 视 下自 主 行 使 ,在 遇 到 困 难 时 操 作 人 员 可 以 进 行 遥 控 干预 。 被 称 为 空 中 机 器 人 的 无 人 机 是 军 用 机 器 人 中 发 展 最 快 的家 族 ， 从 1913年 第 一 台 自 动 驾 驶 仪 问 世 以 来 ， 无 人 机的 基 本 类 型 已

44、达 到 300多 种 ， 目 前 在 世 界 市 场 上 销 售 的无 人 机 有 40多 种 。 美 国 几 乎 参 加 了 世 界 上 所 有 重 要 的 战 争 。 由 于 它 的 科 学技 术 先 进 ， 国 力 较 强 ， 因 而 80多 年 来 ， 世 界 无 人 机 的发 展 基 本 上 是 以 美 国 为 主 线 向 前 推 进 的 。 美 国 是 研 究 无 人 机 最 早 的 国 家 之 一 ， 今 天 无 论 从 技 术 水平 还 是 无 人 机 的 种 类 和 数 量 来 看 ， 美 国 均 居 世 界 首 位 。 综 观 无 人 机 发 展 的 历 史 ， 可 以 说

45、 现 代 战 争 是 无 人 机 发 展的 动 力 ， 高 新 技 术 的 发 展 是 它 不 断 进 步 的 基 础 。 （ 3） 水 下 机 器 人 水 下 机 器 人 分 为 有 人 机 器 人 和 无 人 机 器 人 两 大 类 ： 其 中 ， 有 人 潜 水 器 机动 灵 活 ， 便 于 处 理 复 杂 的 问 题 ， 担 任 的 生 命 可 能 会 有 危 险 ， 而 且 价 格 昂贵 ； 无 人 潜 水 器 就 是 人 们 所 说 的 水 下 机 器 人 ， “ 科 夫 ” 就 是 其 中 的 一 种 。 它 适 于 长 时 间 、 大 范 围 的 考 察 任 务 ， 近 20年

46、 来 ， 水 下 机 器 人 有 了 很 大 的发 展 ， 它 们 既 可 军 用 又 可 民 用 。 随 着 人 对 海 洋 进 一 步 地 开 发 ， 21世 纪 它们 必 将 会 有 更 广 泛 的 应 用 。 按 照 无 人 潜 水 器 与 水 面 支 持 设 备 （ 母 船 或 平 台 ） 间 联 系 方 式 的 不 同 ， 水下 机 器 人 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 种 是 有 缆 水 下 机 器 人 ， 习 惯 上 把 它 称 做 遥控 潜 水 器 ， 简 称 ROV； 另 一 种 是 无 缆 水 下 机 器 人 ， 潜 水 器 习 惯 上 把 它 称做 自 治 潜 水

47、 器 ， 简 称 AUV。 有 缆 机 器 人 都 是 遥 控 式 的 ， 按 其 运 动 方 式 分为 拖 曳 式 、 （ 海 底 ） 移 动 式 和 浮 游 （ 自 航 ） 式 三 种 。 无 缆 水 下 机 器 人 只能 是 自 治 式 的 ， 目 前 还 只 有 观 测 型 浮 游 式 一 种 运 动 方 式 ， 但 它 的 前 景 是光 明 的 。 （ 4） 空 间 机 器 人 空 间 机 器 人 是 一 种 低 价 位 的 轻 型 遥 控 机 器 人 ， 可 在行 星 的 大 气 环 境 中 导 航 及 飞 行 。 为 此 ， 它 必 须 克 服许 多 困 难 ， 例 如 它 要 能 在 一 个 不 断 变 化 的 三 维 环 境中 运 动 并 自 主 导 航 ； 几 乎 不 能 够 停 留 ； 必 须 能 实 时确 定 它 在 空 间 的 位 置 及 状 态 ； 要 能 对 它 的 垂 直 运 动进 行 控 制 ； 要 为 它 的 星 际 飞 行 预 测 及 规 划 路 径 。