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1、第7章 机器人技术 教案课题机器人技术课时4知识目标L了解机器人概念及发展历程。2 ,掌握机器人的结构与分类。3 .熟悉机器人三定律。4 .熟悉智能机器人的概念、关键技术及发展方向。重点、难点1 .机器人概念2 .机器人三定律3 .智能机器人的关键技术课程思政1 .通过中国派队参加机器人世界杯赛取得骄人成绩案例讨论，激 发学生科技报国的家国情怀和使命担当。2 .通过机器人三定律的学习讨论，对学生进行科学伦理、道德的 教育，塑造正确的世界观、人生观、价值观。3 .通过智能机器人技术及发展趋势学习，培养学生探索未知、追 求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。教学内容及进程：一、导入案例RoboCu
2、p机器人世界杯足球锦标赛机器人踢足球的想法是由Mackworth教授于1992年首次提出的。同时， 一些日本的研究人员也在致力于以机器人踢球来推动科学技术发展的事情。 并于1993年六月在东京发起一场名为Robot J-League的机器人足球赛。在 赛事过后不到一个月内，有许多日本以外的科研人员呼吁将这一赛事扩大为 国际联合项目。于是，机器人世界杯(Robot World Cup)应运而生，简称 RoboCupo 二 知识讲授8.1 机器人的概念近年来，物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术的快速发展为 机器人技术的发展奠定了坚实基础，全球机器人产业正在迈入智能化的新时 代。8.1.1
3、机器人的定义机器人问世已有几十年了，但至今还没有一个统一的定义，其原因之一 是机器人还在发展，另一个主要原因是机器人涉及人的概念，成为一个难以 回答的哲学问题。也许正是由于机器人没有统一的定义，才给了人们充分的 想象和创造空间。备注播放视频素 材通过RoboCup 机 器人世界杯 足球锦标 赛，引出机 器人的概 念。简要介绍机 器人的概念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。8.1.2 机器人的发展“机器人” 一词出现的时间并不太长。在我国，“机器人”最早是以自动 机械装置或自动人偶的
4、形式出现的；在西方，“机器人”最开始被称为自动机 (Automation)或自行控制机器(Self-operating Machine)o.古代的机器人人类记载的最早的自动机械装置出现于我国的黄帝时代(公元前2700 年前后)。世界其他文明关于机器人的最早记载，见诸古希腊。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人一一自动机。在国外的科技史上，也记载有许多自动玩偶的故事。1 .机器时代开始于18世纪60年代的工业革命，使欧洲各国完成了从工场手工业向 机器大工业的过渡，进而使人类跨入了机器时代，推动了生产力的巨大发展。 机器的发明和使用成了这个时代的标志。2 .现代机器人古代机器人的发展较为缓慢
5、，而现代机器人的发展则可以用突飞猛进来 形容。3 .机器人的繁荣美国人最先发明了机器人，但日本人却更早认识到了机器人的真正价值。4 .中国机器人在经历了主要发达国家使用机器人所获得的巨大成功之后，我国逐渐意 识到机器人在社会生产生活中所发挥的重要作用。8.1.3 机器人三定律实例介绍机 器人的发展通过实例分 析机器人三 定律最早出现在电影中的机器人，是1927年电影大都会(Metropolis)中 的女机器人Maria,具备颇为前卫的法老王式造型，而且是个狡猾的坏机器人, 她通过挑起有钱人和穷人之间的战争，试图毁灭人类。可见从一开始，人类就对机器人这个人造的新物种充满怀疑和戒心。1942年，阿
6、西莫夫(Isaac Asimov)在他的短篇科幻小说转圈圈中首 次发表了 “机器人三定律”(也称为机器人三法则)：第一定律：机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。第二定律：在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类下达 的命令。第三定律：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。通过实例重 点介绍机器 人的结构机器人学术界一直将这三条定律作为开发机器人的准则，阿西莫夫也因 此被誉为机器人学之父。后来，阿西莫夫又补充了机器人第零定律。第零定律：机器人不可以伤害整个人类社会群体，或在人类社会群体承 受迫害时不为所动。8.2机器人的结构与分类从早期原子能实验室里
7、的机械手，到后来汽车生产线上的机械臂，再到 现如今随处可见的无人机、平衡车、扫地机器人，随处可见各类新奇机器人 产品，短短70载，机器人已经快速发展壮大了起来。8.2.1 机器人的结构通常情况下，一般机器人的结构包括机械系统、控制系统、驱动系统和 感知系统四大部分。(1)机械系统机器人的机械系统包括机身、臂部、手腕和末端操作器等部件，每个部 件都有若干自由度，从而构成了一个多自由度的机械系统。(2)控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业程序，以及从传感器反馈回来的信 息来控制机器人的执行机构，使机器人完成规定的作业。(3)驱动系统驱动系统主要是指驱动机械系统动作的装置，根据驱动源的不同，可分
8、 为电气、液压和气压三种驱动系统，以及这三种驱动系统构成的综合驱动系 统。（4）感知系统感知系统主要由各种传感器组成，这些传感器可分为内部传感器和外部 传感器。感知系统的作用是获取机器人的内部信息和外部环境信息，并把这 些信息反馈给控制系统。8.2.2 机器人的分类种类繁多的机器人使我们眼花缭乱，如何才能正确地辨别它们呢？根据 不同的标准，机器人有多种分类方法。按机器人的应用环境分类，将机器人 分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三大类，L工业机器人（1）焊接机器人（2）搬运机器人（3）喷涂机器人（4）装配机器人2 .服务机器人（1）家庭服务机器人（2）护理机器人（3）娱乐休闲机器人（4）公
9、共服务机器人（5）仿人机器人3 .特种机器人（1）机器人医生（2）太空机器人（3）水下机器人（4）救援机器人8.3智能机器人8.3.1 智能机器人的概念所谓“智能机器人”，就是在传统机械机器人的基础上，再赋予其一个和 人一样发达的“大脑”。实例分析机 器人的分类通过实例分 析智能机器 人的概念科学界对智能机器人还没有一个统一的定义，但可以肯定的是，一个机器人要具备智能必须具备三个基本要素：第一是感觉要素，感觉要素可以使智能机器人感受和认识外界环境，起 到与外界交流的作用；第二是运动要素，运动要素使机器人能够对外界做出反应性动作，完成 操作者所下达的命令；第三是思考要素，思考要素可以帮助机器人利
10、用从外界所获得的信息， 制订出最合适的解决方案，进而采用最合理的动作完成命令。8.3.2 智能机器人关键技术实例分析智 能机器人的 关键技术智能机器人的关键技术包括定位导航、人机交互和环境交互三大类，具 体可以进一步划分为以下6种技术。L多传感器信息融合1）多层次传感器融合：2）微传感器和智能传感器：3）自适应多传感器融合：2 .导航与定位第一，基于环境理解的全局定位：通过环境中景物的理解，识别人为路标 或具体的实物，以完成对机器人的定位，为路径规划提供素材；第二，目标识别和障碍物检测：实时对障碍物或特定目标进行检测和识别, 提高控制系统的稳定性；第三，安全保护：能对机器人工作环境中出现的障碍
11、和移动物体做出分析 并避免对机器人造成损伤。3 .路径规划最优路径规划就是依据某个或某些优化准则（如工作代价最小、行走路 线最短、行走时间最短等），在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标 状态、可以避开障碍物的最优路径。4 .机器人视觉机器人视觉系统是自主机器人的重要组成部分，一般由摄像机、图像采 集卡和计算机组成。机器人视觉系统的工作包括图像的获取、处理和分析、 输出和显示，核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识。5 .智能控制随着机器人技术的发展，对于无法精确解析建模的物理对象及信息不足 的病态过程，传统控制理论暴露出缺点，近年来许多学者提出了各种不同的 机器人智能控制系统。机器人的智
12、能控制方法有模糊控制、神经网络控制、 智能控制技术的融合（模糊控制和变结构控制的融合；神经网络和变结构控 制的融合；模糊控制和神经网络控制的融合；智能融合技术还包括基于遗传 算法的模糊控制方法）等。6 .人机接口技术智能机器人的研究目标并不是完全取代人，复杂的智能机器人系统仅仅 依靠计算机来控制目前是有一定困难的，即使可以做到，也会因为缺乏对环 境的适应能力而不实用。7 .3.3智能机器人的发展方向发展智能机器人是21世纪的科技主题，在未来的100年中，智能机器人 的智力水平将会发展到怎样的程度？（1）更聪明的智能机器人（2）更自然的互动（3）更快的分析能力（4）更微妙的恐惧（5）更激烈的竞争（6）更强的学习能力案例赏析案例1 谷歌机器人军团是当之无愧的引领者通过实例分 析智能机器 人的发展方 向通过网络收 集资料，了 解谷歌机器 人及大疆无 人机知识。案例2大疆农业发布T30植保无人机