上海交通大学：《脑与机器人》课程教学课件（四）02 机器人学基础

上海交通大学通识教育核心课程 环球科学 《科学美国人) 207. Resear tute of Robotics oLab 机器人与脑（2) NGHAI JIAO TONG UNIVERSI A。nn自 曹其新、栾楠 通 http://robolab.situ.edu.cn/home/zh-hans/node/117 上海交通大学机器人研究所

Research Institute of Robotics RoboLab 机器人与脑（2） 上海交通大学通识教育核心课程 曹其新、栾楠 http://robolab.sjtu.edu.cn/home/zh-hans/node/117 上海交通大学机器人研究所

08 4机器人学基础 http://robolab.sjtu.edu.cn 1.机器人的构成 2.机器人的机构 3.机器人的传感器 4.机器人的控制器 5.机器人的程序 6.小结 习题 2 RIR.SJTU

1. 机器人的构成 2. 机器人的机构 3. 机器人的传感器 4. 机器人的控制器 5. 机器人的程序 6. 小结 习题 2 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 4 机器人学基础

4.0机器人的构成 http://robolab.sjtu.edu.cn ·机器人是模仿人或者其他生物制造出来的自动化机 ·不仅是外形上的模仿，主要是指原理上的模仿 ·人体可以抽象为三种要素：感知器、控制器和执行器 >感知器对应着我们的感觉器官，感受着外部和内部的信息，比 如光、声音、温度、位置、疼痛、平衡等； >控制器对应着我们的大脑和小脑，控制身体的动作，进行思考 和决策； >执行器对应着我们的肌体，实现身体的动作等。 3 RIR.SJTU

4.1 机器人的构成 3 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU • 机器人是模仿人或者其他生物制造出来的自动化机 • 不仅是外形上的模仿，主要是指原理上的模仿 • 人体可以抽象为三种要素：感知器、控制器和执行器  感知器对应着我们的感觉器官，感受着外部和内部的信息，比 如光、声音、温度、位置、疼痛、平衡等；  控制器对应着我们的大脑和小脑，控制身体的动作，进行思考 和决策；  执行器对应着我们的肌体，实现身体的动作等

08 4.1机器人的构成 http://robolab.sjtu.edu.cn 感知器、控制器和执行器 RIR.SJTU

4.1 机器人的构成 4 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 感知器、控制器和执行器

4.0 机器人的构成 http://robolab.sjtu.edu.cn 机器人也是由这三部分要素构成的，机器人的各个 “器官”，有些和人体相似，有些则大大不同。 1、机器人的执行器-笨拙但有力。 例如，为了自身的移动，有些机器人也有自己的下肢， 即腿脚。 现在，双脚行走的机器人也已经研制出来，但是还很难像人类一样 自如地行走、奔跑、跳跃。本着简单实用的原则，科学家们研制出 了轮式、履带式的机器人行走机构。此外还有仿昆虫的六腿式、仿 四足动物的四腿式，而仿鱼类、鸟类、蛇类的机器人，它们的运动 方式就和我们人类完全不同了。但总的来说都不如自然生物灵活。 2、机器人的感知器灵敏多样。 机器人可以有自己的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等，除此之 外，还可以拥有很多我们人类所不具有的感知方式，比如像蝙蝠一 样用超声波来定位，像蛇一样用红外线来定位，能感受磁场、电场、 射线等等。 3、机器人的控制器一高速、精确但呆板 在分析、推理、识别等高级智能活动方面则远远不如人脑的表现。 5 RIR.SJTU

4.1 机器人的构成 5 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 机器人也是由这三部分要素构成的，机器人的各个 “器官” ，有些和人体相似，有些则大大不同。 1、机器人的执行器 --- 笨拙但有力。 例如，为了自身的移动，有些机器人也有自己的下肢，即腿脚。 现在，双脚行走的机器人也已经研制出来，但是还很难像人类一样 自如地行走、奔跑、跳跃。本着简单实用的原则，科学家们研制出 了轮式、履带式的机器人行走机构。此外还有仿昆虫的六腿式、仿 四足动物的四腿式，而仿鱼类、鸟类、蛇类的机器人，它们的运动 方式就和我们人类完全不同了。但总的来说都不如自然生物灵活。 2、机器人的感知器 --- 灵敏多样。 机器人可以有自己的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等，除此之 外，还可以拥有很多我们人类所不具有的感知方式，比如像蝙蝠一 样用超声波来定位，像蛇一样用红外线来定位，能感受磁场、电场、 射线等等。 3、机器人的控制器 --- 高速、精确但呆板 在分析、推理、识别等高级智能活动方面则远远不如人脑的表现

0N 42 机器人的机构 http://robolab.sjtu.edu.cn 执行机构是机器人完成工作任务的机械实 体一般为“机器人本体+末端操作器” 必机器人manipulator:一般为由杆件机构 和关节机构组成的空间机构常常进一步细分为 机座腰部臂部肩和肘腕部等等 冬末端操作器end-effector: 按作业用途定 (是机器人完成特定作业的关键装置) 6 RIR.SJTU

4.2 机器人的机构 6 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU 执行机构是机器人完成工作任务的机械实 体一般为“机器人本体+末端操作器”  机器人manipulator： 一般为由杆件机构 和关节机构组成的空间机构常常进一步细分为 机座腰部臂部肩和肘腕部等等  末端操作器end-effector ：按作业用途定 （是机器人完成特定作业的关键装置）

08 42机器人的机袍 http://robolab.sjtu.edu.cn 7 RIR.SJTU

4.2 机器人的机构 7 http://robolab.sjtu.edu.cn RIR.SJTU

42 机器人的机构 机器人的自由度 必和人体一样，机器人机构各部件之间的连接也称为关节， 通过关节各部件连成一体，彼此又可以做相对运动。其 中以转动方式相联的关节称为转动关节，以移动方式相 联的关节称为移动关节。机器人机构能独立运动的关节 (包括转动和移动)的数目，就称为机器人机构的运动自 由度，英文缩写DOF(Degree of Freedom)

机器人的自由度  和人体一样，机器人机构各部件之间的连接也称为关节， 通过关节各部件连成一体，彼此又可以做相对运动。其 中以转动方式相联的关节称为转动关节，以移动方式相 联的关节称为移动关节。机器人机构能独立运动的关节 (包括转动和移动)的数目，就称为机器人机构的运动自 由度，英文缩写DOF（Degree of Freedom）。 4.2 机器人的机构

4.2 机器人的机构 很多机器人是为了实现人体的动作功 能来设计制造的，因此机构上和人体结构 有相似之处。而人体是非常复杂的，有 206块大小、形状各异的骨头，总共有几 百个运动自由度。例如：人的手臂从肩部 到手指共有27个自由度，其中20个自由 度集中在手上，因而人手十分灵巧。众多 的肌肉支持着人体的各种运动，人的腿脚 上有62对肌肉，颈部有15条肌肉，胸部 有52条肌肉，背脊上有112条肌肉...。 要用机械来模拟人体复杂的运动系统， 其技术难度可想而知，其结构定然是既复 杂又庞大。 问题：我们是否需要机器人完全像人一样 有那么多的自由度？ 5E5,71,78它球2E国

很多机器人是为了实现人体的动作功 能来设计制造的，因此机构上和人体结构 有相似之处。而人体是非常复杂的，有 206块大小、形状各异的骨头，总共有几 百个运动自由度。例如：人的手臂从肩部 到手指共有27个自由度，其中20个自由 度集中在手上，因而人手十分灵巧。众多 的肌肉支持着人体的各种运动，人的腿脚 上有62对肌肉，颈部有15条肌肉，胸部 有52条肌肉，背脊上有112条肌肉……。 要用机械来模拟人体复杂的运动系统， 其技术难度可想而知，其结构定然是既复 杂又庞大。 问题：我们是否需要机器人完全像人一样 有那么多的自由度? 4.2 机器人的机构

42机器人的机神 机器人的自由度 确定点在空间位置一三个坐标。 确定刚体（三维物体，不是一个点）在空 间位置一六个坐标（三个确定空间位置，三个 确定空间姿态)。 需要六个自由度才能将物体放到空间任意 指定位姿（即位置和姿态) 少于六个自由度，机器人的能力将受到相 应限制（自由度越少，限制越多）

机器人的自由度 确定点在空间位置—三个坐标。 确定刚体（三维物体，不是一个点）在空 间位置—六个坐标（三个确定空间位置，三个 确定空间姿态）。 需要六个自由度才能将物体放到空间任意 指定位姿（即位置和姿态）。 少于六个自由度，机器人的能力将受到相 应限制（自由度越少，限制越多）。 4.2 机器人的机构