第二十五章机器人学.PPTVIP

第二十五章 機器人學 25.1 引言 25.2 任務:機器人適合做什麼? 25.3 零件:機器人由什麼造成? 25.4 架構 25.5 組態空間:一個分析的結構 25.6 導航和動作規劃 25.1 引言 美國機器人協會將機器人（robot）定義為一個可程式化的多功能操控者，設計來移動材料、零件、工具、或特定的裝置，經由可變動的程式化動作達到各種工作的效能。這項定義並不很嚴格；一個具有雙速開關的輸送帶大概也能滿足這項定義。 25.2 任務：機器人適合做什麼？ 雖然人類幾乎都用同樣的身體做各種各樣的事情，機器人的設計卻因為所要執行的任務而有很大的差異。本節當中我們瀏覽並描述一些任務，下一節則探討造成機器人主體的可用部份（作用器與感應器）。 製造業與材料處理 製造業似乎是機器人的傳統領域。生產線重複性的工作是自主性本質上適合的目標，因此在1954年George Devol取得可程式機械臂的專利，基於同樣的技術──在卡片上打孔──也用在150年前的Jacquard織布機。 庶務機器人 行動代理人（mobots）的用途也越來越廣泛。兩項主要的應用是建築物的導遊，特別是醫院，以及作為保全守衛。有一家公司賣出超過3000個郵件行動代理人“mailmobile“。這些機器人負責從電腦終端機提出要求，並帶著文件或供應品到該建築物之外的某個目的地。 危險的環境 行動機器人是一項可在危險環境中降低人類生命風險的重要技術。在車諾比（Chernobyl）輻射清除期間，許多月球車的月球探索者機器人被改造成遙控的清潔車。在日本和法國，機器人被用於核能工廠的常態性維護。 遠端呈像以及虛擬實境 當電腦的分布領域從科學/商業應用發展到消費者科技，遠端呈像和虛擬實境仍繼續迷惑大眾的想像力。待在家裡並能夠感受到外界環境的想法，不論真實（遠端呈像）或虛構（虛擬實境）都很引人注目，並且是某些電腦和娛樂業主要行動的背後驅動力。 擴增人類的能力 遠端呈像的先驅包括將人類放入一個大而強的機器人之中。在1969年，通用電子建立四足行走機器（Quadrupedal Walking Machine），一個11隻腳，300磅重的機器人，有一個控制帶，人類操作員就被綁在帶上。計畫領導人Ralph Mosher強調人機關係“如此接近，有經驗的操作員開始覺得那些機械腳就像是他自己的。 25.3 零件：機器人由什麼造成？ 機器人可用它們所配備的作用器和感應器而與其他機器人做區分。例如，一個行動機器人要求某種腿或輪子，而一個遠端操作機器人需要一部攝影機。連接於機器人的最後連結是終端作用器（end effectors），機器人可用來與環境互動。終端作用器可能是有吸管的杯子、夾子、螺絲起子、焊槍、或噴霧器，諸如此類。 作用器：行動的工具 一個作用器是任何能夠影響環境的裝置，並受機器人控制。若要對於實際環境有影響，作用器就必須配備能將軟體命令轉變為實際動作的促動器（actuator）。促動氣本身通常都是電力馬達或是水壓或氣壓幫浦的汽缸。為了簡化起見，我們假設每個促動器決定單一的行動或自由度（degree of freedom）。 移動（locomotion） 大多數陸地上的動物用腳移動。腳的移動對機器人而言很困難，因此只用在特定的情況。最明顯的應用是在具有大型障礙物的粗糙地形行動。 有時候機器人的設計讓移動的控制顯得很困難。讓一輛有多節拖車、且每節拖車都有輪子的車倒車已超出大部分人類的能力範圍；因此一些大型消防車為後面的輪胎裝備第二個傳動輪，讓倒車容易些。消防車只有一節，但是在任何現代機場都可以看到兩節拖車的例子。離開登機門的時候，大部分的飛機都是由一個降落輪接駁車所驅動。 操控（manipulation） 現在回到操控器（manipulator），在環境中移動物體的作用器。機器人操控器的前身是可讓人類操控危險材料的遠端操作機制，模仿人類手臂的幾何學。早期的機器人大體上遵循這項前例，並且有擬人化的運動學。廣義地定義，運動學（kinematics）是促動器在某種機制當中，彼此動作間的一致性以及造成不同部位之動作的研究。 機器人操控器的末端是終端作用器（end effector），可與環境中的物體直接互動。它可能是螺絲起子或其他工具，一把焊槍、噴漆器、或是夾握器。不同的夾握器複雜度差異也很大。兩指和三指的夾握器在製造業幾乎能提供大部分的任務所需。這些夾握器的機械性很單純，使得它們具有很高的可信度，並且容易控制，這兩項對於製造業都是很重要的性質。 感應器：認知的工具 第24章涵蓋了認知的一般概念，並以視覺作為主要的範例。在本節當中，我們敘述其他可為機器人提供知覺的感應器種類。 本體感受（Proprioceptio