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机器人工程基础课件

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目录

壹

机器人工程概述

贰

机器人结构组成

叁

机器人编程基础

肆

机器人运动学

伍

机器人感知技术

陆

机器人智能算法

机器人工程概述

第一章

机器人工程定义

机器人工程是一门跨学科领域，涉及机械、电子、计算机科学等多个学科，旨在设计和制造机器人。

机器人工程的学科范畴

机器人工程的核心目标是创造出能够执行复杂任务、具备一定自主性的智能机器人系统。

机器人工程的核心目标

机器人工程的应用广泛，包括工业自动化、医疗辅助、探索太空、家庭服务等多个领域。

机器人工程的应用领域

01

02

03

发展历程与趋势

从1950年代的Unimate到1970年代的工业机器人，早期原型奠定了现代机器人的基础。

早期机器人原型

21世纪初，服务机器人如扫地机器人和医疗辅助机器人开始进入家庭和专业领域。

服务机器人的普及

1980年代，随着人工智能技术的发展，机器人开始具备学习和决策能力。

人工智能的兴起

发展历程与趋势

协作机器人的发展

近年来，协作机器人（Cobot）的出现，使得机器人与人类工作者能够安全地共同工作。

01

02

自主移动机器人的未来

随着传感器技术和机器学习的进步，自主移动机器人在物流、探索等领域的应用前景广阔。

应用领域

机器人在汽车制造、电子产品组装等领域的应用，极大提高了生产效率和精度。

制造业自动化

手术机器人、康复机器人等在医疗领域的应用，为患者提供了更精准和安全的治疗方案。

医疗辅助

机器人在酒店、餐厅等服务行业的应用，如送餐机器人，提升了服务效率和顾客体验。

服务行业

在深海探索、灾难救援等危险环境中，机器人能够执行人类难以完成的任务，保障人员安全。

探索与救援

机器人结构组成

第二章

机械结构设计

关节和连杆是机器人运动的基础，设计时需考虑其灵活性、强度和耐用性。

关节与连杆设计

01

选择合适的材料对于机械结构设计至关重要，需考虑重量、成本和加工难易程度。

材料选择

02

模块化设计可提高机器人的可维护性和可升级性，便于快速更换损坏部件或升级功能。

模块化设计

03

传感器与执行器

01

传感器是机器人感知环境的“感官”，如温度、压力、视觉和听觉传感器，它们使机器人能够响应外部刺激。

02

执行器相当于机器人的“肌肉”，负责执行动作，常见的有电机、液压和气动执行器，它们驱动机器人完成任务。

03

传感器收集数据后，通过控制系统传递给执行器，执行器根据指令做出相应动作，如机器人抓取物体时的协调动作。

传感器的功能与分类

执行器的作用与类型

传感器与执行器的协同工作

控制系统架构

机器人的心脏，负责处理传感器数据，执行决策算法，控制机器人的动作。

中央处理单元

机器人通过各种传感器收集环境信息，如视觉、触觉、听觉等，为控制系统提供数据支持。

传感器集成

执行器接口负责将中央处理单元的指令转化为物理动作，如电机驱动器控制关节运动。

执行器接口

机器人编程基础

第三章

编程语言选择

选择编程语言时需考虑其在机器人领域的适用性，如Python因其易学易用在AI领域广泛使用。

适用性分析

选择有活跃社区和丰富学习资源的语言，如ROS（RobotOperatingSystem）支持的Python和C++。

社区与资源

根据机器人的复杂度和性能需求选择语言，例如C++在处理实时系统和硬件接口方面表现优秀。

性能考量

编程语言选择

考虑编程语言的跨平台能力，以便在不同操作系统和硬件上部署机器人程序。

跨平台能力

选择有良好未来兼容性的语言，确保长期项目的技术支持和升级路径。

未来兼容性

基本编程概念

在编程中，变量是存储信息的容器，数据类型定义了变量可以存储的数据种类，如整数、浮点数等。

01

变量和数据类型

控制结构决定了程序的执行流程，包括顺序执行、条件判断（if-else）和循环（for,while）。

02

控制结构

函数是执行特定任务的代码块，模块是包含多个函数的代码集合，它们使得程序更加模块化和可重用。

03

函数和模块

实际编程案例

通过编写代码实现机器人在未知环境中的自主路径规划，如使用A*算法进行导航。

机器人路径规划

01

开发一个机器人程序，使其能够通过语音识别技术与人类进行简单对话和指令执行。

语音识别交互

02

编写程序让机器人通过视觉系统识别不同物体，并执行相应的抓取动作。

物体识别与抓取

03

实现机器人在移动过程中遇到障碍物时能够自主进行避障，如使用激光雷达数据进行实时避障。

自主避障功能

04

机器人运动学

第四章

运动学基础理论

介绍机器人在运动过程中位移、速度和加速度的基本概念及其在运动学中的重要性。

位移、速度和加速度

区分正运动学和逆运动学的概念，阐述它们在机器人运动控制中的不同应用和计算方法。

正运动学与逆运动学

解释