基于ROS的机器人设计与开发

第1章　机器人概述 随着社会的发展和科技的进步，计算机、自动控制以及人工智能等技术迅速发展，机器人的研究也取得了巨大的突破。机器人就是按照预定程序，执行相应任务的智能化机械设备。通过接收并执行人类的命令，机器人可以辅助甚至取代人类做一些工作，也可以按照预定的规则来运行，进而在加工制造业、建筑业、服务业等行业中发挥重要作用。如今，随着机器人自身性能的不断完善，其应用范围也在不断扩大，从特定的工业加工场景，逐渐扩展到智慧农业、物流运输、城市安防，乃至国防安全等领域。因此，机器人已经得到了世界各国的普遍关注，所涉及的机器人系统和其关键技术的研发也成为当今科学与应用研究的热点。 1.1　机器人简介 1.1.1　机器人的概念 “机器人”一词*早并不是一个严格的专业名词。机器人*早出现在20世纪20年代初期捷克的一个科幻话剧中，该剧虚构了一种名为Robota(捷克语，意为苦力)的机器，可以听从主人的命令并从事各种劳动。实际上，直到20世纪50年代才出现真正能够代替人类进行生产活动的机器人。此后，随着机械、电气、控制以及计算机等相关科学和技术的不断发展，机器人开始大量应用于汽车制造业、电子制造业等工业生产中。 虽然机器人作为名词被提出以及**台工业机器人的出现都是近100年发生的事情，但是人类渴望拥有机器人的梦想却要回溯到3000多年前。据历史记载，早在西周时期，我国的偃师就研制出了能歌善舞的伶人。春秋末期，鲁班(称为“木匠祖师爷”)使用竹子和木料制造出一只木鸟，相传它能在空中飞行，并且可以“三日不下”。国外曾经出现了自动玩偶(现存*早的是200年前的少女玩偶，陈列在瑞士努萨蒂尔历史博物馆里)，这些玩偶是用齿轮和发条制成的，也曾在欧洲风靡一时。由于当时技术条件的限制，玩偶体型都较大。 近代以来，随着**、二次工业革命的发展以及各种机械装置的发明与应用，世界各地出现了越来越多的机器人玩具。它们本质上都是一类由凸轮、连杆组成的机械往复运动机构。此后，机器人的研究与开发渐渐受到更多人的关注，机器人开始沿着实用化的方向发展。 对于机器人的概念，我们主要从两个层面进行理解，一个是通俗意义上的机器人，另一个就要涉及技术层面了。 (1)从通俗意义上讲，机器人是一个可以自动完成工作的自动化装置。它既可以接收人类的命令，也可以执行已编制的程序，还可以按照基于人工智能技术制定的规则运行。 (2)从技术层面上分析，机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多功能于一体的综合机电系统。它集成了传感器、计算机、自动控制以及人工智能等多学科的研究成果，是现代科学技术发展中*活跃的领域之一。 1.1.2　机器人的发展历程 1956年，美国的发明家德沃尔(Devol)和物理学家恩格尔伯格(Engelberger)成立了世界上**家机器人公司，名为Unimation。此后三年，两人又成功发明了世界上**台工业机器人——Unimate(尤尼梅特)，含义为“万能自动”。该机器人的功能与人的手臂类似，可以用来进行搬运、拼装、点焊、喷漆等工作。 1969年，舍曼发明了斯坦福臂，如图1-1所示，这是一种机器人臂。斯坦福臂是世界上**批完全由计算机程序控制的机器人，它的发明是机器人技术发展的里程碑事件。虽然斯坦福臂仅是用于教育的六轴关节机器人，但其计算机程序控制技术开启了工业机器人的新篇章。 图1-2　WABOT-1机器人 图1-1　斯坦福臂 20世纪70年代初期，日本在仿人机器人方面走在世界前列，日本早稻田大学是日本研究机器人较早的大学之一。1967年，该校的加藤实验室启动了极具影响力的WABOT项目，并于1972年诞生了WABOT-1，如图1-2所示。该机器人为具有仿人功能的两足机器人。机器人高约2m，重160kg，拥有肢体控制系统、视觉系统和对话系统，还有四肢，全身共26个关节，可以自主导航和自由移动，甚至可以测量物体之间的距离。手部还装有触觉传感器，这意味着它能抓住和运输物体。WABOT-1是世界上**个全尺寸人形智能机器人，加藤一郎后来被誉为“仿人机器人之父”。 1973年，德国库卡公司发布了**个具有六个机电驱动轴的工业机器人Famulus。1976年，机器人Viking 1和Viking 2登陆火星，它们是众所周知的火星漫游者的先驱。特别之处是它们由热电发电机提供动力(该发电机利用衰变钚释放的热量提供电能)。1976年，东京工业大学发明了Shigeo-Hirose软钳机器人，它可以自动适应抓取物体的外部形状，其设计思想源于对自然界柔性结构的仿生研究，如象鼻等。 20世纪80年代，机器人正式进入了普通民众的消费市场，大部分都是简单的玩具。其中，机器人玩具OmniBot 2000风靡一时，如图1-3所示。该机器人具有远程控制功能，配备了一个托盘，用于摆放饮料和零食。另一个备受追捧的机器人玩具是任天堂的R.O.B，它是任天堂娱乐系统的机器人播放器，可以响应六种不同的命令。 1989年，麻省理工学院成功研制了一种名为Genghis(成吉思汗)的六足机器人，如图1-4所示，它拥有12个伺服电机和22个传感器，足式运动可以帮助它穿越各种不平整的地形，被认为是具有里程碑意义的机器人之一。 图1-3　机器人玩具OmniBot 2000 图1-4　六足机器人Genghis 1997年，旅居者号Sojourner漫游车(以非裔美国人活动家Truth的名字命名)登陆火星(图1-5)，该车探索了约250m2的火星表面，并回传了550张火星照片。 2000年，美国麻省理工学院人工智能实验室仿人机器人小组研制了一款*早出现的社交机器人Kismet，能够识别和模拟人的情绪。同年，本田的人形机器人ASIMO登上舞台，如图1-6所示，该机器人是一种智能仿人机器人，它能够散步、交谈、跟陌生人握手等。 图1-5　机器人Sojourner 图1-6　机器人ASIMO 21世纪初，“勇气号”机器人被美国国家航空航天局送到火星表面。该机器人安装了高性能计算机和高清摄像头，这代表移动机器人技术的研发进入了新阶段。2005年，受陆军研究实验室支持，波士顿动力公司发布了新一代“机械狗”BigDog军用移动机器人，如图1-7所示。它设计成一种军用负重机器人野兽，身体上装有50个传感器。BigDog不使用轮子，而是使用四条腿进行运动，从而使它在复杂地形中保持了良好的通行能力。该机器人可以在战场上为士兵运送补给物品，具有较强的载重和平衡能力，能够避开复杂地形中的各种障碍进而完成任务。 2019年，麻省理工学院新推出的机器人Cheetah(猎豹)如图1-8所示，从外形上来看，它就像一只看不到脑袋的猎豹。该机器人拥有超强的运动能力，可以完成360°的后空翻动作，是首*实现了后空翻的四足机器人。它的行走速度大约是普通人行走速度的两倍。该机器人具有自平衡能力，即使被推倒也能快速恢复站立姿态。 图1-7　波士顿“机械狗”BigDog 图1-8　机器人Cheetah(猎豹) 我国工业机器人始于20世纪70年代初，前后经历了摇篮期、成长期和高速发展期。70年代初，在时任中国科学院(中科院)沈阳自动化研究所所长蒋新松教授的推动和倡导下，我国开展了中国机器人技术方面的早期探索和研究，在机器人控制算法和控制系统设计等方面取得了一定的突破。 1977年，我国**个以机器人为主题的全国机械手技术交流大会在浙江嘉兴召开；其后的几年间，我国开始不断与国际上的机器人专家展开学术交流，从而加快了我国机器人发展的脚步。此后，多个省市对机器人及其相关应用工程项目进行了专项扶持，其中哈尔滨工业大学就在国家和地方支持下对焊接机器人展开了研发。 1982～1984年，中科院沈阳自动化研究所成功建成了机器人工程中心，主要研发智能机器人和水下机器人。1985年，上海交通大学机器人研究所自主研制了“上海一号”弧焊机器人，这是中国**台6自由度关节机器人。1988年，该所完成了“上海三号”机器人的研制。20世纪80年代末，国防科技大学开始组织对汽车无人驾驶技术的攻关，并于1992年研制出国内**辆无人驾驶汽车。 1994年，中科院沈阳自动化研究所联合多家单位成功研制了我国**台无缆水下机器人“探索者号”。整个机器人由水上和水下两个部分组成，包含载体、电控、声学、导航等系统，涉及水声通信、自动驾驶、导航定位、多传感器融合、高效深潜、水面收放等多项先进技术。它的成功研制标志着我国水下机器人技术已慢慢走向成熟。在“探索者号”的基础上，中科院近年来又研制出了高级智能水下机器人——“大黄鱼”。它拥有着萌萌的外观和高超的深潜技术，而其*大的亮点就是可以自主决策是继续航行还是回收。经过水下实验后，“大黄鱼”也成为海洋科考的新利器。 进入21世纪，我国机器人的研究迈向全面发展时期。国防科技大学历时10年，于2000年成功研制出了我国**个仿人机器人——“先行者”。就像其名字描述的那样，“先行者”可以实现行走的功能，它行走时较灵活，既可以稳步前进，又可以自如地转弯、上坡，还可以适应一些小偏差、不确定的环境。成立于2000年的新松机器人自动化股份有限公司研制出了具有自主知识产权的上百种机器人产品，涉及服务机器人、特种机器人、工业机器人和移动机器人等。 2003年，清华大学在室外机器人研究平台THMR-Ⅲ的基础上研发出智能车THMR-Ⅴ，如图1-9(a)所示，它能够利用多传感器融合信息进行局部和全局规划，实现结构化环境下的车道线自动跟踪、远程视觉遥控等功能。2009年，由国家自然科学基金委员会主办的“中国智能车未来挑战赛”在西安拉开帷幕，此后该项赛事持续举办，不断展示我国智能车研究的*新进展。2015年，百度开始大规模投入无人驾驶汽车技术研发，随后发布了一项名为“阿波罗”的新计划，目的就是面向汽车行业提供一套完整、开放、安全的开源软件平台，帮助车企快速搭建一套属于自己的自动驾驶系统。 图1-9　国内机器人成果 2018年，浙江大学发布了自主研制的四足机器人——“绝影”，如图1-9(b)所示。它具有较强的感知和运动能力，掌握了跑跳、爬梯、自主蹲下再站起来等许多能力，即使摔倒在地，也能够自动调整身体方位重新站立。2019年“玉兔二号”月球车(图1-9(c))与2021年“祝融号”火星车(图1-9(d))的成功着陆，标志着我国在空间探测领域取得巨大进展，它们不仅搭载着多种探测仪器，还可以通过与中继卫星的通信完成环境感知与路径规划功能，安全到达指定地点。 1.1.3　机器人的分类 从结构上看，机器人包含传感器、操作器、控制系统、机械传动等部分。但是由于机器人的应用环境、移动方式的不同，其具体的实现形式也是千差万别的。因此，下面将从不同的角度对机器人的类别进行探讨。 (1)根据移动方式来分，机器人可分为轮式、履带式、足式、爬行式和特殊式(如吸附式、轨道式)等类型。轮式机器人可以在平坦路面上高速移动。缺点是在松软路面上轮子容易打滑，且无法适应复杂地形。履带式机器人的履带与地面接触面积大、较平稳，能更好地适应松软地形，如沙地、泥地。缺点是对高低落差较大的地形无能为力。足式机器人适于凹凸不平的地面环境，几乎可以适应各种复杂地形。缺点是行进速度较慢，且重心高，易侧翻。蛇形机器人属于爬行式，它具有稳定性好、横截面小、柔性好等特点，能够在弯曲的狭小空间移动，并可攀爬障碍物。特殊式机器人主要适应特殊场合，如管道爬行。 (2)根据功能和用途来分，机器人可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。工业机器人具有一定的自动能力，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能，常见于工业多关节机械手