《机器人编程基础》课件

《机器人编程基础》课程目标了解机器人基本概念学习机器人编程基础掌握机器人仿真与硬件设计掌握机器人的定义、分类、发展历史以掌握机器人编程语言、程序设计流程、学习使用机器人仿真软件，设计简单机及基本结构常用数据类型和控制语句器人硬件系统并进行控制机器人的定义和分类定义分类机器人是一种能够自动执行任务按用途分类工业机器人、服务的机器，通常由机械结构、传感机器人、医疗机器人等按结构器、驱动系统和控制系统组成分类关节型机器人、直角坐标机器人、SCARA机器人等机器人的发展历程1990s1950s人工智能技术发展，机器人开始具备感知、学习和决策能早期机器人雏形出现，主要用于工业生产自动化力12341970s21世纪微处理器技术应用于机器人控制系统，机器人开始进入工机器人技术不断发展，应用领域不断扩展，包括服务、医业领域疗、教育等机器人的基本结构机械结构传感器包括机身、关节、末端执行器等，负用于感知环境信息，例如位置、速责运动和承载任务度、力、温度等驱动系统控制系统为机械结构提供动力，例如电机、液负责接收传感器信息、处理指令、控压缸等制驱动系统机器人传感器位置传感器速度传感器力传感器测量机器人关节或末端执行器的位置，测量机器人关节或末端执行器速度，例测量机器人与物体之间的接触力，例如例如编码器、电位计如速度计、加速度计力传感器、应变计机器人驱动系统电机最常见的机器人驱动系统，例如直流电机、交流电机、伺服电机液压系统用于大型机器人，具有高功率和高扭矩的特点，但体积较大气动系统用于小型机器人，具有响应速度快、成本低的特点，但功率较小机器人控制系统硬件1包括微处理器、存储器、接口等，负责处理传感器数据和控制驱动系统软件2包括操作系统、控制算法、机器人程序等，实现机器人的控制功能人机交互3用户可以通过人机界面与机器人进行交互，例如键盘、鼠标、触摸屏等机器人编程基础编程语言1用于编写机器人控制程序，例如C++、Python、Java等程序设计流程2包括分析需求、设计算法、编写代码、调试测试等步骤机器人程序3控制机器人的动作、传感器数据处理、与外部环境交互等程序设计流程12需求分析算法设计确定机器人需要完成的任务和功能设计解决问题的步骤和方法，例如运动控制算法、路径规划算法34代码编写调试测试使用编程语言将算法实现成代码测试代码功能，排查错误，确保程序能够正常运行变量和数据类型变量整数类型浮点数类型字符串类型用于存储数据的容器，在程序用于存储整数，例如

1、

2、用于存储实数，例如

1.

23、-用于存储文本数据，例如运行过程中可以改变其值

3、-

1、-

24.

56、

0.001hello world、机器人编程语句和表达式语句表达式程序的基本执行单元，例如赋值语句、控制语句、输出语句用于计算结果，例如算术表达式、逻辑表达式、关系表达式分支控制语句1if语句2else语句3elseif语句根据条件执行不同的代码块当if条件不满足时执行的代码块用于多个条件判断，依次判断条件是否满足循环控制语句1for循环2while循环重复执行代码块一定次数重复执行代码块，直到条件不满足3do-while循环至少执行一次代码块，然后判断条件是否满足函数和过程函数过程将一段代码封装起来，可以重复类似于函数，但没有返回值，主使用，提高代码复用率要用于执行特定的操作数组和字符串数组字符串用于存储相同类型的一组数据，例如存储多个机器人关节角度用于存储文本数据，例如存储机器人名称、任务描述等文件操作文件打开使用编程语言打开文件，例如打开机器人配置文件文件读写从文件中读取数据或写入数据，例如读取传感器数据或写入机器人轨迹文件关闭关闭打开的文件，释放资源异常处理异常1程序运行过程中发生的错误，例如除零错误、文件操作错误等异常处理2使用编程语言的异常处理机制，捕获并处理异常，避免程序崩溃异常处理机制3try-catch语句块，用于捕获异常并执行相应的代码面向对象编程类1定义对象的模板，包含数据和方法对象2类的实例，表示现实世界中的具体事物继承3子类继承父类的属性和方法，实现代码复用多态4同一个方法在不同对象中可以有不同的实现方式机器人仿真软件介绍12功能优势模拟机器人运动、传感器数据、环境降低开发成本、提高效率、缩短开发交互等周期3常用软件Gazebo、V-REP、Webots等机器人仿真案例实践案例1案例2模拟机器人抓取物体的运动轨迹模拟机器人导航路径规划机器人硬件设计机械结构设计电子电路设计设计机器人的机身、关节、末端执行器等设计控制系统、传感器接口、电源电路等机器人电机控制电机驱动位置控制为电机提供电流，控制电机转控制电机转动到指定位置速和方向速度控制扭矩控制控制电机转动速度控制电机输出扭矩机器人运动学正运动学已知机器人关节角度，求解末端执行器的位置和姿态逆运动学已知末端执行器的位置和姿态，求解机器人关节角度机器人动力学动力学模型动力学控制描述机器人运动和力的关系，用根据动力学模型，设计控制算于分析和控制机器人运动法，实现机器人精确的运动控制机器人传感器集成传感器数据采集数据预处理从传感器获取数据，例如位置、速对传感器数据进行过滤、校正、补偿度、力、温度等等处理数据融合将来自多个传感器的數據进行融合，提高感知精度机器人视觉系统图像采集图像处理视觉控制使用摄像头或其他视觉传感器获取图像对图像数据进行处理，例如识别物体、利用视觉信息控制机器人运动，例如抓数据提取特征取目标物体、避障机器人导航与路径规划环境建模路径规划算法12构建机器人的工作环境模型，根据环境模型，规划机器人的例如地图、障碍物信息运动路径，例如A*算法、Dijkstra算法路径跟踪控制3控制机器人沿着规划的路径运动工业机器人应用应用1应用2工业生产自动化，提高效率和质量焊接、喷涂、搬运等服务机器人应用应用1应用2家庭服务，例如清洁、烹饪、陪伴商业服务，例如酒店服务、餐饮服务医疗机器人应用应用1应用2外科手术，例如微创手术、精准手术辅助诊断、康复治疗等机器人伦理与安全伦理问题安全问题机器人是否应该拥有自主意识，如何避免机器人伤害人类如何确保机器人安全可靠地运行，避免意外发生机器人未来发展趋势人工智能化人机协作机器人将更加智能，具备自主机器人将与人类合作，共同完学习、决策的能力成任务应用领域扩展机器人应用领域将不断扩展，例如农业、能源、环境等案例分享自动驾驶1技术挑战环境感知、路径规划、决策控制等应用前景提高交通效率、降低事故率、改变出行方式案例分享机器人外科手术2优势应用领域微创、精准、操作灵活肿瘤手术、心脏手术、神经外科手术等案例分享智能家居3应用场景未来发展智能照明、智能门锁、智能家电机器人将成为家庭成员，提供个控制等性化的服务课程总结课程内容回顾1从机器人基础概念到编程技术、仿真设计、应用领域，以及未来发展趋势学习收获2对机器人技术有了初步的了解，掌握了机器人编程的基本技能未来展望3随着机器人技术的不断发展，未来将会有更多令人期待的应用场景出现课后练习123编程练习仿真练习思考题编写一个简单机器人控制程序，例如控制使用机器人仿真软件模拟机器人运动，并思考机器人未来发展趋势，以及机器人伦机器人手臂运动进行调试理与安全问题答疑交流欢迎提问交流讨论对课程内容有任何疑问，欢迎随时提问期待与大家一起交流机器人技术，分享经验。