科技前沿,仿真機(jī)器人

1、最 特 別 的 機(jī) 器 人 科 技 刖 沿課程 院系 專(zhuān)業(yè) 學(xué)號(hào) 姓名最特別的機(jī)器人科技前沿【摘要】機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)全人類(lèi)的發(fā)展具有巨大的影響，機(jī)器在很多 領(lǐng)域代替了人類(lèi)自己操作，使人類(lèi)的生產(chǎn)能力有了巨大的提高。隨著智能機(jī)器人 的研發(fā)，機(jī)器人將進(jìn)一步為人類(lèi)服務(wù)，本文主要從不同的角度來(lái)探討仿真機(jī)器人 的科技原理、應(yīng)用、影響等?！娟P(guān)鍵字】機(jī)器人；仿真系統(tǒng)；應(yīng)用；影響；發(fā)展在人類(lèi)的發(fā)展史中，機(jī)器人扮演著一個(gè)十分重演的角色，特別是現(xiàn)代機(jī)器人。 首先讓我們來(lái)看看機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史。追根溯源，早在三千多年前的西周時(shí)代， 我國(guó)就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱(chēng)為“倡者”，這可能是世界上最早的“機(jī)器人”。 在近代

2、，隨著第一次、第二次工業(yè)革命，各種機(jī)械裝置的發(fā)明與應(yīng)用，世界各地 出現(xiàn)了許多“機(jī)器人”玩具和工藝品。這些裝置大多由時(shí)鐘機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，用凸輪和杠 桿傳遞運(yùn)動(dòng)。1920年，捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了 ROBOT （漢語(yǔ)前譯為“勞伯”）這個(gè)名詞。現(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專(zhuān)用名詞。1950 年美國(guó)作家I.阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)（Robotics）這一概念，并提出了所謂的 “機(jī)器人三原則”，艮即： 1.機(jī)器人不可傷人；2.機(jī)器人必須服從人給與，但不和（1） 矛盾的指令；3.在與（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身 不受傷害。上世紀(jì)50，60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，

3、機(jī)器人進(jìn)入 了使用化階；70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能 技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展；進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺(jué) 傳感器、非視覺(jué)傳感器（力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出 現(xiàn)了第二代機(jī)器人一有感覺(jué)的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分有 關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)隨著時(shí) 代的發(fā)展，入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。科學(xué)技術(shù)日新月異。我們的生活無(wú)時(shí)無(wú)刻不在被新科學(xué)新技術(shù)影響著、改變 著。特別是機(jī)器人的到來(lái)更是給我們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的改變，特別是工 業(yè)機(jī)器人在日本大力發(fā)展之后，機(jī)器人的發(fā)展

4、迎來(lái)了一個(gè)新的春天。到了上世紀(jì) 80年代，隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)也在不斷地研發(fā)更人性化的機(jī)器人，于是科學(xué) 家們開(kāi)始了研究一種新的機(jī)器人一一仿真機(jī)器人。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上 有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。既 然有了技術(shù)，人類(lèi)就想最大化利用他們，讓他們具有更大的價(jià)值，于是人們將機(jī) 器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成 了各式各樣的新機(jī)器一一仿真機(jī)器人?？吹椒抡鏅C(jī)器人這幾個(gè)字，就能想到仿真技術(shù)是他的核心技術(shù)，那么下面就 針對(duì)機(jī)器人仿真技術(shù)和仿真設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹一下。機(jī)器人系統(tǒng)仿真是指通過(guò)計(jì)

5、算機(jī) 對(duì)實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬的技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行 模擬。機(jī)器人系統(tǒng)仿真可以通過(guò)單機(jī)或多臺(tái)機(jī)器人組成的工作站或生產(chǎn)線。 仿真可以通過(guò)交互式計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論等，在計(jì)算機(jī)中生成 機(jī)器人的幾何圖形，并對(duì)其進(jìn)行三維顯示，用來(lái)確定機(jī)器人的本體及工作 環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)仿真，可以在制造單機(jī)與生產(chǎn)線之前模擬 出實(shí)物，縮短生產(chǎn)工期，可以避免不必要的返工。在使用的軟件中，工作 站級(jí)的仿真軟件功能較全，實(shí)時(shí)性高且真實(shí)性強(qiáng)，可以產(chǎn)生近似真實(shí)的仿 真畫(huà)面；而微機(jī)級(jí)仿真軟件隨實(shí)時(shí)性和真實(shí)性不高，但具有通用性強(qiáng)、使 用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前機(jī)器人系統(tǒng)仿真所存在的主要問(wèn)題是仿真造型與實(shí)

6、際 產(chǎn)品之間存在誤差，需要進(jìn)一步的研究解決。那么機(jī)器人仿真到底應(yīng)用在哪呢？機(jī)器人仿真主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：一是機(jī) 器人本身的設(shè)計(jì)和研究，這里機(jī)器人本身包括機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人的控 制系統(tǒng)，它們主要包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。各種規(guī)劃和控制方法的研 究等。機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為這些研究提供靈活和方便的研究工具，它的用戶主要 是從事機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的部門(mén)和高等學(xué)校。機(jī)器人仿真的第二個(gè)方面的主要應(yīng) 用是那些以機(jī)器人為主體的自動(dòng)化生產(chǎn)線，它包括機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)、機(jī)器人 的選型、離線編程和碰撞檢測(cè)等。機(jī)器人可為此提供既經(jīng)濟(jì)又安全的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 的手段，它的用戶主要是那些使用機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)部門(mén)。目前，用

7、于這方面的機(jī)器 人仿真系統(tǒng)最常見(jiàn)的ROBCAD和IGRIP。下面以機(jī)器人離線編程為例來(lái)說(shuō)明機(jī)器 人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。機(jī)器人是一種通用機(jī)械，通過(guò)重新編程，它可以完成不同 的工作任務(wù)當(dāng)機(jī)器人改變工作任務(wù)時(shí)，通常需中斷機(jī)器人的當(dāng)前工作，先對(duì)機(jī) 器人進(jìn)行示教編程，然后機(jī)器人按照新的程序執(zhí)行新的工作.若借助于機(jī)器人仿 真系統(tǒng).就是可首先在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行離線編程，然后將編好的程序裝到機(jī)器人 中，機(jī)器人便可按照新的程序執(zhí)行新的工作，因此，機(jī)器人可不必中斷當(dāng)前的工 作，從而提高了生產(chǎn)效率，而且這種方法既經(jīng)濟(jì)又安全。利用機(jī)器人仿真系統(tǒng)進(jìn) 行離線編程在國(guó)外已十分普遍，它是機(jī)器人仿真系統(tǒng)應(yīng)用最普遍和最典型的例 子。機(jī)

8、器人仿真系統(tǒng)的另外一個(gè)應(yīng)用是它可以用于機(jī)器人的教學(xué)和培訓(xùn)。機(jī)器人 是一個(gè)比較昂貴的設(shè)備，在進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)時(shí)，不可能用許多實(shí)際的機(jī)器人來(lái)作 為教學(xué)和培訓(xùn)的試驗(yàn)設(shè)備，機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為此提供一個(gè)方便和靈活的試驗(yàn)工 具和手段。國(guó)外很早便認(rèn)識(shí)到機(jī)器人仿真在機(jī)器研究和應(yīng)用方面的重要作用，并從70 年代開(kāi)始進(jìn)行了這方面的研究工作。在許多從事機(jī)器人研究的部門(mén)都裝備有功能 較強(qiáng)的機(jī)器人仿真軟件系統(tǒng)，它們?yōu)闄C(jī)器人的研究提供了靈活和方便的工具，比 如，美國(guó)Cornell大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的交互式機(jī)器人圖形仿真系INEFFABELLE， 它不是針對(duì)某個(gè)具體機(jī)器人，而是利用它可以很容易建立所需要的機(jī)器人及環(huán)境 的模型

9、，并且具有圖形顯示和運(yùn)動(dòng)的功能，它能進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的分析、綜合及 離線編程。美國(guó)Maryland大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)和分析的工具，它能產(chǎn)生 機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)需要可以自動(dòng)產(chǎn)生F0RTRAN的仿真程序，同時(shí)也可 產(chǎn)生符號(hào)表示的雅可比矩陣MIT開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人CAD軟件包OPTARM H，它可 用于時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的研究。Michigan大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人圖形編程系統(tǒng) PR0GREss，其特點(diǎn)是菜單驅(qū)動(dòng)和光標(biāo)控制，并能有219圖形符號(hào)來(lái)仿真外界 的傳感器和執(zhí)行部件，以使用戶獲得更加接近真實(shí)的編程環(huán)境。國(guó)內(nèi)從80年代后期起，許多單位也開(kāi)始從事機(jī)器人仿真技術(shù)的研究工作。 在國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃自

10、動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器凡號(hào)題中，清華大學(xué)浙江大學(xué)、沈陽(yáng)自 動(dòng)化所及上海受大等單位承擔(dān)了機(jī)器人系統(tǒng)仿真的研制任務(wù)，取得了多項(xiàng)研究成 果，本文后面還將對(duì)此工作專(zhuān)門(mén)介紹。哈工大、北航、國(guó)防科大等單位承擔(dān)了機(jī) 器人機(jī)構(gòu)仿真的任務(wù)，攝后也研制成功一個(gè)大型的機(jī)器人仿真軟件。還有不少單 位針對(duì)某一具體方面進(jìn)行了廣泛深入的機(jī)器人仿真技術(shù)的研究。如今機(jī)器人足球比賽是一個(gè)有趣且復(fù)雜的新興人工智能研究領(lǐng)域，他融合了 實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人控制、無(wú)線通訊、多機(jī)器人控制等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，為人 工智能和智能控制的理論學(xué)習(xí)與研究及多種技術(shù)的集成應(yīng)用提供了相當(dāng)好的實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)足球機(jī)器人系統(tǒng)的2種主要工作模式進(jìn)行了比較和分析，并討論

11、了仿 真比賽的機(jī)制，對(duì)于分布式人工智能理論的研究具有重要意義。仿真機(jī)器人的發(fā)展體現(xiàn)了近幾年科技在不斷地快速發(fā)展，任何事物都具有兩 面性，發(fā)展快了，可能會(huì)是人類(lèi)進(jìn)步的腳步加快，也可會(huì)是把握不住方向，失去 控制。不過(guò)考慮這些好像還有點(diǎn)早。就只針對(duì)仿真機(jī)器人來(lái)說(shuō)，我還是比較有信 心的，比較看好他?？萍疾粩嘣谶M(jìn)步，仿真機(jī)器人的技術(shù)也會(huì)不斷的完善，相信 不久的將來(lái)仿真機(jī)器人就會(huì)來(lái)到我們的身旁，日本已經(jīng)出現(xiàn)了仿真機(jī)器人保姆 等，或許以后人類(lèi)不用自己動(dòng)手做飯，不用自己開(kāi)車(chē)，小孩也不用自己帶了，都 交給仿真機(jī)器人了，或許以后不再有學(xué)校，學(xué)習(xí)知識(shí)只用跟著仿真機(jī)器人學(xué)習(xí)就 好了，它可能是最稱(chēng)職的導(dǎo)師了，呵呵。再向遠(yuǎn)處想想，或許在將來(lái)機(jī)器人總 動(dòng)員瓦力里面的場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)，那就有點(diǎn)可怕了，人們什么都不用干，吃的喝的 召之即來(lái)，衣服顏色自動(dòng)換，走路不用走最后人類(lèi)離開(kāi)了機(jī)器什么都干不了，臉