機(jī)器人和科技創(chuàng)新的科技前沿2000字

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最特殊的仿真機(jī)器人科技前沿學(xué)號(hào)：

專業(yè)：管理科學(xué)與工程姓名：趙永杰

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作為最新的一門科技學(xué)技術(shù)，仿真機(jī)器人的消失，是近幾年來科技進(jìn)展的重大突破和進(jìn)步，本文從不同的角度來探討仿真機(jī)器人的科技原理、應(yīng)用、影響等。

隨著時(shí)代的進(jìn)展，科學(xué)技術(shù)日新月異。我們的生活無時(shí)無刻不在被新科學(xué)新技術(shù)影響著、轉(zhuǎn)變著。在人類的進(jìn)展史中，機(jī)器人扮演著一個(gè)非常重演的角色，特殊是現(xiàn)代機(jī)器人。現(xiàn)代機(jī)器人的討論始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的進(jìn)展，以及原子能的開發(fā)利用。自1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向進(jìn)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的掌握、機(jī)械零件的討論又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能試驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國原子能委員會(huì)的阿爾貢討論所于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。

因此，機(jī)器人的到來給我們的生活和生產(chǎn)帶來了很大的轉(zhuǎn)變，特殊是工業(yè)機(jī)器人在日本大力進(jìn)展之后。機(jī)器人的進(jìn)展迎來了一個(gè)新的春天，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的美稱”。然而怎樣才能讓機(jī)器人能更加接近人類，更加有效的為人類服務(wù)呢？于是科學(xué)家們開頭了討論一種新的機(jī)器人——仿真機(jī)器人。

一、仿真機(jī)器人的消失。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速進(jìn)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)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的進(jìn)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念的延長。80年月，將具有感覺、思索、決策和動(dòng)作力量的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的討論和應(yīng)用，而且又給予了機(jī)器人技術(shù)向深廣進(jìn)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，很多幻想成為了現(xiàn)實(shí)。無論機(jī)器人從外部特征如何近似人類，如何將機(jī)器人打開，其中一堆簡單的連線則與人體內(nèi)部有著天壤之別。來自歐洲的討論小組目前著眼于縮小機(jī)器人與人類之間的差別，意味著將來的機(jī)器人將給予更多的人性化特征。他們研制的新型機(jī)器人的“骨骼”是由熱塑性聚合物和促動(dòng)器構(gòu)成的，響應(yīng)每一塊肌肉和類似筋腱的線路的運(yùn)動(dòng)。他們的目標(biāo)是建立更接近人類的機(jī)器人，能夠像人類一樣與所處環(huán)境作出交互反應(yīng)。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、掌握技術(shù)等）集中和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器——仿真機(jī)器人。

二、機(jī)器人仿真技術(shù)的應(yīng)用。

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)和討論，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)器人的掌握系統(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)劃和掌握方法的討論等。機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為這些研2

究供應(yīng)敏捷和便利的討論工具，它的用戶主要是從事機(jī)器人設(shè)計(jì)和討論的部門和高等學(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)器人可為此供應(yīng)既經(jīng)濟(jì)又平安的設(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。目前，用于這方面的機(jī)器人仿真系統(tǒng)最常見的ROBCAD和IGRIP。下面以機(jī)器人離線編程為例來說明機(jī)器人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。機(jī)器人是一種通用機(jī)械，通過重新編程，它可以完成不同的工作任務(wù)當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)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)器人根據(jù)新的程序執(zhí)行新的工作．若借助于機(jī)器人仿真系統(tǒng)．舅4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)器人便可根據(jù)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)又平安。利用機(jī)器人仿真系統(tǒng)進(jìn)行離線編程在國外已非常普遍，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)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)，不行能用很多實(shí)際的機(jī)器人來作為教學(xué)和培訓(xùn)的試驗(yàn)設(shè)備，機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為此供應(yīng)一個(gè)便利和敏捷的試驗(yàn)工具和手段。

機(jī)器人仿真對(duì)于遙控操作機(jī)器人有著特別的應(yīng)用。1993年德國空間討論機(jī)構(gòu)在美國的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了搭載試驗(yàn)，其中一項(xiàng)內(nèi)容便是地面操作人員對(duì)在航天飛機(jī)上的空間機(jī)器人進(jìn)行遙控操作，由于從地面到空間的信號(hào)傳輸來回時(shí)間達(dá)7秒鐘。對(duì)于這么大的延時(shí)，通過手控操作來遙控機(jī)器人明顯是特別困難的。解決這個(gè)大延時(shí)間題的唯一有效的途徑是利用三維圖形實(shí)時(shí)仿真。即通過對(duì)空間機(jī)器人及四周環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，建立一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，操作人員對(duì)仿真圖形進(jìn)行操作。由于操作人員與仿真圖形之間不存在延時(shí)，因而這種掌握是特別簡單的。而實(shí)際的機(jī)器人則在幾秒鐘后跟著仿真圖形的動(dòng)作而動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了地面掌握人員對(duì)空問機(jī)器人的遙控操作，有效地解決了大時(shí)延的問題。這里機(jī)器人三維實(shí)時(shí)圖形仿真起到了關(guān)鍵的作用。目前我國已開頭從事這方面的討論工作。

三、機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)與機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)。

機(jī)器人系統(tǒng)仿真是指通過計(jì)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，用來確定機(jī)器人的本體及工作環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過程。通過系統(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，可以避開不必要的返工。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)、使用便利等優(yōu)點(diǎn)。目前機(jī)器人系統(tǒng)仿真所存在的主要問題是仿真造型與實(shí)際產(chǎn)品之間存在誤差，需要進(jìn)一步的討論解決。

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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)和討論，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)器人的掌握系統(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)劃和掌握方法的討論等。機(jī)器人仿真系統(tǒng)可為這些討論供應(yīng)敏捷和便利的討論工具，它的用戶主要是從事機(jī)器人設(shè)計(jì)和討論的部門和高等學(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)器人可為此供應(yīng)既經(jīng)濟(jì)又平安的設(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。目前，用于這方面的機(jī)器人仿真系統(tǒng)最常見的ROBCAD和IGRIP。下面以機(jī)器人離線編程為例來說明機(jī)器人仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。機(jī)器人是一種通用機(jī)械，通過重新編程，它可以完成不同的工作任務(wù)當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)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)器人根據(jù)新的程序執(zhí)行新的工作．若借助于機(jī)器人仿真系統(tǒng)．舅4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)器人便可根據(jù)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)又平安。利用機(jī)器人仿真系統(tǒng)進(jìn)行離線編程在國外已非常普遍，它是機(jī)器人仿真系統(tǒng)應(yīng)用最普遍和最典型的例子。

四、機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)展概況。

國外很早便熟悉班機(jī)器人仿真在機(jī)器討論和應(yīng)用方面的重要作用，并從70年月開頭進(jìn)行了這方面的討論工作。在很多從事機(jī)器人討論的部門都裝備有功能較強(qiáng)的機(jī)器人仿真軟件系統(tǒng)，它們?yōu)闄C(jī)器人的討論供應(yīng)了敏捷和便利的工具，比如，美國Cornell高校開發(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)詳細(xì)機(jī)器人，而是利用它可以很簡單建立所需要的機(jī)器人及環(huán)境的模型，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Maryland高校開發(fā)了一個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)和分析的工具，它能產(chǎn)生氣械手的動(dòng)力學(xué)模型。依據(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開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人CAD軟件包OPTARMⅡ，它可用于時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的討論。Michigan高校開發(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)掌握，并能有219圖形符號(hào)來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。

國內(nèi)從80年月后期起，很多單位也開頭從事機(jī)器人仿真技術(shù)的討論工作。在國家高技術(shù)方案自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器凡號(hào)題中，清華高校浙江高校、沈陽自動(dòng)化所及上海受大等單位擔(dān)當(dāng)了機(jī)器人系統(tǒng)仿真的研制任務(wù)，取得了多項(xiàng)討論成果，本文后面還將對(duì)此工作特地介紹。哈工大、北航、國防科大等單位擔(dān)當(dāng)了機(jī)器人機(jī)構(gòu)仿真的任務(wù)，攝后也研制勝利一個(gè)大型的機(jī)器人仿真軟件。還有不少單位針對(duì)某一詳細(xì)方面進(jìn)行了廣泛深化的機(jī)器人仿真技術(shù)的討論。

五、幾種仿真機(jī)器人的介紹和應(yīng)用。

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如今機(jī)