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软体机器人技术路线探寻

随着机器人应用领域的不断扩大,医疗保健、复杂地形勘探等特殊领域对机器人提出了更加苛刻的要求,在非结构化环境下使用的特殊机器人成为科学界研究的重点方向.本文通过分析软体机器人的发展历程,聚焦其在材料运用、驱动方式、应用前景等方面的发展状况,展望软体机器人技术的未来发展方向.

近年来,机器人的发展一直集中于学术界、企业界以及公众界的兴趣和大量资金的推动,同时各国政府也制定了相应的发展路线图.美国十多年来持续研究和更新机器人的发展路线图,路线图中也提到了很多问题,比较突出的有两个问题:第一,机械手的灵巧性和操作性;第二,新型机械手或其它机器人如何能够更接近人的操作性能和功能.这两个问题在之前更新的路线图中都有涉及,并且也阐释了其发展方向.但是随着时间的推移,我们可以看到,现在机械手及机器人的发展方向仍然不明确.

刚体机器人在过去几十年里一直被作为主要研究路线,这种机器人研究体系已经十分成熟,其中工业机器人的应用也得到了全面的发展和推广.按照同样的方式做与人体互动的机器人,或做用于特殊环境下的机器人,我们发现做出来的机器人并不完全适用.例如做辅助人走路或提高行动能力的机器人,这类机器人属于体积较大的刚体机器人类型,存在明显的局限性.

从学术和应用的角度回顾过去机器人的发展,尤其是工业机器人得到了长足的发展,它所依赖的是系统性的技术,主要是刚体机器人整个技术体系.通过机械原理构建一个机器,这个机器能够运动,再从刚体理论中把刚体去掉,换成真正的结构性材料,再把动力和驱动装置放进去(基本上都是电机驱动),最终形成由传感到控制的完整系统,也就是机器人.

从运动学的角度来看,刚体运动学也就是机械原理,1876年一个德国的工程师就把它彻底理顺,然后写进《机械运动学》一书中.从蒸汽机发明以后,机器人的发展都是依赖于刚体运动学的基础,然后把驱动、传感和控制完全建立起来,最终形成了一个系统,使得今天有各式各样的自动化机器,包括汽车和火车,以及工业机器人,都建立在系统地做机器研究或者机器理论上,这套理论已经非常成熟了.

软体机器人会有更自然的人机交互体验

如果想让机器人做更多的事情,尤其是和环境、和人体进行互动,我们就会发现一个严峻的问题,也就是这些刚体在马达的驱动下惯性非常大,接触到外界就会发生很强烈的冲击,可能会造成不安全,刚体和软体的环境互动也不是那么容易控制.因而,很难用传统的刚体机器人做出新一类超出工业机器人需求的机器人.

我们希望机器人能够和环境、和人直接互动,这种需求会给人类带来很大的帮助,包括康复、协助老人,或者是穿戴方面,也希望能够有传感功能,机器人能够直接通信,但是刚体交互性并不好,而且马达驱动工作时,控制好马达以得到柔性的驱动及互动很难,因为马达的功率一般都很大,现在还达不到低功率的柔性控制.

我们在思考能否找到其它方式进行交互时,自然会想到人体.人体虽然有骨骼结构,但外面有软体也就是肌肉,更重要的是有肌肉和皮肤作为和外界互动最主要的界面,而不是骨头直接和外面互动.我们想改变刚体机器框架,换成通过不同的材料来做新的机器人,也就是用软体材料,软体互动性能就会好得多,用软体做出新的机器人可能会带来新的应用领域.

从人体角度来看,肌肉的弹性系数基本上和橡胶硅差不多,如果用橡胶硅来做软体机器人,从弹性的角度来看应该和人体差不多,于是我们开始尝试用软塑料一类的材料来做机器人,软体机器人就此开始变成一种新的形式.实际上这项研究还是相对比较新的,直到2012年左右,美国有几位教授用为塑胶通气,能够做出爬、跳等动作的软体机器人,可以做到我们所要的软体机器人性能.有了这些具有前沿性、探索性的工作后,大家开始清楚了解到软体机器人广阔的市场前景,例如可以用来做医疗机器人、穿戴机器人和机器人玩具.

当然,我们还需要其它技术.比如传感技术和驱动技术,需要柔性的传感驱动,也需要柔性的驱动器.柔性传感的材料已经有人做过一些研究,但做柔性驱动器就不是那么容易了.现在市场上大家有很多的猜想,比如飞机的机翼不是现在的固定机翼,而是柔性的、可变形的机翼,如果做得好的话,相对空气动力学性能会更好,所以也会有更多其它的用处.随着3D打印技术的兴起,有可能出现更复杂的软体机器人材料.

软体机器人发展的关键问题

软体机器人的发展需要仔细考虑几个问题:1)从学术的角度来看,既然做软体机器人就需要软体,或者柔性互动的本体,里面可能有刚体,也有可能就像人一样有骨骼,刚体之间也有可能产生运动,我们在其中加入铰链.2)软体当中可以加入一些分布性的驱动器和传感器,因为有分布性的软体,如果有分布性的驱动和传感,柔性机器人的性能就会变得更好.3)只有刚体骨架作为传感,外面的软体是被动的皮肤和肌肉,互动的性能可能会低.

总体来讲,从学术角度看,我们要把软体机器人看作人一样的结构,其中就会出现很多问题,比如怎样做这些东西,最终还要看它能够带来什么样的功能和性能.我们需要知道它的运动是手还是脚或者是车,要看最终结构做成什么样子.如果是一个手我们就需要设计手指,让手指抓取物质,如果是一个驱动就要做成脚.软体的部分需要包含在机器人的设计、传感和控制整体的框架当中,现在基本上没有很好的运动学理论,实际应用中仍然是把刚体运动学搬到柔性体当中.

我们需要从最基础的角度来看软体机器人,主要有三个大的问题:1)如何定义柔体系统的运动?机器人毕竟是要做运动的,刚体运动学通过机械原理可以解决,软体现在还没有.2)如何设计/控制柔性系统.我们不可能用铰链和传感,如何从软体机器人当中产生运动,以及更复杂的是怎么控制运动.控制便成了非常麻烦的事情,因为有无穷多的自由度,要看怎么驱动软体机器人系统,最终怎么做到很好的控制.3)柔性系统制造的材料问题.今天我们遇到最主要的问题就是软体机器人的材料的问题,材料给了我们很大的局限性,我们没有很好的软体材料真正来做最终想要做的软体结构.

软体机器人和固体力学结合,但从固体力学当中我们又想得到运动和原理,比如机械设计.反向运动就是怎么反过来控制结构,最终产生想要得到的运动学.

在软体机器人系统中,如果有了软体机器人的结构,需要有设计方法,然后要有模型,产生动态方程,最终可能有局限性的传感,不是每个自由度都有传感,然后用传感系统来做控制,从而产生控制系统.其中最难的是要看什么设计、什么架构能够产生人类需要的软体机器人,软体机器人需要完成什么任务,怎么去实现这些任务,因而需要做运动规划或任务规划,然后再加上具体的动态系统,产生合适的控制,最终才能设计出实用的软体机器人.

理论上来讲,需要解决的就是这样几个问题,但实际操作起来就不是那么容易了.不过在虚拟空间中解决了这些问题.研究计算机图形的工程师已经想到了这些问题,并做出了一个虚拟的软体机器人,它的性能完全是你需要的.其中,上面是一块很软的材料,下面有四条腿,如果有理想的驱动器就能实现跳动.

这个软体机器人在虚拟环境当中完全能够实现平衡和跳动,以及做各种其它动作.从仿真角度来讲,理想系统中的软体机器人已经实现了.但是模型是理想的模型,材料可能是线性的或非线性的,驱动能够产生力,控制系统当中的控制方程和控制方法都解决了,加上仿生设计和运动规划、任务规划都是用传统的机器人设计方法解决的,这种理想的、模拟的图形学软体机器人并没有变成现实.变成现实仍需要找到材料、驱动器和传感器,都要和模型完全匹配,这在现在来说仍然无法实现.

虽然软体机器人在医疗、国防和急救领域有需求,但是真正最大的市场还是玩具市场,而且对行业最感兴趣的是迪士尼公司,迪士尼公司投入了很多资金,但仍然很难实现.要找到一个合适的非线性模型,能够把这些软体材料描述得很确切很难;如果非线性更强的话,做控制和其它设计也很难.现在的软体机器人是百花齐放,各式各样的系统和软体机器人都有人在做,包括电驱动的、用硅胶的,还有塑料材料和3D打印,大家一般都是通过经验和对刚体机器人设计方法的模拟,以此产生自己的设计来进行实验.实验的时候可能会有一两个动作,比如抓水杯、抓苹果、抓铅笔,然后就成为了机械手.这样的机械手局限性很大,材料的性能也非常不好.

现在大家非常期待的是通过3D打印来寻找适用于软体机器人的材料.3D打印的迅速发展给我们带来了一些机遇,我们可以把不同性能的材料混合起来使用,最终通过3D打印得到比较复杂的柔性系统(例如机械手指和机械腿).我们做的3D打印的手指可以用来抓苹果、抓鸡蛋、抓豆腐,但真正用起来就会有严重的问题.这种利用3D打印实现的柔性手指很柔软,抓起物体快速移动时,发现手指会抖动,也就是没有刚性.又要柔又要刚,这种性能在柔性机构或者机器人中还是非常有限的,这也是一个比较严峻的问题.

平常机器人用的基本都是马达、气动或液压,因为这是传统大功率机器的驱动动力,要是应用到软体机器人的话,我们自然希望用软体的材料作为驱动器.最关键的软体材料就是压电塑性材料,这类材料有点像硅胶,通电后会扩展和延伸,例如,最简单的驱动器就是做一个气球,气球加了气压后会膨胀,膨胀会带来动能,也就被认为可以作为驱动器.

原来的想法就是把这些驱动器做得很好,然后分布性地放到软体机器人结构,每个驱动器都可以独立控制,这样就有分布性的控制来做驱动,性能也会好得多,但是做起来很不容易.目前的做法就是做成一个队列,驱动的时候会产生一些波,最终可能会带来各种效果,我们做的就是类似踢足球的东西.通过这种驱动器做到最好也不过如此了,至多是驱动一条很小的鱼的尾巴,抖动大概有4~5赫兹,频率也不会太高,力也不会太大,无非就是变形比较大.

现在行业当中对软体机器人来讲,驱动材料也是很大的瓶颈,气驱动、液体驱动和压电驱动效果都不是很好,怎么才能有很好的驱动器来帮助软体机器人的发展,这也是个很严峻的问题.

软体机器人的发展实际上就是三大问题:机械运动原理、刚性结构、驱动和反馈,最终要有理论帮助设计,还要有理论帮助来做任务规划和路径规划.因为材料有严重的局限性,驱动的可行性太小,设计的方法基本上没有,所以现在大家能够做的就是做案例分享,想到好的办法就做好拿出来给大家看,把可行性向前推进一步.慢慢的这些成功的案例和经验能够融合在一起,使得软体机器人在理论上有所发展.更重要的是要有适合做软体机器人的材料,包括压电材料和其它材料,还有需要提供很好的空间,适合软体机器人发展.

(本文根据“2018世界机器人大会”现场演讲整理而成,未经演讲人审阅.)

机器人技术论文范文结:

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