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  • 几何机器人

    几何机器人有别于传统的仿人型两足、四足、多足、蛇形,以及轮式、履带式等广义机器人。特征是具有多边形、多面体等几何形状以及折叠、缩放等变形能力;其步态特征是集成滚动、步行、爬行等多种移动模式。具有强大变形与越障能力,预期用于现有机器人难以通过的极端复杂障碍环境—包括民用抢险救援严重破坏路面、军事野外作战动态变化地形,以及星球深度探测未知复杂表面,进行探测、运输或武装作战。

    编辑摘要

    目录

    概念/几何机器人 编辑

    姚燕安讲解几何机器人姚燕安讲解几何机器人

    几何机器人是北京交通大学教授姚燕安基于多模式整体闭链连杆式移动系统,发明创造的机器人新概念。几何机器人设计理念源于几何学。应用机械科学制造三角形四边形四面体立方体等物理实体,用电动机驱动并以计算机进行自动控制,使这些实体形状可变化且可在地面遥控或自主滚动、步行或爬行,成为“平面几何图形机器人”或“立体几何图形机器人”。几何机器人以几何运动学力学知识为基础,并融合了电子计算机软件技术,与青少年的知识结构无缝衔接,为科教领域提供了将数学与科技巧妙联系的“绝佳载体”。[1]

    种类/几何机器人 编辑

    滚动三角形机器人

    将三角形的顶点进行铰接(两条边在铰接点处可以转动),各边采用电动推杆作为动力。通过调整电动推杆的长度,使机器人的重心发生变化,当重心超出底边的支撑区域时,机器人发生倾倒。重复这个过程,滚动三角形机器人即可以实现直线移动。如果在三角形机器人下方安装两只"脚",那么它就可以实现步行了。

    六边形机器人

    与几何学中的六边形类似,在每个顶点处设置转动铰链,使它获得变形能力。从中不难发现,随着边数的增加,机器人的变形能力也在逐渐增强。六边形机器人可变形为:三角形、四边形、五边形,甚至可以模仿履带的方式进行滚动运动。

    继续增加边数,我们可以获得更为复杂多变的多边形机器人,如模拟六角八角雪花形状的雪花型多边形机器人等。以立体几何中的空间多面体为基础,可以构造多面体机器人,包括四面体机器人、五面体机器人、六面体机器人,以及削楞截角多面体机器人等。

    此外,将折叠缩放技术与几何机器人结合,还可构造出各种外形可以变大或变小的机器人。

    雪花机器人

    源于“雪花机构”,即呈现雪花形状的连杆机构,其基本构型呈六角形,也可通过改变边角数量的方式创造出八角、十角、十二角等系列化的多角雪花机构。以电动机提供动力,“连杆机构”即成为一部“连杆机器”,“几何机构”也即成为一部“几何机器”。在几何机器的各连杆之中,需要选出一个杆作为固定的机架,称为“机架杆”,其他各杆均参照机架杆做相对运动。

    如将“雪花机器”解除机架杆的束缚,整体置于地面,并以计算机进行移动控制,“雪花机器”即成为可移动的“雪花机器人”。雪花机器人还具有另一大亮点——机械智能性:其一,传统智能机器人如遇障碍,先由传感器感应到障碍的方位,将信息传递给控制器,再由控制器下达相关的避障命令。而雪花机器人可以通过自身结构及力学特性感知障碍物的存在,实现主动避障;其二,雪花机器人具备被动行走能力,即在未加装电机的情况下,可以沿缓坡自动行走,其步态优雅灵慧,极具美感。

    以四个雪花机构替代传统轮式机器人的车轮,即可获得变形轮机器人。变形轮机器人在常规路面上以圆形轮快速移动,在障碍路面上则变大轮径进行攀爬。倏忽变化,越障如平地。[2]

    应用/几何机器人 编辑

    几何机器人的应用定位,是现有机器人难以通过的极端复杂障碍环境,包括民用抢险救援严重破坏路面、军事野外作战动态变化地形,以及星球深度探测未知复杂表面等。目前(2014年)国际上只有美国航空航天局正在研发一款用于月球北极复杂地形深度探测的四面体机器人。

    除了开展民用和军用研究,姚燕安发现几何机器人因其与数学知识和物理学中运动学力学知识的紧密联系,以及具有前沿性和趣味性,非常适合青少年科技教育,所以他还投入大量时间和精力推广几何机器人在青少年科技教育方面的应用。姚燕安及其团队开发了基于视频手势识别技术的几何机器人,人们可以通过手势控制机器人的动作,使多个机器人排列成不同的队形。这种人机协作表演的方式,显著提高了互动娱乐性,增加了学生学习的兴趣。同时,结合青少年的知识结构,开发出一批'几何故事'表演剧目,包含如“会走路的三角”、“翻跟头的四面体”等故事情节,增加了文化内涵。[3]

    外交/几何机器人 编辑

    姚燕安向两位第一夫人介绍几何机器人姚燕安向两位第一夫人介绍几何机器人

    2014年3月21日上午,姚燕安在北京师范大学第二附属中学,为中国国家主席习近平夫人彭丽媛与美国总统奥巴马夫人米歇尔讲解了“几何机器人”。姚燕安向两位第一夫人介绍了几何机器人以及自己提出的MSEA教育理念,即以几何机器人为载体,将数学(Mathematics)、科学(Science)、工程(Engineering)和艺术(Art)相结合,旨在培养学生的严谨思维、创新精神、实践能力及美学修养。

    彭丽媛与姚燕安进行了亲切交谈。彭丽媛说,学校教育要重视培养学生创新思维和探索能力,并表示非常欣赏将现代艺术之父塞尚所开创的立体主义艺术与科技教育相融合的理念。米歇尔还亲自操控其中一个“双三角锥机器人”,称赞 “It’s really cool”,并表示对MSEA的理念印象深刻。[4]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-11-25
    [2]^引用日期:2014-11-25
    [3]^引用日期:2014-11-25
    [4]^引用日期:2014-11-25

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