密歇根探究項(xiàng)目

機(jī)械臂物體抓取的模擬與控制

課題簡(jiǎn)介

盡管在大多數(shù)科幻影視以文學(xué)作品里，機(jī)器人常常是以智能擬人型的狀態(tài)出現(xiàn)，機(jī)器人(Robotics)的定義卻不僅僅局限于類(lèi)人形機(jī)器人（Humanoid Robot）, 它涵蓋著感知，設(shè)計(jì)，制造和運(yùn)作等方面，并且廣泛的運(yùn)用在當(dāng)代社會(huì)。這其中就包括著本課題的中心：機(jī)械手臂。它是具有仿人手臂功能并可完成各種作業(yè)任務(wù)的自動(dòng)控制設(shè)備。機(jī)械手臂擁有多關(guān)節(jié)連接并節(jié)允許其在平面及三維空間中進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)，也正是這種特性，使其成為了在教學(xué)及工業(yè)界最頻繁使用的一類(lèi)機(jī)器人。

本課題將圍繞機(jī)械手臂，從應(yīng)用和科研的角度涉足機(jī)器運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等等多種實(shí)用的機(jī)器人相關(guān)知識(shí)。我們將從基礎(chǔ)線性代數(shù)及幾何學(xué)開(kāi)始，逐漸深入講解機(jī)器人理論知識(shí)，并讓學(xué)生基于虛擬機(jī)械手臂模擬空間運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)從而達(dá)到課題目標(biāo)。通過(guò)本課題的學(xué)習(xí)，學(xué)生將對(duì)機(jī)器人學(xué)有所認(rèn)知，并對(duì)以后的相關(guān)學(xué)習(xí)起到幫助。

 

科研方法

計(jì)算機(jī)仿真模擬

計(jì)算機(jī)仿真模擬是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件建立抽象模型、模擬真實(shí)條件并進(jìn)行分析的技術(shù)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)建模，解放了普通實(shí)驗(yàn)對(duì)于器材的苛刻要求，具有可多次進(jìn)行、反復(fù)試錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)黑箱化了復(fù)雜的理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)計(jì)算，能夠以直觀的方式呈現(xiàn)研究的成果，對(duì)于初次涉獵科學(xué)研究的高中生而言，也更為簡(jiǎn)單易學(xué)、容易上手。

例如：在設(shè)計(jì)外太空的衛(wèi)星軌道時(shí)，受制于客觀條件，科研工作者無(wú)法在地球上重現(xiàn)外太空的環(huán)境，因此，只能借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，對(duì)外太空的情況和衛(wèi)星的軌道進(jìn)行模擬、反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并基于模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，完成科學(xué)的軌道設(shè)計(jì)。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級(jí)學(xué)生，有較強(qiáng)的邏輯思維和抽象思維能力

英文：
1、具備基本的學(xué)術(shù)英語(yǔ)閱讀能力；
2、接觸過(guò)英文寫(xiě)作，有論文寫(xiě)作經(jīng)驗(yàn)者更佳；

數(shù)學(xué)：
1、幾何學(xué)；
2、線性代數(shù)；

計(jì)算機(jī)：
1、最好有Python語(yǔ)言編程經(jīng)驗(yàn)；
2、如果沒(méi)有，希望能在課題開(kāi)始后的1-2周進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)并能較熟練的應(yīng)用；
3、相關(guān)Library: https://pybotics.readthedocs.io/en/latest/ 。