软体机器人实验论文参考文献

机器人实验教学论文

1改革措施与实践结果

1．1实验平台的建设

为了强化学生在机器人方面的实践环节，首先需要构建机器人实验平台。让学生在课堂教学中了解机器人的基本组成、工作原理等，而学生的综合分析能力和解决问题的能力只能通过实践才能得到锻炼及提升。学生通过课堂教学了解机器人的基本组成、工作原理等，通过实践锻炼提高综合分析能力和解决问题的能力。依托西安交通大学机械基础实验教学中心的资源，将现有的实验教学机器人资源进行整合，构建机器人实验教学平台，包括:开放源代码的固高等国产机器人;具有示教手持盒的日本生产的商业机器人MOTOMAN－SK16、川崎RS10N等工业机器人;进行二次开发、能够组合使用的博时机器人。在机器人实验教学中，为学生的实践环节提供了足够的教学资源。

1．2改革实验教学体系，丰富实验层次

目前的实验教学体系多数为实验教师针对某一点进行实验教学。但是机器人本身具有实践性强、学科融合范围广的特点，机器人实验已经不能仅仅依靠单独的一个实验进行支撑，需要与机械结构、轨迹规划、系统控制、传感器等技术进行融合。目前开展的机器人实验往往着重于某一方面，不同的教师由于个人研究方向不同，或者专业限制，往往开展实验项目侧重自己的方向。但在本科教学中，还需要注重学生知识面的扩展，学生应全面地了解各个方面，开拓学生的眼界，因此机器人实验应增加“广度”。系统级的机器人实验是一种全新的实验形式，它将机械结构分析、建模、传感器技术、机械控制等多学科融合。在实验项目实施中，学生以团队形式进行实验，分工明确，为学生应用多种学科知识提供了平台，培养了学生创新和团队协作能力。在结构部分，小型的博时串联机器人拆装与建模分析、慧鱼模型搭建机器人;在机器人结构实验方面，以六自由度模块化可拆装串联机器人为平台，学生可自由搭建2～6自由度五种组合方式机器人系统。该机器人各关节内部结构多样化，采用了同步齿形带传动、谐波减速传动、行星减速传动、锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等多种传动方式。每一模块均为透明封装，可直观看到内部传动结构及运动形式，并可将其拆装至螺钉级。通过机器人本体装拆实验可以提高学生对机构中各种传动原理的直观认识，锻炼学生的装配能力，并以此了解零件加工工艺与特点，增强学生对机构运动形式实践的动手操作能力。慧鱼模型是一套由机械构件、传感器、控制部件组成的机电产品。在控制部分，现有的实验仪器分为商业机器人及科教公司研发机器人。商业机器人技术成熟，使用可靠，但控制源代码不开放;科教公司研发机器人源代码开放，但设备使用可靠性较差，因此实验内容需要对两种实验设备进行调整，克服两类实验设备各自的缺点，让两者互补，形成对学生的全面培养。学生在对已有的机械工业中常见机器人使用后，工业中的手持器可供学生直接操作，将教学理论与工业实践并重，学生可以直接通过控制使用了解机器人的基本轨迹规划等，将注意力集中到机器人实验的主要问题中。科教公司研发的机器人源代码开放，学生在学有余力的情况下，能够进行二次开发，将机器人控制技术与传感器技术等相结合，提高学生兴趣，培养学生的创新能力。

1．3教学方法的改革，提高学生兴趣

机器人广泛应用在各个工业领域，实验教学与其中机械部件包括连杆、齿轮、马达、涡轮等，一般工程机械制造所需要的零部件在模型中都能找到，模型中的零件可以在短时间内插装和拆卸，为学生想象力插上了翅膀，在对实际机器人拆装后，组建属于自己的机器人，提高学生兴趣，增强学生对于传动知识的理解。工程应用是互相联系，密不可分的。以实验室中固高柔性制造系统为例，机器人在中间起到了仓储、上下料作用，完全实现了自动化控制，因此在机器人实验的开发中应联系工程背景，提高学生兴趣。实验体系包括常见的机器人运动学实验、动力学分析实验、轨迹规划实验，并且需要让学生明白机器各个部分的组成，因此在实验授课时，控制类教师与机械设计类教师应联合开发机器人实验，使学生将课程中学习的知识运用到实验中，加强理论与实践的结合。在学生使用中，学生可以先从柔性制造系统进行认知机器人广泛应用在各大工业领域，然后进行机器人的拆装，了解机器人的各个组成部分，随后进行自己控制机器人的运动轨迹，对运动轨迹进行规划。在学生全面了解机器人知识后，在综合实验中，学生可以选择偏结构方面的实验，如用慧鱼模型搭建机器人;也可选择偏控制方面实验，如机器人的视觉系统的开发;也可将二者结合，设计出新的机器人结构、系统等。这是一个从认知到实践的过程，符合人的一般认知规律。机器人学科具有更新快的特点，作为教师在教学时不仅需要给学生技术指导，更应该着重培养学生对机器人技术发展趋势的了解，培养学生的创新意识，让学生尽可能参与实验的各个环节，增加学生的主观能动性，包括实验问题的提出、实验机器人的.确定、实验程序(路线)的设计以及分析总结等。只有在实验过程中，学生团队精神、创新能力、动手能力等素质才能得到培养。

1．4考评方法的改革，突出培养学生能力

目前对学生的考核较为单一，仅是考核学生最终的实验结果，不仅不能督促学生对实验结果等进行合理分析，而且对于学生在实验中的操作也忽略了，这对于机器人实验考评而言是不合理的，机器人实验作为一门实践性很强的课程，没有一个唯一确定的答案。机器人结构分析实验可以培养学生空间想象的能力，关注细节的能力，机器人轨迹规划则涉及到数学在实际生活中应用的能力，而软件编程涉及规划能力。它反映了学生的空间想象和规划能力，对新事物的敏感度、以及完成任务的执行力。因此改革学生的实验考评体系非常必要。合理的考评方式不仅能使学生掌握机器人的相关知识，而且能对学生在后期机器人研究中起到一个引导作用。目前机器人实验教学的成绩评定中遇到的突出问题，即做为项目存在的机器人实验在学生评价体系中不应该规定学生的研究范围，而应该对学生综合能力进行考察，这就需要一个多元化和标准化的考核方式。在机器人实验中，学生以小组为单位，互相配合实验，在考核过程中，学生在实验中的过程考评应该占到非常重要的地位。为了避免教师的主观影响，学生应该进行互评，将学生互相之间的评价纳入考核方法。

2结语

经过机器人实验教学改革，学生普遍反应良好，增加了学生的动手实践能力。机器人实验教学改革是一个需要长期积累、不断深化的过程，需要在不断探索中提高总体教学质量，在实际教学中需要重视实践性环节，注重激发学生的学习主动性，培养学生的研究开发兴趣和科学创新精神，激励创新思维，培养学生解决实际问题的能力和创新设计能力。

机械论文参考文献

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30多年前，剪刀手爱德华那句“如果我没有刀，我就不能保护你。如果我有刀，我就不能拥抱你。”感动无数人。几十年后，“我长成这样，是为了让人看起来更想拥抱。”的大白又走了我们一票眼泪。

纵观机器人发展史，影视作品里机器人的温情满满总离不开现实世界机器人发展格局的变化，从自动机械装置到软体机器人， 科技 的背后多了份温柔，机器人开始走向“柔软”。

从公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德对壁虎高明的爬行能力“大惑不解”后，其高超的攀爬能力便成为科研人员的重点研究对象。

而后通过实验发现，壁虎每只脚上都有数百万根细毛，这些脚毛除了能够插入最平整表面中以外，其大小和顶尖的形状也强有力的增大了壁虎攀爬时的粘附力。正是这种超强粘附力，让壁虎能够在一块垂直竖立的抛光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬，并且“只靠一个指头”就能够把整个身体稳当地悬在墙壁或者倒挂在天花板上。

壁虎的“绝技”加上蚯蚓、章鱼、水母等软体动物身体的灵活性为科学家们制造更敏捷、危险性小、多功能的软体机器人带来了无限的灵感。一场 科技 源于生活，而服务于生活的故事就此拉开序幕。

1989年，日本冈山大学软体机器人实验室完成了早期的部分软体机器人制造，即小型柔性机械手。该机械手采用白色硅胶材料浇筑而成，利用气体压缩原理进行机械驱动，具有前屈、后伸、内收、外展、旋内、旋外、环转7个自由活动度，与人手相似，它也能够通过控制抓取力度完成易碎物品的基本抓持动作。柔性机械手的成功也代表着采用硅胶材料和气动驱动模式的局部软体机器人的首次“变现”。

2007年，美国国防部高级研究计划局综合应用化学、材料学与机器人科学，研制出了化学机器人ChemBot。其超弹性外表皮肤由许多细胞形状的小室构成。平常状态下，可以通过对其皮肤的各细胞小室进行气体填充，引起ChemBot膨胀，改变ChemBot的整体外形。

必要时刻，就可以应用“变形”特点将ChemBot挤入人类无法进入的各种狭小空间，替代人类完成各项作业。ChemBot的出现成功开辟了软体机器人在勘探领域的运用,但是它离传统概念上能随意运动的机器人还相差甚远。

2011年，美国哈佛大学以化学家乔治·怀特塞兹(George M. Whitesides)教授为主的研究小组从乌贼、海星以及其它无脊椎动物获得启发，研制了一种有四只“脚”的小型软体机器人，通过对“脚”的应用，可以让这种机器人像蠕虫一样在非常狭窄的空间里进行活动。

这种机器人，结合了前几代软体机器人的特点，不仅可以准确地抓取形态各异的水果，筛选食物，还可以持握含刺的仙人球。成功做到了降低人类作业危险性的同时完全不损害所抓握的物体。

而后的几年，软体机器人的外表形态趋于稳定。2014年，美国哈佛大学又自主研制了一款仿海星的软体机器人，此机器人由高弹性硅胶材料构成，并使用电动空气压缩机提供动力。通过材料和动力的升级，海星软体机器人可以完成长达两小时的自主运行，能够承受高强度冲击、碾压等作用，甚至具备在严寒气候、大风、水坑、火焰炙烤等恶劣条件下工作的能力。

无独有偶，同年，我国科学家对软体机器人的思考也开始“奔现”。SRT软体机器人CEO高少龙，在其之前任职的北京航空航天大学成立了“仿生软体机器人实验室”，中国在这场机器人变革中牢牢地跟上了软体机器人发展的快车。

2015年，意大利BioRobotics研究所设计出了一款仿生章鱼，该软体机器人在成型材料及驱动方式上进行突破，利用硅胶包裹网状的SMA结构进行耦合变形，获得触手抓取的动力，而机器人触手的爬行、游动则由曲柄摇杆机构带动。成型材料及驱动方式的近一步突破为全软体机器人的产生带来了催化剂。

仅隔1年，中国的“章鱼妖精”出现了，北京航空航天大学王田苗、文力团队与德国自动化技术商Festo合作完成了OctopusGripper的研制，这是中国软体机器人领域发展的又一次突破。

2018年，美国哈佛Connor Walsh教授所研发出可穿戴的康复软体机器人，研发该机器人的目的是为了帮助残疾人和行动不便的人康复或是作为辅助设备长期穿戴。康复软体机器人的出现也成功表明了软体机器人涉足的领域在逐渐扩大。

同年，中国CCTV10频道播出了《创新一线——中国软体机器人》专题，报道中对“仿生䲟鱼软体吸盘机器人”、“折纸结构”、“柔性夹爪软体机器人”、“水凝胶”和“章鱼手软体机器人”进行了系统介绍，这档节目堪称迄今为止世界上最深入浅出的软体机器人综合介绍。

而后软体机器人产业成爆发式增长，全球主要软体机器人制造商有Cyberdyne、Soft Robotics、RightHand Robotics、Parker Hannifin、SRT北京软体机器人、Myomo、Bionik Laboratories和Panasonic等。

据相关报道显示，2019年全球前十大软体机器人厂商占据了49%的机器人市场份额，其中Cyberdyne是全球最大的软体机器人厂商，市场占比为。不同类型的软体机器人中，外骨骼收入市场份额占比最高，在2019年达到了，软抓手机器人其次，占比为。

全球软体机器人的生产集中在美国、欧洲和日本，三个地区2019年的全球收入份额依次为、和。而消费则以中国、美国、欧洲和日本为主，2019年，中国软体机器人销售额的全球占比达到，排名第一。

巨大市场的催生下，2020年，软体机器人进入了百花齐放模式，可运动的、能变形的、会变色的，科研人员们孜孜不倦地研制出了属于各行各业的多功能微型软体机器人。

今年3月4日，不枉我们国家的大力投入和多年钻研，浙江大学航空航天学院李铁风教授团队联合之江实验室，成功研制出一款仿生软体智能机器人，并首次在世界最深的马里亚纳海沟实现了软体机器人深海自主游动。其相关论文更是刊登于世界知名学术刊物《Nature》杂志上。

该研究成果率先提出机电系统软硬共融的压力适应原理，成功研制了无需耐压外壳的仿生软体智能机器人，首次实现了在万米深海自带能源软体人工肌肉驱控和软体机器人深海自主游动。这种环境自动适应和智能系统不仅为软体机器人开启了新篇章，更将为深海 探索 科考、环境监测与资源勘探提供解决方案，直接为复杂环境与任务下机器人及智能系统设计提供新思路。

其实相比于传统刚性机器人，软体机器人柔软的机体使其可以更高效、安全地与人类和自然界进行交互。在地震、洪水等自然灾害发生时，抑或遇到悬崖、岩洞、海底等复杂未知环境下，软体机器人完全可以利用自身柔软、弯曲程度高、自由度大等优势很好地适应不同的复杂环境，承担起勘探、救援、侦查等工作。

在医疗和手术应用方面，软机器人更是天生具有与生物体的自然组织兼容的优势。哈佛大学的软体机器人手套利用软体致动器组成的模压弹性腔与纤维增强，诱导特定的弯曲，能够使肌肉或者神经受损的患者独立把握物体。步态协助软机器人可以覆盖全身，它可以像正常的衣服一样佩戴，最大限度减少与穿着者的相互干涉，对穿戴者起到辅助作用。

微创外科手术软体机器人可以依靠自身的优势特性，有效地辅助外科医生的实际操作，使得手术更加精确、伤口更小、流血更少，术后恢复所需时间更短。

所以从“爱德华”到“大白”，软体机器人还能走向何方？软体机器人的到来到底是机器人时代的新开局，还是人类研发机器人史的新转折？值得我们思考与期待。

文：达尼亚 / 数据猿