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通过几个机器人系统概念，了解基础学科在机器人学科中的重要地位
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通过几个机器人系统概念，了解基础学科在机器人学科中的重要地位

通过几个机器人系统概念，了解基础学科在机器人学科中的重要地位 舜宇智能光学
2020-05-05
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导读：机器人的复杂度和是否线性、欠驱动、系统模态直接相关。


如今学习机器人的孩子很多，炫酷的设计造型，无限可能的创意搭建，多维度多学科的知识交融。让更多的家长和孩子都热衷其中。那么，怎样才能更好地学好机器人这门学科呢？
机器人是实践性很强的一门学科，要求学员善于动手实践操作，也需要一定的编程基础知识。如果我们要更好地学习并做好机器人，还需要很多其他学科的知识积累和沉淀。其中最重要的，就是数学理论基础。数学理论基础是机器人背后的数学原理，很多机器人建模都需要数学思维。除此之外，还需要多看多想。看得多了、思考得多了，自然就会产生更多的想法和创意。
如上图示，1985年（左），美国就已经造出了能跑能跳的机器人，而且还能翻跟头。2009年（中），大狗机器人，能够在复杂的地面上进行行走，被人踢一脚，还不倒，特别厉害。2020年（右），更小巧、功能更强大、更精妙的机器人，还能够爬过这样的一堆碎石。
这些机器人是谁创造出来的呢，它们又都使用了哪些技术？
这是一位美国教授组织研发的，Marc Raibert 1979年在麻省理工学院获得博士学位，1980-1990年在卡内基梅隆大学任教，1990-1993年在麻省理工学院任教，1991年创立波士顿动力公司。这家公司在多足、类生物的机器人方面做了很多的探索和尝试。上述的机器人就出自这家公司。

这位教授，他学习了什么，如何开展研究？怎么看待机器人行业的发展。这些都值得我们去思考。所以，尽可能多地看书、看视频、参观展会和博物馆，了解尽可能多的机器人的特性和功能，思考不同类型的机器人之间的区别和联系，构建自己的知识蓝图。在这些基础上去学习，逐步构建自己更完整的知识框架，这是比学数学、动手实践等其他知识更加重要的一点。（多看多想）
线性与非线性（Linear & Nonlinear Systems）
比如：汽车速度和里程的关系就是线性系统。速度增长一倍，里程也增长一倍。


以20KM/h的速度行驶1小时，走过20km；以40KM/h的速度行驶1小时，走过40km；以60KM/h的速度行驶1小时，走过60km；


而单摆系统，如上图所示系统模型，就属于非线性系统。单摆距离垂线的角度和单摆在X轴线上的距离之间的关系并不是线性的。
对一个机器人来说，旋转是机器人系统中非线性的主要来源。

上图，左侧坐标图：原点处放一个电机（红点表示），电机上安装一根棍子，电机的旋转改变角度a，这可以看作一个最简单的机械臂。右侧坐标轴三个红点代表三个电机，连接三个棍子，这给出了一个现代工业机器人的简单模型。

在机器人学里面，这个就是前向运动学和逆向运动学。
前向运动学（forward kinematics），已知a、b、c三个角度，求机械臂末端位置；
逆向运动学（inverse kinematics），已知机械臂末端位置，求对应的a、b、c三个角度。
完整/完全驱动与欠驱动
这是一个经典的机器人模型，叫二级倒立摆（英文名：Acrobot），就是让机器人倒立起来。图示的模型中，只在a关节处有一个控制的电机。

另一个经典的机器人模型，体操机器人，可以绕单杠旋转。图示的模型中，是在b关节处有一个控制的电机。

通过上面两个有趣的案例，我们来了解相关的知识点：什么是完整驱动？什么是欠驱动？
完整驱动系统：系统有N个自由度，每个自由度都有电机控制。
欠驱动系统：系统有N个自由度，可被控制的自由度少于N。

上图两个模型系统非常相似。左侧的机器人系统中，a关节和b关节都有电机控制他们的角度。右侧的机器人系统中，a关节只是一个铰链，只有b关节上有控制电机。这两个系统，左侧两个关节，两个自由度（完整驱动系统）。右侧两个关节，但只有一个自由度（欠驱动系统）。
为什么我们关注欠驱动系统？
因为许多实际中广泛应用的机器人系统都是欠驱动的。飞行中的多旋翼飞行器在空间中有6个自由度，但是只能直接驱动其中的4个自由度（注意和多少个旋翼无关）。所有的人形机器人和足式机器人都是欠驱动系统。

我们关心机器人躯干在空间中的位置和姿态（6个自由度）；机器人的每条腿有3个自由度，均有电机驱动。系统的总自由度为12，有驱动的自由度为6。和Arcbot（二级倒立摆）有类似之处。
一个正在推箱子或者叠毛巾的机械臂也可看成欠驱动系统，试图把一个木块翻过来。学生想要了解更多机器人的特性，就必须补充数学相关的理论基础。
连续、离散、混合系统
连续系统：运动状态可以用一个方程来表示，初高中物理学全都是连续系统。
离散系统：这是物理公式无法描述的系统，比如：可乐自动售卖机模型（离散系统）。通常用有限状态机来表示（Finite State Machine），由多个状态和状态之间的跳转关系组成。

混合系统：当我们把前两者结合起来（连续系统和离散系统），就成了混合系统。比如下图，红色的小球，从天上掉下来的时候，掉在斜面上的时候是自由落体运动，然后在斜面一和斜面二来回滚动，直到停止。

系统的运动需要多个状态来表示，状态之间的切换用有限状态机来表示。每个状态中系统的运动方程是连续的。系统起始在某个模式中，以运动方程运动，达到一定条件时，系统会发生离散的模式切换，然后进入新的模式，改变系统状态，用新的运动方程运行。
经典混合系统模型，这是许多人形机器人研究中的经典模型，研究双足走路。
我们为什么要关心混合系统呢？
因为任何一个需要跟环境交互的机器人都是一个混合系统。比如开门：左边图中的机器人是开门失败，而右边的机器人是可以准确做到开门的（这是波士顿动力之前的机器狗）。
开门、堵门、调整自己的运动，所有一切的拿放物体、与环境发生碰撞、动静摩擦转换等等，这些都是混合系统。
针对初中学生的机器人教学，在教学开始阶段介绍相关概念和整体蓝图非常重要。
1、 尽早介绍非线性、欠驱动、混合系统等概念；
2、 带领学生观看机器人视频、通过机器人行为直观理解相关概念；
3、 指明现在使用的教具和工业生产中的机器人、科研前沿的机器人的异同，激发学生兴趣、帮助他们立下远大志向。




【声明】内容源于网络
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