关键词： curriculum   gender   mathematics   robotics   socialization   STEM   stereotypes   underrepresented populations  

摘要： Children using robotics for engineering, science, technology, and mathematics (CREST-M) is an ongoing curriculum creation and evaluation project developing math-focused science, technology, engineering, and mathematics (STEM) curriculum units that incorporate storytelling with math and are designed to be engaging for students from backgrounds traditionally underrepresented in STEM fields and to be appropriate for all ability levels including the gifted. This mixed-methods study evaluated one CREST-M unit, The Tale of the Monarchs, aligned to the Common Core State Standards: Mathematics (CCSS-M) for fourth- and fifth-grade fractions while incorporating all aspects of STEM. The unit includes an engineering design loop to help students create and program robots using LEGO WeDo 2.0. Students also use the scientific method in a problem-based learning (PBL) investigation in which they design and conduct experiments. The unit features a comprehensive storyline in which diverse characters solve real-world problems using STEM skills. The curriculum was evaluated through a CCSS-M aligned pre- and post-assessment of students' understanding of fractions, the Cognitive Abilities Test Screening Form 7 (CogAT 7), and the Draw-a-Scientist pre- and post-assessment. The curriculum led to significant and meaningful gains in math achievement (Cohen's d = 0.72) consistent for students at multiple ability levels (including high ability) and children from groups traditionally represented in STEM fields as well as those traditionally underrepresented (across gender, race, and socioeconomic status). In addition, the mental models of the career of a scientist that students articulated before the program were markedly more complex and less stereotypical following the program, indicating increased understanding of the career of a scientist.

关键词： Humanoid robots   Gakutensoku   uncanny valley   Nishimura Makoto   Mori Masahiro   Ishiguro Hiroshi  

摘要： From the beginning of the twentieth century, Japanese roboticists have observed specific features in the physical designs of humanoid robots that cause users to react with either fear or affection. Analyzing the sources of these reactions, robotics egineers eliminated from robots those features that might trigger negative associations, and instead embedded their designs with cues to norms, theories, and cultural references valued by their society. By analyzing Nishimura Makoto's building of an affable artificial human named Gakutensoku, Mori Masahiro's discovery of the phenomenon of the uncanny valley', and Ishiguro Hiroshi's current employment of cognitive, social, and psychological sciences to overcome the uncanny' impression of his robots, this essay claims that the development of the field of humanoid robotics in Japan was driven by concern with human emotion and cognition, and shaped by Japanese roboticists' own associations with the social and intellectual environments of their time.

关键词： 机器人动力学模型   非线性系统辨识   核自适应滤波   相关熵  

摘要： 本文主要针对串联杆机械臂的动力学建模问题,通过分析其动力学模型中存在的复杂非线性与不确定问题,指出神经网络因拥有良好的非线性全局逼近能力,可以用来进行模型辨识。现有的神经网络辨识研究虽多,但由于真实系统中的噪声问题,很多方法都只在特定的仿真环境下效果较好,缺乏实际系统的应用。在详细分析了神经网络辨识及径向基神经网络后,提出可根据核自适应滤波自动构建径向基神经网络及处理数据中存在的噪声等特点,使用其对逆动力学模型进行辨识。本文的主要内容为:1.指出由于机器人动力学系统存在高度非线性和不确定性等原因,现有的机理建模方法无法满足高精度高负载等应用场景,可使用具有全局非线性逼近能力的径向基神经网络进行辨识。但神经网络存在依赖训练样本的,对存在噪声的数据无法获得较好的收敛甚至可能会发散,本文提出使用可自动构造径向基神经网络的核自适应滤波进行辨识。2.在广泛应用于非线性系统问题的核最小二乘算法基础之上,为解决真实环境中的数据存在非高斯噪声的问题,提出一个基于多次幂相关熵的核自适应滤波算法。并分析和验证了其性能。3.根据机器人逆动力学模型的特点,设计了基于本文提出的均多次幂相关熵核自适应滤波的辨识方法,其中包括整体的辨识算法结构,参数更新方式,及提升泛化能力的样本选取方式。4.通过仿真和真实机器人平台的实验,验证了该算法的有效性。

关键词： 自动投料机器人   旋量理论   动力学模型   递推最小二乘法   参数辨识  

摘要： 机器人是集机械、电子、液压、控制、计算机信息、传感技术、仿生及人工智能等多个学科相互渗透、相互交叉的综合性学科。工业机器人技术研究日新月异,与人类生活密不可分,在机器人研究过程中,提出了更多的理论方法和仿真工具,使机器人的动态性能和数据精度都得到了很大改善。但是,由于在实际应用中存在各式各样的影响因素,导致了机器人研究更加的复杂性和困难性。对此,迫切需要建立一种新的机器人运动学和动力学模型,以方便提高机器人的可操作性和动态特性,从而提高机器人的精度和性能。本文以一种自动投料工业机器人在酿酒生产实践中为研究对象,阐述了一种以旋量理论为核心的全新机器人动力学参数辨识方法。首先,利用李群李代数和旋量理论对刚体空间运动旋量进行了详细的描述,引出运动旋量、刚体变换、指数积公式等概念,建立了基于旋量指数积形式的六自由度自动投料工业机器人运动学的模型和机器人几何参数标定。其次,基于旋量理论与凯恩方程,提出一种自动投料工业机器人的动力学建模方法;从旋量理论建立的指数积公式和螺旋运动两个方面分别阐述了自动投料工业机器人雅可比矩阵方程的建立过程,然后介绍了基于凯恩方程的动力学建模方法,在此基础上对各关节相应的主动力旋量、惯性力旋量、偏速度旋量、广义主动力及广义惯性力等参数做出了释义,并基于达朗伯原理完成凯恩动力学方程的推导,对影响动力学的因素也做了详细介绍。最后,基于参数矩阵递推方程建立了辨识方程,概述了以递推最小二乘法为核心的辨识算法,并对矩阵的满秩情况进行了详细说明,得到了辨识模型;该方法在很大程度上简化了辨识模型,降低了辨识难度,具有很好的针对性,从而获得准确的动力学惯性参数,优化了机器人动力学模型和改善了机器人动态特性,提高了机器人的辨识精度和动态性能。

关键词： 机器人学   人工智能   蔡自兴  

摘要： 由蔡自兴教授和翁环高级讲师合著的《探秘机器人王国》已由清华大学出版社隆重出版,向全国发行,正在京东和当当等书店热售中。本书是一本以机器人学和人工智能知识和机器人技术为中心内容的科普及科幻长篇小说。书中通过形象与连续的故事和插图,介绍机器人的发展历史、基本结构与分类,在工矿业与农林业、空间与海洋探索、国防与安保、医疗卫生、家庭服务、文化娱乐、教育教学等方面的应用,以及智能化工厂、未来宇宙开发与星际航行和发展方向等。此外,还展望了其它一些新技术或潜在高新技术的未来应用。

关键词： 水下机器人   矢量推进装置   运动学   动力学   仿真分析  

摘要： 矢量推进技术在水下机器人领域属于一种新兴的水下推进技术,能够很好的提高机器人的机动能力,对于海洋资源开发具有重要的意义。本论文旨在克服传统多桨推进方式存在的结构复杂、不易控制等缺点,以开发具有空间姿态调整功能的矢量推进装置为目标,设计一套结构简单、容易控制的矢量推进装置方案,实现水下机器人单机构多姿态的运动模式,结合矢量法、分离体法等方法来进行矢量推进装置的动力学建模,借助SolidWorks、MATLAB、Adams、ABAQUS等软件对基于少自由度空间单闭链矢量推进装置进行研究分析。首先,简要介绍空间连杆机构、水下机器人矢量推进技术等研究现状等,提出一种矢量推进装置方案,通过矢量法求得位置方程,并通过对位置方程求一阶导数和二阶导数,分别得到速度和加速度方程;通过分离体法进行运动副中约束反力和力矩的求解。利用MATLAB编程绘制机构的运动规律和力学性能,最后通过与Adams联合仿真验证理论分析结果。其次,利用ABAQUS软件对矢量推进装置进行有限元分析,分析位移变形、应力等分布情况,以校核其强度、刚度是否满足要求;对支撑架和转动模组单元分别进行振动模态分析,防止引起机械共振,为分析机器人振动的方式提供了借鉴。最后,根据前面两章的理论分析内容,对全部偏转螺旋桨矢量推进装置的样机进行设计与加工;选择装置电机等元器件;构建了伺服控制系统,编写控制程序;矢量推进装置的成功装配和矢量推进测试实验,包括螺旋桨能否顺利实现俯仰实验、偏摆实验,以此来验证所设计构型的可靠性与实用性。本文的研究具有一定的实用价值和广阔的应用前景。

关键词： 机器人   竞赛   创新  

摘要： 为了保证人才培养的质量,应认识到人才培养中创新能力培养以及实践能力培养的重要性,结合实际的人才培养工作需要,制定科学的机器人大赛人才培养模式。本文就机器人大赛模式在人才培养方面创新性以及实践性方面的作用进行了分析。

关键词： 机器人学   工业机器人教学   虚拟实验室   基于模型的虚拟实验   人机交互  

摘要： 六自由度机器人是一种典型的工业机器人,在工业活动中被越来越广泛地使用。工业机器人技术是自动控制领域中出现一项高新技术,该领域的研究十分活跃,且随着产业需求的不断增长其应用覆盖范围也日趋广泛,对工业机器人技术研究和应用的水平已成为衡量一个国家自动化水平的重要标志。工业机器人技术的快速发展推动了机器人学技术发展,同时也为工业机器人教育的发展注入强大动力,机器人学教育是培养工程技术人才的迫切需要。一般高校对本科生开设的“机器人导论”及相关的机器人学课程,均是以串联结构的机器人为学习主体,市场上的相关教材也是对串联机器人进行分析和综合为主要内容。因此,机器人学的基础主要是针对串联结构的机器人的机械性能的学习。传统上,机器人学的学习和其他学科的学习一样,依赖于“标准课堂”,这种标准课堂包括课堂教学环节和实验环节,而现阶段的机器人实验教学的情况存在实验设备不足、理论与实践脱节以及安全性不足等问题。为解决这个问题,本文提出使用虚拟实验室技术创建机器人虚拟实验室,为学习者提供适当的虚拟实验环境,帮助促进学生对理论性知识的学习。现阶段虚拟实验室具有低成本、多权限、灵活性高、具有不可见量的观察性和安全性高等优点,虚拟实验室在教学中的应用具有诸多特点,如互动操作性、扩展性以及安全性等特点,这些特点是传统实验室无法比拟的,在实验教学方面也具有如利用率高、易维护等诸多优点。国内外众多研究机构根据自身科研和教学需求建立了多种虚拟实验室和机器人虚拟实验室,但其研究和应用中也存在一些问题:（1）已有的一些机器人仿真系统或机器人虚拟实验室其设计目的并非为机器人学学科本身的实验应用,而是为了研究对机器人系统的综合性应用,如对机器人进行轨迹规划或对机器人完成某个任务的控制算法进行优化,这对于学习机器人学的理论知识并无帮助。（2）一些机器人虚拟实验项目采用的数学模型过于理想化,仅能够完成较浅显的理论实验,不具备实际教学应用价值。因此,创建一个可以完成机器人学一定深度理论性实验的、具有一定复杂度和真实性的机器人虚拟实验室是具有一定创新型和现实意义的。本文以六自由度工业机器人为研究对象,围绕着构建机器人实验室开发平台并在其上开展机器人学相关理论实验的若干核心技术的研究而展开,论文的主要内容包括:首先介绍了工业机器人及其教育的发展以及虚拟现实技术和虚拟实验室的相关概念和特点,从国内外研究现状等方面阐述了虚拟现实技术、虚拟现实开发软件工具、虚拟实验室和机器人虚拟实验室的研究现状,同时阐述了本课题研究的来源、目的、意义和研究内容。然后介绍了虚拟实验室的概念、技术模型和理论框架,阐述了虚拟与仿真的区别,从理论部分、技术部分和应用部分介绍虚拟实验室的理论框架;分析大量虚拟实验室实例,总结出创建虚拟实验室时需要考虑的四个基本原则,即虚拟实验室应该具有的一般特性;基于这些特性,从虚拟实验室的功能分析、性能分析、内容分析和结构分析等四个方面,创建机器人虚拟实验室的设计流程。着重讨论了虚拟实验室的构架模型,包括阐述机器人虚拟实验室的开发框架和实现机器人虚拟实验室的软硬件系统;阐述了基于Qt和Ogre3D的机器人虚拟实验室系统,包括使用相应的开发工具实现虚拟实验室模块化功能;对于虚拟实验室中的三维模型建模方法进行研究,建立了从SolidWorks软件建立模型、在3DS Max软件中进行模型渲染最后导入Ogre3D的模型软件方法;阐述了在Ogre3D虚拟环境中渲染显示虚拟机器人模型的方法。基于上述研究的机器人虚拟实验室的设计流程、虚拟实验室的构架模型和基于Qt和Ogre3D创建的的机器人虚拟实验室系统,设计机器人虚拟实验室的三大虚拟实验系统:坐标变换虚拟实验系统,六自由度机器人运动学虚拟实验系统和六自由度机器人动力学虚拟实验系统。（1）以研究坐标变换虚拟实验为例,首先介绍齐次变换矩阵,创建相应的参数化数学模型;使用上述数学模型结合虚拟实验室系统模块建立坐标变换虚拟实验,直观清晰地在3D环境中呈现欧拉角表示,转轴/角度表示和单位四元数表示以及与齐次变换矩阵的关系,直观化地讲解DH参数的空间意义。（2）介绍了六自由度机器人运动学虚拟实验系统,包括创建对六自由度机器人进行连杆描述的数学过程和相应的虚拟实验;分析机器人正逆运动学的数学模型,创建正逆运动学虚拟实验并用实例说明;分析机器人工作空间,创建判别空间某位姿是否在机器人工作空间内的判别算法同时创建相关的虚拟实验;通过雅各比矩阵创建机器人速度分析虚拟实验并演示;对机器人奇异性进行分析并创建机器人奇异性演示的虚拟实验系统。（3）介绍了六自由度机器人动力学虚拟实验系统,包括介绍基于拉格朗日公式建立机器人动力学模型,给出了动力学正解和动力学逆解问题的形式,并分析机器人动力学参数;使用机器人动力学模型创建机器人动力学虚拟实验系统,阐述了机器人动力学参数对

关键词： 机器人学  

ISBN: (纸本)9787300257372

摘要： 本书讲述如何提高创造力的方法，基于德博诺先生多年的研究，这是一种以结果为导向的思维方法，教人们摆脱本书旨在拓宽我们对机器人和人工智能的理解，也是一本写给“机器人”的书。如何选择才能使机器人不是人类的奴隶，也不是潜在的霸主，而成为人类的伙伴？我们需要在这个人与机器人共处的世界里建立规则，维护彼此的尊严。作者认为：今天科学家、工程师所做的决定，将会影响人类的生命、死亡、健康，工作和生活，阶级地位、个人隐私、性别身份，以及战争的未来，城市景观的形态，以及许多其他领域。垂直思考的固有模式，培养自己的水平思考能力。水平思考一词已经成为一个固定概念，被收纳入英文词典，水平思考课程在国外及中国的许多大企业、政府机构所采用，成为他们培训员工的思维方式和创造力被采用最多的课程之一。

关键词： 空间机器人   柔性帆板   鲁棒控制   容错控制   奇异摄动   目标捕获  

摘要： 随着航天技术的不断发展,空间机器人因其能够适应空间恶劣的环境、长时间在舱外工作、降低在轨服务成本、提高在轨服务效率以及完成宇航员难以胜任的高精度、高可靠度任务等优势,已经成为当前在轨服务技术发展和应用的热点之一,并逐渐应用于空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与空间实验等任务中。由于空间机器人系统动力学方程本身所呈现的复杂非线性和耦合性,加上一些大型挠性部件的使用（如帆板）,使得其在动力学以及捕获动力学问题上面临诸多的难题。此外,由于空间机器人系统结构复杂并工作在恶劣的空间环境下,导致动力学系统的参数难以确定并且有可能引起系统执行机构发生故障或失效,使得其在控制系统设计方面也面临着巨大的挑战。本学位论文在国家自然科学基金（11772187）和上海市自然科学基金（14ZR1421000）的资助下,开展了带柔性帆板的六自由度空间机器人动力学与控制问题的研究,主要研究内容和成果总结如下:（1）对带柔性帆板的六自由度空间机器人的动力学建模问题进行了研究。基于单向递推方法和虚功率原理详细地推导了空间机器人的运动学方程、动力学方程,并且通过与商业软件ADAMS的仿真计算结果对比验证了本文所建立的模型的正确性。仿真结果表明,本文方法所建立的动力学模型能够取得与ADAMS一致的结果;帆板柔性对系统动力学特性有着重要的影响。（2）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统参数不确定性的轨迹跟踪控制问题进行了研究。基于计算力矩方法,设计了考虑系统参数不确定情况下实现轨迹跟踪的鲁棒自适应控制器,并且通过Lyapunov理论对控制器的稳定性进行了证明;最后通过数值仿真对所设计的控制器进行了验证。仿真结果表明,利用本文所设计的控制器,带不确定参数空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,并且保持本体的位形不变,同时能够有效地抑制柔性帆板的弹性振动。（3）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对考虑系统作动器失效的轨迹跟踪控制问题进行了研究。针对系统关节失效的情况,利用滑模理论和Lyapunov稳定性理论设计了机器人实现轨迹跟踪的滑模容错自适应控制器,并对闭环系统的稳定性进行了分析;通过数值仿真对比验证了控制器的有效性。仿真结果显示:使用本文所设计的容错控制器,不管作动器是否发生失效,都可以取得很好的控制效果;然而,当作动器发生失效而不处理时,控制效果明显变差;在本文控制器的作用下,柔性帆板的弹性振动同时能够得到有效抑制。（4）以带柔性帆板的六自由度空间机器人为研究对象,对机器人系统轨迹跟踪过程中的柔性帆板弹性振动的控制问题进行了研究。基于奇异摄动理论,将空间机器人系统动力学方程分解为刚体运动的慢变子系统和弹性振动的快变子系统;分别对两个子系统进行子控制器的设计,其中慢变子系统采用的是计算力矩控制器,快变子系统采用的最优控制,从而得到系统总的复合控制器;最后进行仿真对比验证复合控制器的有效性。仿真结果表明:在本文控制器的作用下,空间机器人系统的机械臂关节可以到达期望角度,本体的位形可以得到有效抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制;复合控制方案中的快变子系统控制器对空间机器人系统的控制效果具有很大影响。（5）对带柔性帆板的空间人的捕获动力学及控制问题进行了研究。首先,利用Hertz接触碰撞理论来描述空间机器人与捕获目标之间的相互作用,主要包括接触碰撞力的计算和渗透深度的实时检测;然后,将接触碰撞力集成到第二章的系统动力学方程中,从而建立起机器人与捕获目标的整个系统的动力学方程。最后,为了保证机器人能够顺利的完成捕获任务,基于计算力矩方法设计了主动控制器以顺利实施捕获。仿真结果显示,帆板的柔性对系统碰撞动力学特性有很大的影响;斜碰会改变系统的姿态;在本文控制器的作用下,空间机器人系统的本体的位移可以得到有效的抑制,同时柔性帆板的弹性振动也能得到抑制。