談高中知識(shí)在智能機(jī)器人研發(fā)過程中的運(yùn)用

發(fā)布時(shí)間：2021-01-15所屬分類：教育論文瀏覽：1166次

摘 要： 【摘要】現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，科技也得到了迅猛的進(jìn)步，許多在上一代人觀念中難以實(shí)現(xiàn)的事實(shí)也隨著科技的應(yīng)用得到實(shí)現(xiàn)，智能機(jī)器人在現(xiàn)階段處在不斷研發(fā)和應(yīng)用的階段。高中生對(duì)于這類內(nèi)容有著較強(qiáng)的興趣，許多高校也開設(shè)了相關(guān)的人工智能或機(jī)器人專業(yè)，這

　　【摘要】現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，科技也得到了迅猛的進(jìn)步，許多在上一代人觀念中難以實(shí)現(xiàn)的事實(shí)也隨著科技的應(yīng)用得到實(shí)現(xiàn)，智能機(jī)器人在現(xiàn)階段處在不斷研發(fā)和應(yīng)用的階段。高中生對(duì)于這類內(nèi)容有著較強(qiáng)的興趣，許多高校也開設(shè)了相關(guān)的人工智能或機(jī)器人專業(yè)，這使得高中生的學(xué)習(xí)有了前進(jìn)的明確目標(biāo)和方向。高中的許多知識(shí)實(shí)際上也已經(jīng)在智能機(jī)器人的研發(fā)中得到了應(yīng)用，本文就此探討了相關(guān)的內(nèi)容。

　　【關(guān)鍵詞】高中知識(shí);智能機(jī)器人;研發(fā)運(yùn)用

　　引言

　　目前高中的數(shù)理化知識(shí)中有不少已經(jīng)應(yīng)用于人工智能的發(fā)展和研究，同時(shí)也有一部分學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠有助于更好的了解智能機(jī)器人。智能機(jī)器人的研究方向較為廣泛，有運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的研究、機(jī)器人內(nèi)部發(fā)電原理的研究、制作機(jī)器人材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)研究。同時(shí)也可以根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用范圍進(jìn)行分類，如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的家務(wù)型機(jī)器人、工業(yè)中的操作性機(jī)器人、用于自然災(zāi)害或急救行動(dòng)中的搜救類機(jī)器人，越來越多類型的機(jī)器人得到研發(fā)和實(shí)踐，而所有機(jī)器人的根本都是驅(qū)動(dòng)和控制。其中也包含著豐富多樣的理科知識(shí)。

　　高中數(shù)學(xué)知識(shí)在智能機(jī)器人研發(fā)過程中的運(yùn)用

　　在高中數(shù)學(xué)的笛卡爾坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)系以及大部分學(xué)習(xí)過的函數(shù)都能夠有效應(yīng)用在操控機(jī)器人上，機(jī)器人的動(dòng)作姿態(tài)以及運(yùn)動(dòng)軌跡、指令變化等內(nèi)容都需要利用數(shù)學(xué)中的內(nèi)容才能有效實(shí)踐。智能機(jī)器人活動(dòng)結(jié)構(gòu)之間以及連桿之間需要通過多個(gè)世界坐標(biāo)系來建立數(shù)學(xué)模型和定義物理變化，為了指令能夠做到清晰準(zhǔn)確，需要在每個(gè)自由度上建立分坐標(biāo)系，即局部坐標(biāo)系。通過基本的拋物線在笛卡爾空間中的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出活動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)酵素和速度，然后在每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間利用拋物線進(jìn)行函數(shù)繪畫即可[1]。

　　高中化學(xué)知識(shí)在智能機(jī)器人研發(fā)過程中的運(yùn)用

　　化學(xué)同樣與智能機(jī)器人的研發(fā)有著密切的聯(lián)系，其中材料化學(xué)中高分子化合物與材料對(duì)于機(jī)器人的制作有著重要的意義，在機(jī)器人外殼的設(shè)計(jì)上，可以根據(jù)其用途選擇仿真的人體纖維外殼或者能夠有效抵抗直接作用在外殼上暴力的堅(jiān)硬材料。同時(shí)芯片、傳感器等內(nèi)部材料同樣需要借助化學(xué)知識(shí)，選擇穩(wěn)定的材料。同時(shí)機(jī)器人能源如電池等原材料的性能也直接決定了智能機(jī)器人的品質(zhì)。

　　高中物理知識(shí)在智能機(jī)器人研發(fā)過程中的運(yùn)用

　　物理學(xué)作為機(jī)器人專業(yè)的關(guān)鍵，包含了大部分機(jī)器人的理論基礎(chǔ)，其中光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等都有涉及到。首先要控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度就需要在電腦上繪制其v-t圖，建立起先加速再勻速最后減速停下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，通過機(jī)器人內(nèi)部傳感器鎖進(jìn)行感知和接收，同時(shí)利用其他基礎(chǔ)物理學(xué)內(nèi)容又可以將其進(jìn)行優(yōu)化，使得更符合人性化的設(shè)計(jì)，操作更為便利，如機(jī)器人可以接收人的聲音指令，那么便是通過聲波的識(shí)別和接收來進(jìn)行的，例如現(xiàn)在的很多智能手機(jī)都帶有智能助手，能夠輸入固定指令來啟動(dòng)，為用戶提供更加便捷和高效的服務(wù)，在智能機(jī)器人中應(yīng)用該功能則是模擬仿真人類的聽覺。同時(shí)給智能機(jī)器人裝置眼睛是通過光來進(jìn)行識(shí)別，這一原理利用的缺點(diǎn)是反光情況下機(jī)器人無法識(shí)別物體。機(jī)器人的任何行動(dòng)都與物理中的力學(xué)、電磁學(xué)、電學(xué)有著密切的聯(lián)系，各式各樣的傳感器也具備這多樣的物理原理。

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　　以智能掃地機(jī)器人為例，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及減速波箱兩部分構(gòu)成，廠家根據(jù)情況選擇小功率直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)以及無刷電機(jī)等。但由于這類電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩難以直接滿足智能掃地機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)要求，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速和增大扭矩，以此滿足小體積的工作需求。其中就運(yùn)用到了杠桿原理，杠桿包含支點(diǎn)、受力點(diǎn)和施力點(diǎn)三點(diǎn)，滿足三點(diǎn)條件即為杠桿，杠桿平衡的條件是動(dòng)力乘以動(dòng)力臂等于助力乘以阻力臂。在雙齒輪中可以明顯看到杠桿的模型，小齒輪為阻力，小齒輪半徑為阻力臂，大齒輪為動(dòng)力，大齒輪半徑為動(dòng)力臂，半徑越大力相應(yīng)越小，因此小齒輪的模數(shù)要比大齒輪要更大，以此滿足小齒輪的應(yīng)力要求。同時(shí)齒輪除了能夠改變力的大小，對(duì)于速度也有著影響。功率是力和速度的乘積，從能量守恒定律來看，動(dòng)力通過齒輪傳遞時(shí)，由于效率問題齒輪本身也消耗了能量，因此齒輪摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生熱能。速度一定時(shí)功率和力是成正比，功率和速度的關(guān)系是力一定是功率和速度成正比，因此做功的力越大，其速度越大。力學(xué)所涉及到內(nèi)容一般是設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功率是所需要應(yīng)用，地面的正常摩擦系數(shù)在0.1到0.2之間，滑動(dòng)摩擦力則為動(dòng)摩擦因數(shù)正壓力，對(duì)于自重約在4公斤的智能機(jī)器人，滑動(dòng)摩擦力為4-8牛，常規(guī)智能掃地機(jī)器人移動(dòng)速度較慢，目測(cè)取1.5m/s，可以得出移動(dòng)功率為4-6瓦，減速波箱的效率假設(shè)為0.8，可得出結(jié)果智能掃地機(jī)器人的直流電機(jī)功率為5-7瓦[2]。還有如搬運(yùn)物件的智能機(jī)器人為例，在工作中會(huì)面對(duì)各種各樣的問題，特別是運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，將所有問題的求解預(yù)先設(shè)計(jì)到機(jī)器中是難以實(shí)現(xiàn)的，特別是在搬運(yùn)雜物或者在危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，而且搬運(yùn)的物體形狀、性質(zhì)也有差異，因此需要智能機(jī)器人能夠掌握一定基礎(chǔ)物理學(xué)，通過電腦進(jìn)行模擬[3]。

　　結(jié)語

　　總而言之，高中知識(shí)其實(shí)以及被廣泛應(yīng)用到智能機(jī)器人的各項(xiàng)研究和制作過程中，對(duì)于高中生而言，制作具有一定的難度和挑戰(zhàn)性，需要將數(shù)理化各科知識(shí)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)建完整的知識(shí)體系，數(shù)學(xué)作為機(jī)器人算法的基礎(chǔ)是必備的，物理學(xué)對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)動(dòng)以及工作起到?jīng)Q定性作用，化學(xué)則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人專業(yè)化和人性化的重要手段。——論文作者：劉璐寧

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