几何机器人研究和发展.pdfVIP

科技导报2015，33（23） 几何机器人的研究与发展几何机器人的研究与发展 姚燕安 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044 阐述了几何机器人的基本概念、数学构型、力学机制、工程应用、艺术设计及哲学思考。以几何机 器人的科学研究为基础，提出以几何机器人为载体的MSEAP研究与教育理念，即将数学、科学、工程、 艺术和哲学融合于几何机器人的学习、研究以及应用，旨在修养形成数学家的逻辑思维、科学家的创新 精神、工程师的实践能力、艺术家的美学视野、哲学家的普世情怀。 机器人的概念，首先为大众所熟知 几何。在平面几何中，三角形和四边形 三个安装电机，控制三个电机的旋转角 的，是指仿人型的两足机器人，称为“足 是最为基础的几何图形。本文首先介 度，即可使得此三角形的三个边长和三 式机器人”。再者，研究者将足式机器 绍研制的三角形机器人、四边形机器人 个角度产生变形。 人的概念扩展至包括四足仿马机器人、 和各种多边形机器人。 将此三角形置于地面上，以一条边 六足仿昆虫机器人、八足仿蜘蛛机器人 1.1 多边形机器人 的底部着地，三角形平面与地面垂直。 等机器动物。此外，还有非足式的蛇形 如以三角形组成物理实体，则因其 在结构设计上，需要使每条边的宽度适 机器人。进而，广义的机器人概念还包 为固定结构，不能变形，也不能移动。 当，以使三角形不会左右翻倒。这样， 括虽并非人或动物形态、但也具有移动 欲使一个三角形移动，必先设法使其能 按照一定的逻辑次序，控制三个驱动电 能力的轮式机器人、履带式机器人、球 够变形。将三角形的每条边均设计成 机改变三条边长和三个角度，即可使得 形机器人以及轮腿、轮履等各种复合式 以移动关节连接的两个杆，每个角均设 三角形的重心向左（或向右）移动，称其 [4] 机器人。 计成为转动关节。如此，即得到一个三 为“滚动三角形机器人”，如图1所示 。 几何机器人的概念，与轮式、履带 条边的边长和三个角的角度均可变化， 若改变杆件的形状，则可改变三角 式、足式、蛇形及球形等现有各类机器 并因而整体上可变形的三角形。在此 形机器人的移动方式。例如，将三角形 [1~3] 人均不相同 。几何机器人是由多个 三个移动关节和三个转动关节中任选 的两条边进行延长作为双足，交替使用 连杆通过活动铰链铰接构成的三角形、 四边形、五边形及各种多边形，以及四 面体、五面体、六面体及各种多面体，或 者网格图形、组合图形等几何形体，具 有折叠、缩放、扭曲等可变外形的能力， 并可实现以步行、滚动、爬行、滑行等各 （a）机构原理简图 （b）滚动三角形机器人翻滚步态示意 种移动模式在地面上移动。 简要而言，依据几何图形以连杆机 构制成物理实体，并施加动力使其变形 且可在地面上行走，将此类新概念机器 人命名为“几何机器人”。 （c）滚动三角形机 （d）滚动三角形机器人滚动试验 1 几何机器人的数学构型 器人样机 欧式几何学分为平面几何和立体 图1 滚动三角形机器人 72 2015世界机器人大会报道特刊