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        二點(diǎn)五米高巨型機(jī)器人誕生能拿“金箍棒”還能“修鐵路”

        2021-12-07 16:47:28
        海外星云 2021年17期
        關(guān)鍵詞:金箍棒人機(jī)轉(zhuǎn)矩

        約2.5米高的機(jī)器人是什么概念?

        它共有兩個(gè)版本,分別是“三手指”版本和“鐵鏟手”版本。如下圖,它手中拿著一個(gè)氣球,并用兩個(gè)類似眼睛的小相機(jī)環(huán)顧四周。

        它的名字叫“零式人機(jī)”,身上沒有任何皮膚,裝在一個(gè)鋁合金機(jī)身中,它擁有軀干、手臂和頭部, 頭部很小甚至比手掌還小。

        另一個(gè)版本的機(jī)器人,每只手有3個(gè)手指來抓握物體。在測(cè)試期間,它能抓住聚合物棍棒和足球。

        綜合來看,它是一款用觸覺裝置控制的超大型機(jī)器人,研發(fā)人員還為其開發(fā)了一種人機(jī)協(xié)同效應(yīng)裝置。

        機(jī)器人位于一個(gè)高平臺(tái)上,操作者則在幾米遠(yuǎn)的地方,戴著一款虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)頭盔來控制機(jī)器人,頭盔上帶有不同操縱桿。這樣,操作員的任何動(dòng)作,都會(huì)立即由機(jī)器人表現(xiàn)出來。通過這些感官數(shù)據(jù),當(dāng)操作人員移動(dòng)手臂時(shí),機(jī)器人就會(huì)做出類似動(dòng)作。

        據(jù)悉,這是日本一家名為Man-MachineSynergy Effectors研發(fā)的機(jī)器人,創(chuàng)始人是金岡博士,此前他在日本立命館大學(xué)機(jī)器人系任教。

        廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院黃之峰副教授表示:“這很科幻,機(jī)器人可在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)等任務(wù),而搖操作也是目前比較現(xiàn)實(shí)的做法。這么大的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同操作,系統(tǒng)集成的復(fù)雜度很高?!?p>

        既能握足球,也能手持“金箍棒”

        由圖可知, 這是一種由觸覺設(shè)備控制的巨型人形機(jī)器人,與我們平時(shí)看到的人形機(jī)器人并不相同。在特殊情況下,類人機(jī)器人確實(shí)需要更大尺寸,也正因此它們?cè)诮ㄖさ睾妥匀粸?zāi)害地區(qū)非常有幫助。

        機(jī)器人最重要的部分是手,如下圖,它能握持棍子和足球。組裝機(jī)器人時(shí),工作人員將一個(gè)人形上身機(jī)器人,附著在一個(gè)大型機(jī)械臂的尖端,伴隨著工作人員在地面控制臺(tái)的指揮,機(jī)器人就像在太空中飛來飛去一樣自由工作。

        據(jù)悉,“零式人機(jī)”專為繁重的工作、裝配線、救援或探索任務(wù)而設(shè)計(jì),這些工作人類往往無法完成。它還能進(jìn)行高空重型機(jī)械化作業(yè),其搭載的力控技術(shù)和功率放大控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在高處執(zhí)行高負(fù)荷任務(wù)。

        在鐵路維修等艱難環(huán)境中,它能輕松地拿起重型物品。事實(shí)上,該公司并不算一家“萌新”企業(yè),其成立于2007年。

        創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)很早就意識(shí)到,這種能舉起大重量物品的巨型機(jī)器人是未來的趨勢(shì)之一,他們認(rèn)為這類機(jī)器人將經(jīng)常出現(xiàn)在各種工廠中,也會(huì)被相關(guān)機(jī)構(gòu)用于勘探或救援工作。

        在那些需要人類攀爬并具備一定風(fēng)險(xiǎn)的工作中,“零式人機(jī)”還具有提高工作效率、消除職業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)、確保安全的優(yōu)勢(shì)。這樣一來,人類只需在安全舒適的環(huán)境中操作機(jī)器人,讓“零式人機(jī)”去從事繁重勞動(dòng)即可。

        不過,本身也從事此類機(jī)器人研究的黃之峰表示:“這款機(jī)器人的挑戰(zhàn)點(diǎn)目測(cè)有兩個(gè):一是動(dòng)力學(xué)模型,本身機(jī)械臂太重了,如果再加上末端抓取重物,這時(shí)沒有很好的動(dòng)力學(xué)模型做配合,操作員要想進(jìn)行靈活操作會(huì)很困難。

        二是這家公司或許應(yīng)該更詳盡地考慮雙臂運(yùn)動(dòng)過程的實(shí)時(shí)避障規(guī)劃,這其中又分為兩點(diǎn):其一需要更多的傳感器來實(shí)現(xiàn)全局視角信息的獲取;其二要考慮搖操作過程中如何把碰撞信息反饋給操作員?!?p>

        曾設(shè)想將機(jī)器人用于福島第一核電站災(zāi)后處理

        創(chuàng)始人金岡博士此前留校任教的立命館大學(xué),是日本第一所開設(shè)機(jī)器人系的大學(xué),也是一所積極進(jìn)行產(chǎn)學(xué)合作的大學(xué)。

        他獨(dú)立倡導(dǎo)了人機(jī)協(xié)同效應(yīng)器的概念,二十余年來一直在研究機(jī)器人安裝技術(shù)。

        他成立這家公司,是為了社會(huì)中實(shí)施先進(jìn)機(jī)器人技術(shù),公司也綜合了金岡博士的理念、以及機(jī)器人控制工程技術(shù),并成為一家由日本立命館大學(xué)孵化的創(chuàng)業(yè)公司。

        盡管“ 零式人機(jī)” 在這兩年才開始更加出名, 但該公司已有14年歷史。Man-Machine Synergy公司位于日本滋賀縣草津市,它沒有庫(kù)存、沒有生產(chǎn)線,而是與那些存在難以解決的問題的公司合作。

        他把這種獨(dú)特商業(yè)模式成為“人機(jī)平臺(tái)”,并與一兩家大公司合作實(shí)現(xiàn)了這一商業(yè)模式。目前,他已把七個(gè)平臺(tái)設(shè)想為人機(jī)平臺(tái),其余六個(gè)人機(jī)平臺(tái)正在等待實(shí)施。

        該公司之所以選擇上述商業(yè)模式,也和金岡博士一段“屈辱”的經(jīng)歷有關(guān)。

        2011年3月11日,日本發(fā)生大地震。金岡博士原本希望這些機(jī)器人,能在福島第一核電站事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮積極作用,結(jié)果卻毫無用處,根本沒有產(chǎn)生預(yù)期效果。

        這次“事件”讓他強(qiáng)烈感受到機(jī)器人技術(shù)的無能為力,但他沒有放棄,并繼續(xù)研究和開發(fā)先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù),終于在2014迎來轉(zhuǎn)機(jī)。

        當(dāng)時(shí),“零式人機(jī)”機(jī)器人研發(fā)的前期探索基本完成,同時(shí)他也找到了此前失敗的原因— — 機(jī)器人的控制力比想象中困難得多。

        也就是說,機(jī)器人雖然可通過有限動(dòng)作在一定程度上控制力,但尚未達(dá)到人機(jī)融合的需要。

        日后,金岡博士提出了操縱力理念,其中不僅包括簡(jiǎn)單地施加一種單向確定的力,還包括對(duì)不可預(yù)測(cè)的外力做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

        具體來說,轉(zhuǎn)矩可以帶來旋轉(zhuǎn)力、并能控制電機(jī),電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、與輸入轉(zhuǎn)矩的指令值相匹配。由于電機(jī)電流和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩幾乎成正比,所以一般通過控制電機(jī)的電流來控制轉(zhuǎn)矩。

        以人類日常生活中的簡(jiǎn)單動(dòng)作開門和關(guān)門為例,開門的任務(wù)包括三個(gè)動(dòng)作:首先握住門把手,然后轉(zhuǎn)動(dòng)門把手,最后圍繞鉸鏈打開門。

        這對(duì)一個(gè)不假思索就能掌控力氣的人來說非常簡(jiǎn)單,然而用工業(yè)機(jī)器人來完成這項(xiàng)工作并不容易,首先它需要測(cè)量門的尺寸和鉸鏈位置,然后通過某種方式提前測(cè)量門把手的形狀和運(yùn)動(dòng)。

        期間,必須分解一個(gè)個(gè)動(dòng)作,并將系列動(dòng)作放到機(jī)器人中, 比如準(zhǔn)確地抓住門把手,準(zhǔn)確地圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),然后沿著以鉸鏈為中心的弧線移動(dòng)。

        如果機(jī)器人稍微多移動(dòng)一點(diǎn),它就會(huì)打破門,而這正是金岡博士提倡的動(dòng)力操控技術(shù)正是要攻克上述難題。

        下圖是他繪制的機(jī)器人圖,圖片的上半部分是“自主型”,它是一種通過預(yù)先編寫程序,并根據(jù)程序進(jìn)行操作的方法;下半部分是“操作控制型”,人類可以實(shí)時(shí)操作并靈活執(zhí)行程序以外的任務(wù)。

        按需生產(chǎn)機(jī)器人,避免貨砸手里

        如今,金岡博士走的是先獲取客戶、再定制產(chǎn)品的路線, 其一可以按需生產(chǎn)機(jī)器人,其二還可避免盲目生產(chǎn),導(dǎo)致貨砸在手里。

        目前該公司已和兩家日本公司JR West和Nippon Signal合作,實(shí)現(xiàn)人機(jī)平臺(tái)的早期商業(yè)化。

        JR West是一家鐵路公司,該公司的主要業(yè)務(wù)之一是在夜間維護(hù)鐵路架空線。以前,技術(shù)工人要在高海拔地區(qū)從事這項(xiàng)工作,但有了“零式人機(jī)”機(jī)器人,即可在偏遠(yuǎn)地區(qū)代替人工。

        金岡博士表示,JR West公司對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)有著強(qiáng)烈的使命感和責(zé)任感。而他和公司該做的是提供可行的解決方案,而不單單是提供一個(gè)單一技術(shù)。

        如下圖,這是該公司和JR West公司合作的通用人形重型機(jī)械“太空重工”的PoC原型,目前尚未作為產(chǎn)品完成。

        此外,自2021年7月1日起,該公司已開始生產(chǎn)和銷售原始人形重型機(jī)器“零式人機(jī)”的動(dòng)作玩偶和立體模型。該人偶是3D打印機(jī)制作的人偶,以1/35的比例再現(xiàn)了“零式人機(jī)”。

        2021年末,金岡博士預(yù)計(jì)將開始一項(xiàng)驗(yàn)證測(cè)試,屆時(shí)機(jī)器人將使用工具擰緊螺絲,并能執(zhí)行噴漆動(dòng)作,測(cè)試成功之后,“零式人機(jī)”即可參與軌道上架空電線的維護(hù)工作。

        2025年,金岡博士還將推出接近人形的重型機(jī)器。該公司表示,屆時(shí)該機(jī)器人可將“力漸進(jìn)雙邊控制”技術(shù)與人機(jī)相結(jié)合,機(jī)器人可根據(jù)人的直覺意圖執(zhí)行任務(wù)。該公司希望在2025年大阪-關(guān)西世博會(huì)舉行時(shí),將這款機(jī)器人投入實(shí)際運(yùn)行。

        據(jù)悉,它旨在在危險(xiǎn)場(chǎng)所工作,包括在核電站處理危險(xiǎn)化學(xué)品的設(shè)施。在與日本石油供應(yīng)商Eneos的聯(lián)合試運(yùn)行期間,機(jī)器人成功將燒杯中的液體倒入量筒,并用手推動(dòng)進(jìn)行運(yùn)輸。 (綜合整理報(bào)道)(編輯/克珂)

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