密歇根探究項目

機械臂物體抓取的模擬與控制

課題簡介

盡管在大多數科幻影視以文學作品里，機器人常常是以智能擬人型的狀態出現，機器人(Robotics)的定義卻不僅僅局限于類人形機器人（Humanoid Robot）, 它涵蓋著感知，設計，制造和運作等方面，并且廣泛的運用在當代社會。這其中就包括著本課題的中心：機械手臂。它是具有仿人手臂功能并可完成各種作業任務的自動控制設備。機械手臂擁有多關節連接并節允許其在平面及三維空間中進行各種運動，也正是這種特性，使其成為了在教學及工業界最頻繁使用的一類機器人。

本課題將圍繞機械手臂，從應用和科研的角度涉足機器運動規劃，運動學和逆運動學等等多種實用的機器人相關知識。我們將從基礎線性代數及幾何學開始，逐漸深入講解機器人理論知識，并讓學生基于虛擬機械手臂模擬空間運動，強化并運用所學知識從而達到課題目標。通過本課題的學習，學生將對機器人學有所認知，并對以后的相關學習起到幫助。

 

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術。與傳統的實驗相比，計算機模擬技術通過數學建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復試錯的優點。同時，由于計算機模擬技術黑箱化了復雜的理論推導與數據計算，能夠以直觀的方式呈現研究的成果，對于初次涉獵科學研究的高中生而言，也更為簡單易學、容易上手。

例如：在設計外太空的衛星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現外太空的環境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛星的軌道進行模擬、反復實驗，并基于模擬實驗的結果，完成科學的軌道設計。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學生，有較強的邏輯思維和抽象思維能力

英文：
1、具備基本的學術英語閱讀能力；
2、接觸過英文寫作，有論文寫作經驗者更佳；

數學：
1、幾何學；
2、線性代數；

計算機：
1、最好有Python語言編程經驗；
2、如果沒有，希望能在課題開始后的1-2周進行強化學習并能較熟練的應用；
3、相關Library: https://pybotics.readthedocs.io/en/latest/ 。