谈高中知识在智能机器人研发过程中的运用

刘璐宁

【摘要】现代社会经济飞速发展，科技也得到了迅猛的进步，许多在上一代人观念中难以实现的事实也随着科技的应用得到实现，智能机器人在现阶段处在不断研发和应用的阶段。高中生对于这类内容有着较强的兴趣，许多高校也开设了相关的人工智能或机器人专业，这使得高中生的学习有了前进的明确目标和方向。高中的许多知识实际上也已经在智能机器人的研发中得到了应用，本文就此探讨了相关的内容。

【关键词】高中知识；智能机器人；研发运用

0. 引言

目前高中的数理化知识中有不少已经应用于人工智能的发展和研究，同时也有一部分学习内容能够有助于更好的了解智能机器人。智能机器人的研究方向较为广泛，有运动轨迹和运动姿态的研究、机器人内部发电原理的研究、制作机器人材料的特点和优势研究。同时也可以根据机器人的实际应用范围进行分类，如现在广泛应用的家务型机器人、工业中的操作性机器人、用于自然灾害或急救行动中的搜救类机器人，越来越多类型的机器人得到研发和实践，而所有机器人的根本都是驱动和控制。其中也包含着丰富多样的理科知识。

1. 高中数学知识在智能机器人研发过程中的运用

在高中数学的笛卡尔坐标系中的直角坐标系以及大部分学习过的函数都能够有效应用在操控机器人上，机器人的动作姿态以及运动轨迹、指令变化等内容都需要利用数学中的内容才能有效实践。智能机器人活动结构之间以及连杆之间需要通过多个世界坐标系来建立数学模型和定义物理变化，为了指令能够做到清晰准确，需要在每个自由度上建立分坐标系，即局部坐标系。通过基本的抛物线在笛卡尔空间中的节点计算出活动结构的转动酵素和速度，然后在每个节点之间利用抛物线进行函数绘画即可^[1]。

2. 高中化学知识在智能机器人研发过程中的运用

化学同样与智能机器人的研发有着密切的联系，其中材料化学中高分子化合物与材料对于机器人的制作有着重要的意义，在机器人外壳的设计上，可以根据其用途选择仿真的人体纤维外壳或者能够有效抵抗直接作用在外壳上暴力的坚硬材料。同时芯片、传感器等内部材料同样需要借助化学知识，选择稳定的材料。同时机器人能源如电池等原材料的性能也直接决定了智能机器人的品质。

3. 高中物理知识在智能机器人研发过程中的运用

物理学作为机器人专业的关键，包含了大部分机器人的理论基础，其中光学、电学、力学、声学等都有涉及到。首先要控制机器人的运动速度就需要在电脑上绘制其v-t图，建立起先加速再匀速最后减速停下的机器人运动速度，通过机器人内部传感器锁进行感知和接收，同时利用其他基础物理学内容又可以将其进行优化，使得更符合人性化的设计，操作更为便利，如机器人可以接收人的声音指令，那么便是通过声波的识别和接收来进行的，例如现在的很多智能手机都带有智能助手，能够输入固定指令来启动，为用户提供更加便捷和高效的服务，在智能机器人中应用该功能则是模拟仿真人类的听觉。同时给智能机器人装置眼睛是通过光来进行识别，这一原理利用的缺点是反光情况下机器人无法识别物体。机器人的任何行动都与物理中的力学、电磁学、电学有着密切的联系，各式各样的传感器也具备这多样的物理原理。

以智能扫地机器人为例，其运动系统一般由驱动电机以及减速波箱两部分构成，厂家根据情况选择小功率直流电机或步进电机以及无刷电机等。但由于这类电机转速和扭矩难以直接满足智能扫地机器人的驱动要求，需要对电机进行减速和增大扭矩，以此满足小体积的工作需求。其中就运用到了杠杆原理，杠杆包含支点、受力点和施力点三点，满足三点条件即为杠杆，杠杆平衡的条件是动力乘以动力臂等于助力乘以阻力臂。在双齿轮中可以明显看到杠杆的模型，小齿轮为阻力，小齿轮半径为阻力臂，大齿轮为动力，大齿轮半径为动力臂，半径越大力相应越小，因此小齿轮的模数要比大齿轮要更大，以此满足小齿轮的应力要求。同时齿轮除了能够改变力的大小，对于速度也有着影响。功率是力和速度的乘积，从能量守恒定律来看，动力通过齿轮传递时，由于效率问题齿轮本身也消耗了能量，因此齿轮摩擦时会产生热能。速度一定时功率和力是成正比，功率和速度的关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。力学所涉及到内容一般是设计智能扫地机器人的驱动功率是所需要应用，地面的正常摩擦系数在0.1到0.2之间，滑动摩擦力则为动摩擦因数正压力，对于自重约在4公斤的智能机器人，滑动摩擦力为4-8牛，常规智能扫地机器人移动速度较慢，目测取1.5m/s，可以得出移动功率为4-6瓦，减速波箱的效率假设为0.8，可得出结果智能扫地机器人的直流电机功率为5-7瓦^[2]。还有如搬运物件的智能机器人为例，在工作中会面对各种各样的问题，特别是运动学问题，将所有问题的求解预先设计到机器中是难以实现的，特别是在搬运杂物或者在危险的环境下工作，而且搬运的物体形状、性质也有差异，因此需要智能机器人能够掌握一定基础物理学，通过电脑进行模拟

^[3]。

3. 结语

总而言之，高中知识其实以及被广泛应用到智能机器人的各项研究和制作过程中，对于高中生而言，制作具有一定的难度和挑战性，需要将数理化各科知识进行有机的结合，构建完整的知识体系，数学作为机器人算法的基础是必备的，物理学对于机器的正常运动以及工作起到决定性作用，化学则是实现机器人专业化和人性化的重要手段。

【参考文献】

[1]韩子岳. 浅谈高中所学物理知识在人工智能中的应用及意义[J]. 中国科技投资, 2018, 000(030):196.

[2]王德贵. 高中物理知识在机器人教育中的应用[J]. 高考, 2019, No.342(12):280-280.

[3]王文轩. 浅析高中物理在人工智能领域中的应用[J]. 中国高新区, 2019, 000(002):97.

作者简介：刘璐宁，2005年1月，男，汉族，山东平度，高中在读。学校：山东省临沂第一中学