在过去的十几年里，机器人技术得到了巨大的提高，其应用也更是令人激动人心。机器人潮流回归，对于工程师来说，设计新一代机器人是最激动人心的项目类型之一。
        青少年比赛的人气有所增长，包括全美高中FIRST机器人比赛以及针对更小的孩子的FIRST乐高机器人比赛。在工业化的世界中，每一个“玩具商店”里都塞满了计算机控制的“玩具”，而仅仅在二十年前www.cechina.cn，这些“玩具”都能称为最先进的机器人。令人称奇的Roomba自动真空吸尘器——世界上第一个家庭机器人清洁设备，所带来的衍生产品的发展为学习和探索机器人技术提供了可行平台。
        新一代的工程与科学技术，加快了现代机器人社会的创新步伐并为其提供了动力。曾经只有在科幻小说中才会出现的技术，现在的工程师已经可以达到了。
        机电一体化的出现
        机电一体化是近几十年来工程领域最重要的技术之一，它是复杂机械电子系统的计算机化控制。一旦工程师得到了使用计算机芯片实现数字控制的可行方案，复杂设备的智能控制的可行框架就会问世。机电一体化是20世纪60年代后期由日本工业机械设计工程师所提出。如今机电一体化技术已经被大量地应用在工业领域，包括汽车、航天、制造业、能源行业，当然还有机器人。
        机电一体化五十年的发展让我们看到了飞速的改变，和其他的技术驱动时期一样，机器人的发展已经得到指数型增长。但正如其他很多技术，传统技术和工具的有效性也有一定的自然限制。例如，在汽车工业中，物理建模联盟 (Plant Modeling Consortium, PMC)的成员（一个由丰田和供应建模软件原始设备制造厂商Maplesoft引导的行业智囊团），正商讨下一代汽车在建模和设计控制系统方面所面临的挑战。复杂系统应用如混合动力电动汽车（HEV）和纯电动汽车正面临的基础障碍已经引发了建模过程的反思。HEV的跨领域特性要求更精密的技术和从软件工具到多领域整合所能提供的更大的灵活性。在复杂系统中控制工程网版权所有，硬件在环（HIT）仿真作为一个重要测试步骤，所需模型的运行速度通常不足以达到实时时钟速度，强制逼近法和简化法就降低了模型高保真度的效果。
        尽管与PMC对汽车技术的影响形式上不尽相同，机器人的这种趋势也是明显的。在二十世纪九十年代末期CONTROL ENGINEERING China版权所有，加拿大航天局（CSA）引入了一项新技术用来提高航天飞机和国际空间站(Canadarm加拿大太空臂和Dextre机器人)的机械手建模的保真度。CSA工程师是通过开发软件工具来自动化和优化动态模型方程式推导的先驱。这些操纵器固有的复杂性使得传统的人工推导方程式行不通。为了获得重要的系统的动力学模型，CSA工程师需要开发一种方程式自动推导和为实时仿真测试自动生成C代码的技术。他们基于符号计算系统开发了Symofros程序。符号计算用来执行模型推导的代数计算步骤、模型简化和产生的数学表达式到C代码的转换。这个结果在模型运行时间上有实质性减少，有更高的模型保真度和通过C代码实现的实时可行速度。

图1 加拿大航天局的空间手臂连接到国际空间站。图片来源：Maplesoft公司。

        符号模型，无人机
        在过去的十年里，一大批工程师和研究团队开始探索符号模型的构想和自动代码优化。AEMKSystems公司的DeltaBotwww.cechina.cn，一个新的Delta型取放机器人，和其他的Delta型机器人不同，它使用电缆代替刚性链接，以得到更快更准确的响应、消除反冲和可以带更多有效负载。AEMK公司的创始人和总裁Amir Khajepour博士，在动态模型中应用符号技术，获得缆线系统的关键动态方程，减少了原型机制造时间和成本。他会继续探索符号建模技术。

图 2  Deltabot（右图）和Maplesim模型。图片来源：Maplesoft公司。

        这些案例的研究强调了仿真工具的适度调整是如何改善结果的。第一阶段建模过程的额外步骤：方程推导。在符号模型第一次应用时，符号模型技术并不是新兴事物。在CSA和Deltabot的例子中CONTROL ENGINEERING China版权所有，符号工具已经成熟，这种语言的水平足以使编程作业有效。即使对于早期实验，结论也是显而易见的。在模型公式化时，通过符号计算工具实现模型等式的用户级别访问能够使模型更加有效。在接下来的阶段继续应用符号技术，包括实时工厂代码生成，也能解决HIL的瓶颈问题。
        符号技术的应用已经得到迅速发展，很多更加精简的产品正进入主流工程中。其中一个领域就是自动车辆，如无人驾驶航空器（UAV）或无人驾驶地面车辆（UGVs）。这些应用都包含复杂的运动，通过车载算法进行智能导航。这些设备可用于更多领域的工程领域实验和研究而不仅仅是军事领域。Quanser Consulting，一家专注于机电一体化实验的公司，最近介绍了他的Qball-X4直升机系统，它是一个用于学习和完善无人机的有效且并不昂贵的平台。
        在现代工程中，似乎没有什么比类人机器人更令人叫绝的了。丰田公司一直在与位于东京的著名的Waseda大学Takanishi实验室合作，包括WABIAN机器人。该实验室的机器人可以演奏乐器、显示面部表情或背负一个人安全地上下楼梯。

图 3 Waseda 大学Takanishi 实验室的 WABIAN 2 类人机器人。 图片来源：Maplesoft公司。

        Drexel自动化系统实验室（DASL）主任Paul Oh博士说，类人的研究和发展对日本、韩国及其他国家构成了现代的“太空竞赛”，这是一个非常明显的技术能力和创造力的结合，并能激励年轻一代。类人的研究也取决于多体动力学理论和HIL测试。符号推导和代码优化已开始影响类人机器人的技术和思想。
        更智能的建模技术将继续机器人革命：对机器人来说，减少模型开发时间，增加模型的仿真度和更快的HIL性能是至关重要的。