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借助Solid Edge®CAD软件，Van Robotics可以实现其设计智能、物理化的机器人导师的愿景，在课堂上执行机器学习任务。
在很多方面，阿比就像一名助教。她为学生提供循序渐进的数学和阅读指导，并能适应他们的个人学习习惯。她知道学生什么时候不注意，喜欢用击掌来换取正确答案。但在其他方面，阿比有所不同。她身高只有15英寸，眼睛闪着耀眼的紫色光芒，身上布满了五颜六色的电线。阿比是一位聪明的机器人导师，她已经为幼儿园到五年级（K-5）的孩子们的学习带来了革命性的变化。
ABii是初创公司Van Robotics的创意产品，它是在数十年的大学儿童机器人交互和教育干预研究基础上建立起来的。这个由计算机科学家、机器人学家和认证教育工作者组成的多学科团队正在社会机器人学和人工智能（AI）领域开辟新天地。自2016年成立以来，该公司一直致力于开发智能机器人导师，以改善有认知、学习和发展困难的K-5儿童的学习过程。其旗舰ABii机器人通过有趣的社交互动（从拳头碰撞到舞会）个性化数学和阅读课程。能够使用任何支持Wifi的设备，她还基于复杂的机器学习（ML）技术调整与每个学生的互动。
除了ABii之外，Van Robotics还有第二个正在开发的机器人导师——MARii，一个音乐助手机器人，教患有轻度认知障碍的老年人如何弹钢琴。MARii配备了传感器来检测用户的压力和挫折感，利用音乐来改善成年人的认知和情绪健康。由美国国家卫生研究院（NIH）资助的临床试验将于今年夏天开始。
超越屏幕
如今，全球数千名儿童使用ABii，其中包括美国、英国、德国、阿联酋和卡塔尔的30多个州。结果如下:2018年，Van Robotics在堪萨斯州、阿拉巴马州、纽约和德克萨斯州的学校中进行了一项功效研究，报告称，67%的数学测试成绩低于精通水平的学生在接受了两到三次ABii课程后，平均提高了34%。“孩子们自然想和机器人接触，”Van Robotics公司首席执行官劳拉·博坎福索博士说。“对于ABii，我们希望确保我们设计和制造的机器人能够与它们很好地合作。”
这种参与归功于Boccanfuso的理念，即机器人是软件的物理体现，比传统的基于屏幕的工具为学习过程带来更多价值。出于这个原因，在第一次在餐巾纸上勾勒出她对ABii的想法之后，她花了很多时间考虑对机器人的设计进行微调。Boccanfuso说：“我们的目标是以一种超越基于屏幕的界面的方式让孩子们参与进来。”。“我们很欣赏ABii是一种经过工程设计的、具有物理实体的机器人，它能够以基于屏幕的应用程序无法实现的方式为学生模拟场景。”
从最初的餐巾素描开始，波坎富索就必须让阿比的身体形态恰到好处。ABii是一款先进的机电一体化软件包，融合了多年来儿童机器人交互方面的研究成果。机器人身高15英寸，当它被放在书桌上时，会与孩子们进行眼神交流。她每只手臂有两个自由度，头部也有两个自由度，总共有六个。她故意比玩具大，但又不至于太大而吓唬学生。她也很有人情味，能够用孩子们已经熟悉的肢体语言来表达情感——但不像她那样令人讨厌。
博坎福索说：“我们知道阿比需要有一个大脑袋，一双大眼睛，看起来很讨人喜欢——就像一个孩子喜欢看的卡通人物一样。”。“我们还特意为喜欢触摸、移动、握住、拥抱和携带物体的学生设计了她。她手臂和腿部的自由度过大可能会使她容易受伤。”
使用机器学习检测性能和注意力
除了她的儿童友好的美学，ABii整合了复杂的软件，利用ML模型，如贝叶斯网络和预测分析，以个性化的互动与学生，并以一种优化他们的学习过程的方式调整课程的节奏。让ABii真正具有开创性的是，这些ML模型一直在使用数千名已经使用她的学生的行为数据进行训练。Boccanfuso说:“多亏了这些数据，我们可以更好地理解影响学生表现的使用模式，ABii可以随时对这些模式做出反应。”
这种训练ABii ML模型的独特能力也使机器人能够对学生的注意力水平做出反应。例如，结合wifi设备和机器人本身的视觉系统，ABii可以“了解”学生的注意力。Boccanfuso说:“面部定位和凝视可以告诉我们很多孩子在课堂上可能错过的东西。”“ABii利用这些数据来重复学生可能遗漏的内容，以填补知识空白。”
这两个层次——表现和注意力——使ABii能够调整每节课的进度，并实时为学生提供适当的回答。例如，如果一个学生在一行中遗漏了几个问题，ABii知道应用额外的积极强化。如果一个学生注意力不集中，阿比知道叫他的名字。如果这种注意力不集中是慢性的，那么她也可能会引导学生通过大脑休息——拉伸、呼吸，或者，对于较小的孩子，“扭动它”
用坚实的边缘实现关键的设计哲学
凭借她风趣、活泼的个性，ABii目前在世界各地的课堂上掀起了一阵波澜，培养了对核心技能的掌握和自信。Boccanfuso知道，为了继续设计和开发物理上包含复杂软件并执行日益复杂的ML任务的机器人，她必须切换到正确的CAD软件——支持复杂物理设计的软件。这些工具将是她的哲学的关键，因为Van Robotics团队向前推进MARii -和超越。
这就是为什么面包车机器人公司选择转向使用立体边缘用于机器人设计的CAD软件。Solid Edge提供一套复杂、紧密集成的工具，包括机械和电气设计、模拟和数据管理等。作为Boccanfuso及其团队的最佳选择，该软件使设计工程师能够轻松解决机器人独有的设计难题，同时降低成本，节省宝贵的设计和开发时间。
例如，Boccanfuso必须在儿童友好性方面接近ABii的机电设计，机器人必须通过ASTM国际认证的一长串儿童安全要求。“阿比的身体各部分之间没有任何间隙，她必须通过两次六英尺的跌落测试，”博坎福索解释道。“就ABii的物理设计而言，我们必须确保她能够经受住学生的安全操纵，并且随着时间的推移仍然具有鲁棒性。”针对这一问题，Solid Edge使用户能够在设计和制造过程中链接和跟踪关键设计要求。它还使所有利益相关者都可以轻松地访问这些要求，确保最终产品满足客户期望并符合重要的行业法规。
Vans Robotics的另一个设计挑战是在调整身体或头部时保持ABii的活动范围。“一旦你开始重新设计身体，你就可能侵犯机器人的活动范围，特别是手臂，”Boccanfuso说。“任何微小的调整都可能产生干扰，但有了Solid Edge，我们现在可以实时检查所有内容，从而节省材料和生产成本。”
类似地，设计大头机器人——就像儿童友好型ABii一样——可能会在颈部产生扭矩问题。借助Solid Edge，工程师可以轻松地解决这些和其他设计难题。例如，它允许用户快速直观地创建和管理大型部件，并提供所有管、管道、导线、钣金和其他零部件的精确表示。该软件将所有内容聚合在数字样机中，以实现更精确的设计和分析，使用户能够：
- 检测和修复冲突和干扰问题
- 围绕三维模型布置导线和线束
- 将电子元件整合到机械设计中
- 执行运动、应力、振动、热和屈曲模拟
- 生成真实规模的数字原型与增强现实能力
- 使用有限元分析（FEA）工具创建有限元网格并定义边界条件
展望未来
Van Robotics证明了Solid Edge的用户友好特性，它能够在短短几周内创建其新型MARii机器人的CAD模型，而不是几个月。“Solid Edge非常直观，”Boccanfuso说。“我们原以为需要整个夏天才能让我们的设计师加快使用该软件的速度。但他们不仅在使用它，他们已经创建了模型——所有这些都是在几周内完成的。与我们早期为ABii设计的工作相比，我们花了六到八个月的时间来创建。”
设计团队在开发和优化MARii时的下一步将是在今年晚些时候对第一个模型进行3D打印，Boccanfuso相信，借助Solid Edge，这一过程将快速、无痛。该软件强大的设计工具，以及其生成性设计和拓扑优化功能，非常适合创建用于3D打印的轻质、复杂和高度定制的形状。Boccanfuso还相信，随着Van Robotics继续设计、改进和开发新机器人，其迭代设计、运动学分析和增强现实功能将派上用场。
“我们主要是一家软件公司，但我们生产的物理机器人使用人工智能，以尽可能适应教育，”她说。“在我们迈向未来的过程中，Solid Edge将对我们至关重要。”
要了解有关Solid Edge的更多信息，请访问：https://www.siemens.com/robotics-design.
由西门子Solid Edge赞助
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