機(jī)器人的工作原理，史上最詳細(xì)的解析
很多人一聽到“機(jī)器人”這三個(gè)字腦中就會浮現(xiàn)“外形酷炫”、“功能強(qiáng)大”、
“高端”等這些詞，認(rèn)為機(jī)器人就和科幻電影里的“終結(jié)者”一樣高端炫酷。其
實(shí)不然，在本文中，我們將探討機(jī)器人學(xué)的基本概念，并了解機(jī)器人是如何完成
它們的任務(wù)的。
一、機(jī)器人的組成部分
從最基本的層面來看，人體包括五個(gè)主要組成部分：
? 身體結(jié)構(gòu)
? 肌肉系統(tǒng)，用來移動身體結(jié)構(gòu)
? 感官系統(tǒng)，用來接收有關(guān)身體和周圍環(huán)境的信息
? 能量源，用來給肌肉和感官提供能量
? 大腦系統(tǒng)，用來處理感官信息和指揮肌肉運(yùn)動
1 / 12當(dāng)然，人類還有一些無形的特征，如智能和道德，但在純粹的物理層面上，此列
表已經(jīng)相當(dāng)完備了。
機(jī)器人的組成部分與人類極為類似。一個(gè)典型的機(jī)器人有一套可移動的身體結(jié)構(gòu)、
一部類似于馬達(dá)的裝置、一套傳感系統(tǒng)、一個(gè)電源和一個(gè)用來控制所有這些要素
的計(jì)算機(jī)“大腦”。從本質(zhì)上講，機(jī)器人是由人類制造的“動物”，它們是模仿
人類和動物行為的機(jī)器。
仿生袋鼠機(jī)器人
機(jī)器人的定義范圍很廣，大到工廠服務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，小到居家打掃機(jī)器人。按
照目前最寬泛的定義，如果某樣?xùn)|西被許多人認(rèn)為是機(jī)器人，那么它就是機(jī)器人。
許多機(jī)器人專家（制造機(jī)器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規(guī)定，
機(jī)器人應(yīng)具有可重新編程的大腦（一臺計(jì)算機(jī)），用來移動身體。
根據(jù)這一定義，機(jī)器人與其他可移動的機(jī)器（如汽車）的不同之處在于它們的計(jì)
算機(jī)要素。許多新型汽車都有一臺車載計(jì)算機(jī)，但只是用它來做微小的調(diào)整。駕
駛員通過各種機(jī)械裝置直接控制車輛的大多數(shù)部件。而機(jī)器人在物理特性方面與
普通的計(jì)算機(jī)不同，它們各自連接著一個(gè)身體，而普通的計(jì)算機(jī)則不然。
大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)擁有一些共同的特性▼
首先，幾乎所有機(jī)器人都有一個(gè)可以移動的身體。有些擁有的只是機(jī)動化的輪子，
而有些則擁有大量可移動的部件，這些部件一般是由金屬或塑料制成的。與人體
骨骼類似，這些獨(dú)立的部件是用關(guān)節(jié)連接起來的。
2 / 12機(jī)器人的輪與軸是用某種傳動裝置連接起來的。有些機(jī)器人使用馬達(dá)和螺線管作
為傳動裝置；另一些則使用液壓系統(tǒng)；還有一些使用氣動系統(tǒng)（由壓縮氣體驅(qū)動
的系統(tǒng)）。機(jī)器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。
其次，機(jī)器人需要一個(gè)能量源來驅(qū)動這些傳動裝置。大多數(shù)機(jī)器人會使用電池或
墻上的電源插座來供電。此外，液壓機(jī)器人還需要一個(gè)泵來為液體加壓，而氣動
機(jī)器人則需要?dú)怏w壓縮機(jī)或壓縮氣罐。
所有傳動裝置都通過導(dǎo)線與一塊電路相連。該電路直接為電動馬達(dá)和螺線圈供電，
并操縱電子閥門來啟動液壓系統(tǒng)。閥門可以控制承壓流體在機(jī)器內(nèi)流動的路徑。
比如說，如果機(jī)器人要移動一只由液壓驅(qū)動的腿，它的控制器會打開一只閥門，
這只閥門由液壓泵通向腿上的活塞筒。承壓流體將推動活塞，使腿部向前旋轉(zhuǎn)。
通常，機(jī)器人使用可提供雙向推力的活塞，以使部件能向兩個(gè)方向活動。
機(jī)器人的計(jì)算機(jī)可以控制與電路相連的所有部件。為了使機(jī)器人動起來，計(jì)算機(jī)
會打開所有需要的馬達(dá)和閥門。大多數(shù)機(jī)器人是可重新編程的。如果要改變某部
機(jī)器人的行為，您只需將一個(gè)新的程序?qū)懭胨挠?jì)算機(jī)即可。
并非所有的機(jī)器人都有傳感系統(tǒng)。很少有機(jī)器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺。
機(jī)器人擁有的最常見的一種感覺是運(yùn)動感，也就是它監(jiān)控自身運(yùn)動的能力。在標(biāo)
準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的關(guān)節(jié)處安裝著刻有凹槽的輪子。在輪子的一側(cè)有一個(gè)發(fā)光二
極管，它發(fā)出一道光束，穿過凹槽，照在位于輪子另一側(cè)的光傳感器上。當(dāng)機(jī)器
人移動某個(gè)特定的關(guān)節(jié)時(shí)，有凹槽的輪子會轉(zhuǎn)動。在此過程中，凹槽將擋住光束。
光學(xué)傳感器讀取光束閃動的模式，并將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)這一
模式準(zhǔn)確地計(jì)算出關(guān)節(jié)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的距離。計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中使用的基本系統(tǒng)與此相同。
以上這些是機(jī)器人的基本組成部分。機(jī)器人專家有無數(shù)種方法可以將這些元素組
合起來，從而制造出無限復(fù)雜的機(jī)器人。機(jī)器臂是最常見的設(shè)計(jì)之一。
二、機(jī)器人是如何工作的
英語里“機(jī)器人”(Robot)這個(gè)術(shù)語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強(qiáng)制
勞動者”。用它來描述大多數(shù)機(jī)器人是十分貼切的。世界上的機(jī)器人大多用來從
事繁重的重復(fù)性制造工作。它們負(fù)責(zé)那些對人類來說非常困難、危險(xiǎn)或枯燥的任
務(wù)。
3 / 12最常見的制造類機(jī)器人是機(jī)器臂。一部典型的機(jī)器臂由七個(gè)金屬部件構(gòu)成，它們
是用六個(gè)關(guān)節(jié)接起來的。計(jì)算機(jī)將旋轉(zhuǎn)與每個(gè)關(guān)節(jié)分別相連的步進(jìn)式馬達(dá)，以便
控制機(jī)器人（某些大型機(jī)器臂使用液壓或氣動系統(tǒng)）。與普通馬達(dá)不同，步進(jìn)式
馬達(dá)會以增量方式精確移動。這使計(jì)算機(jī)可以精確地移動機(jī)器臂，使機(jī)器臂不斷
重復(fù)完全相同的動作。機(jī)器人利用運(yùn)動傳感器來確保自己完全按正確的量移動。
這種帶有六個(gè)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人與人類的手臂極為相似，它具有相當(dāng)于肩膀、肘
部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安裝在一個(gè)固定的基座結(jié)構(gòu)（而不是移動的
身體）上。這種類型的機(jī)器人有六個(gè)自由度，也就是說，它能向六個(gè)不同的方向
轉(zhuǎn)動。與之相比，人的手臂有七個(gè)自由度。
一個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)
人類手臂的作用是將手移動到不同的位置。類似地，機(jī)器臂的作用則是移動末端
執(zhí)行器。您可以在機(jī)器臂上安裝適用于特定應(yīng)用場景的各種末端執(zhí)行器。有一種
常見的末端執(zhí)行器能抓握并移動不同的物品，它是人手的簡化版本。機(jī)器手往往
有內(nèi)置的壓力傳感器，用來將機(jī)器人抓握某一特定物體時(shí)的力度告訴計(jì)算機(jī)。這
4 / 12使機(jī)器人手中的物體不致掉落或被擠破。其他末端執(zhí)行器還包括噴燈、鉆頭和噴
漆器。
工業(yè)機(jī)器人專門用來在受控環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行完全相同的工作。例如，某部機(jī)器人
可能會負(fù)責(zé)給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機(jī)器人如何做這項(xiàng)工
作，程序員會用一只手持控制器來引導(dǎo)機(jī)器臂完成整套動作。機(jī)器人將動作序列
準(zhǔn)確地存儲在內(nèi)存中，此后每當(dāng)裝配線上有新的罐子傳送過來時(shí)，它就會反復(fù)地
做這套動作。
機(jī)器臂是制造汽車時(shí)使用的基本部件之一
大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人在汽車裝配線上工作，負(fù)責(zé)組裝汽車。在進(jìn)行大量的此類工作
時(shí)，機(jī)器人的效率比人類高得多，因?yàn)樗鼈兎浅＞_。無論它們已經(jīng)工作了多少
小時(shí)，它們?nèi)阅茉谙嗤奈恢勉@孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機(jī)器人在計(jì)算
機(jī)產(chǎn)業(yè)中也發(fā)揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型
芯片組裝起來。
機(jī)器臂的制造和編程難度相對較低，因?yàn)樗鼈冎辉谝粋€(gè)有限的區(qū)域內(nèi)工作。如果
您要把機(jī)器人送到廣闊的外部世界，事情就變得有些復(fù)雜了。
首要的難題是為機(jī)器人提供一個(gè)可行的運(yùn)動系統(tǒng)。如果機(jī)器人只需要在平地上移
動，輪子或軌道往往是最好的選擇。如果輪子和軌道足夠?qū)挘鼈冞€適用于較為
崎嶇的地形。但是機(jī)器人的設(shè)計(jì)者往往希望使用腿狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兊倪m應(yīng)性更
強(qiáng)。制造有腿的機(jī)器人還有助于使研究人員了解自然運(yùn)動學(xué)的知識，這在生物研
究領(lǐng)域是有益的實(shí)踐。
機(jī)器人的腿通常是在液壓或氣動活塞的驅(qū)動下前后移動的。各個(gè)活塞連接在不同
的腿部部件上，就像不同骨骼上附著的肌肉。若要使所有這些活塞都能以正確的
5 / 12方式協(xié)同工作，這無疑是一個(gè)難題。在嬰兒階段，人的大腦必須弄清哪些肌肉需
要同時(shí)收縮才能使得在直立行走時(shí)不致摔倒。同理，機(jī)器人的設(shè)計(jì)師必須弄清與
行走有關(guān)的正確活塞運(yùn)動組合，并將這一信息編入機(jī)器人的計(jì)算機(jī)中。許多移動
型機(jī)器人都有一個(gè)內(nèi)置平衡系統(tǒng)（如一組陀螺儀），該系統(tǒng)會告訴計(jì)算機(jī)何時(shí)需
要校正機(jī)器人的動作。