机器人工作原理.docx

作者：Tom Harris（本文为博闻网版权所有, 未经许可禁止以任何形式转载或使用。违者必究。） 推荐到：本文包括：1. 1. 引言 2. 2. 移动型机器人 3. 3. 人工智能机器人 4. 4. 了解更多信息 5. 5. 阅读所有工程学类文章 美国国家航空和航天局供图和人类一样，美国航空和航天局的宇航机器人具有可移动的身体、大脑、动力系统和传感系统。从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分： · 身体结构 · 肌肉系统，用来移动身体结构 · 感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息 · 能量源，用来给肌肉和感官提供能量 · 大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动 当然，人类还有一些无形的特征，如智能和道德，但在纯粹的物理层面上，此列表已经相当完备了。 机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。 在本文中，我们将探讨机器人学的基本概念，并了解机器人是如何完成它们的任务的。 NASA 喷气推进实验室供图NASA的城市机器人Urbie的特别之处是拥有一些由软件控制的摄像头和传感器，可以在多种地形中自动工作。Urbie 将勘查对人类调查人员存在潜在风险的区域。NASA 艾姆斯研究中心供图NASA的蛇形机器人将自动探索其他行星、在泥土中挖掘、在缝隙中滑动，并能绕过障碍物。约瑟夫·恩格伯格(Joseph Engelberger)是机器人工业的先驱，他曾经这样说过：“我无法给出机器人的定义，但当我见到机器人时我就会知道是它。”如果把所有被人们称为机器人的机器纳入您的考虑范围，您会发现，要给出一个全面的定义几乎是不可能的。每个人对机器人由什么组成都有不同的看法。 您可能对下面这些著名的机器人有所耳闻： · R2D2和C-3PO：星球大战(Star Wars)系列电影中两个会说话的机器人，具有丰富的人格 · 索尼公司的AIBO：一条机器狗，它可以通过与人类的交互进行学习 · 本田公司的ASIMO：一种能像人类那样用两条腿行走的机器人 · 工业机器人：在装配线上工作的自动化机器 · 百科(Data)：星际旅行(Star Trek)中一部与人类极其相似的机器人 · 战斗机器人：一种遥控式机器战士，曾在Comedy Central频道的节目中亮相 · 拆弹机器人 · NASA的火星漫游者机器人 · HAL：斯坦利·库布里克(Stanley Kubrick)执导的影片2001：太空奥德赛(2001: A Space Odyssey)中的太空船使用的电脑 · Robomower:由Friendly Robotics公司生产的割草机器人 · 电视剧迷失太空(Lost in Space)中的机器人 · MindStorms：LEGO公司出品的一种畅销的机器人玩具 机器人工作原理博闻网提供了几篇介绍其他类型的机器人的文章： · 机器人手术介绍 · 宇航机器人工作原理 · 蛇形机器人工作原理 · 毒刺导弹工作原理 · 它们全都被称为机器人，至少有些人是这么称呼的。按照目前最宽泛的定义，如果某样东西被许多人认为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制造机器人的人）使用的是一种更为精确的定义。他们规定，机器人应具有可重新编程的大脑（一台计算机），用来移动身体。 根据这一定义，机器人与其他可移动的机器（如汽车）的不同之处在于它们的计算机要素。许多新型汽车都有一台车载计算机，但只是用它来做微小的调整。驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大多数部件。而机器人在物理特性方面与普通的计算机不同，它们各自连接着一个身体，而普通的计算机则不然。 大多数机器人确实拥有一些共同的特性。首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是机动化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似，这些独立的部件是用关节连接起来的。 美国国家航空和航天局供图一只由NASA开发的机器人手，它的金属部分是由微型马达驱动的。在机器人学中，手是最难仿造的结构之一。机器人的轮与轴是用某种传动装置连接起来的。有些机器人使用马达和螺线管作为传动装置；另一些则使用液压系统；还有一些使用气动系统（由压缩气体驱动的系统）。机器人可以使用上述任何类型的传动装置。 机器人需要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机器人会使用电池或墙上的电源插座来供电。此外，液压机器人还需要一个泵来为液体加压，而气动机器人则需要气体压缩机或压缩气罐。 所有传动装置都通过导线与一块电路相连。该电路直接为电动马达和螺线圈供电，并操纵电子阀门来启动液压系统。阀门可以控制承压流体在机器内流动的路径。比如说，如果机器人要移动一只由液压驱动的腿，它的控制器会打开一只阀门，这只阀门由液压泵通向腿上的活塞筒。承压流体将推动活塞，使腿部向前旋转。通常，机器人使用可提供双向推力的活塞，以使部件能向两个方向活动。 机器人的计算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机器人动起来，计算机会打开所有需要的马达和阀门。大多数机器人是可重新编程的。如果要改变某部机器人的行为，您只需将一个新的程序写入它的计算机即可。 NASA 喷气推进实验室供图NASA的Urbie机器人正在攀爬台阶并非所有的机器人都有传感系统。很少有机器人具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人拥有的最常见的一种感觉是运动感，也就是它监控自身运动的能力。在标准设计中，机器人的关节处安装着刻有凹槽的轮子。在轮子的一侧有一个发光二极管，它发出一道光束，穿过凹槽，照在位于轮子另一侧的光传感器上。当机器人移动某个特定的关节时，有凹槽的轮子会转动。在此过程中，凹槽将挡住光束。光学传感器读取光束闪动的模式，并将数据传送给计算机。计算机可以根据这一模式准确地计算出关节已经旋转的距离。计算机鼠标中使用的基本系统与此相同。 以上这些是机器人的基本组成部分。机器人专家有无数种方法可以将这些元素组合起来，从而制造出无限复杂的机器人。机器臂是最常见的设计之一。 英语里“机器人”(Robot)这个术语来自于捷克语单词robota，通常译作“强制劳动者”。用它来描述大多数机器人是十分贴切的。世界上的机器人大多用来从事繁重的重复性制造工作。它们负责那些对人类来说非常困难、危险或枯燥的任务。 机器臂是制造汽车时使用的基本部件之一。最常见的制造类机器人是机器臂。一部典型的机器臂由七个金属部件构成，它们是用六个关节接起来的。计算机将旋转与每个关节分别相连的步进式马达，以便控制机器人（某些大型机器臂使用液压或气动系统）。与普通马达不同，步进式马达会以增量方式精确移动（请访问Anaheim Automation公司的网页以了解它的原理）。这使计算机可以精确地移动机器臂，使机器臂不断重复完全相同的动作。机器人利用运动传感器来确保自己完全按正确的量移动。 这种带有六个关节的工业机器人与人类的手臂极为相似，它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安装在一个固定的基座结构（而不是移动的身体）上。这种类型的机器人有六个自由度，也就是说，它能向六个不同的方向转动。与之相比，人的手臂有七个自由度。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 人类手臂的作用是将手移动到不同的位置。类似地，机器臂的作用则是移动末端执行器。您可以在机器臂上安装适用于特定应用场景的各种末端执行器。有一种常见的末端执行器能抓握并移动不同的物品，它是人手的简化版本。机器手往往有内置的压力传感器，用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末端执行器还包括喷灯、钻头和喷漆器。 工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会反复地做这套动作。 大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。在进行大量的此类工作时，机器人的效率比人类高得多，因为它们非常精确。无论它们已经工作了多少小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉。制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用。它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。 关于机器人的文学作品捷克剧作家卡雷尔·恰佩克(Karel Capek)在他于1920年创作的剧本罗索姆的万能机器人(R.U.R.)中首次使用了“机器人”(Robot)这一术语。在剧中，机器工人们在得到一位科学家赋予它们的情感后推翻了它们的人类创造者的统治。多年来，许多作家和电影工作者一直在重温这一场景。 艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在他的几部长篇和短篇小说中抱着一种较为乐观的态度。他的作品中的机器人温和、乐于助人，并且在与人类交往中遵守着一套非暴力法则，即所谓的“机器人法。1  2  3  4  下一页 本文包括：1. 1. 引言 2. 2. 移动型机器人 3. 3. 人工智能机器人 4. 4. 了解更多信息 5. 5. 阅读所有工程学类文章