超級詳盡的機器人操作原理解析

     大多數人在聽到“機器人”這個詞的時候，第一反應就是“外形酷炫”、“功能強大”、“高端”等等，在他們看來，機器人就像是“終結者”那樣，是一種高大上的存在。這篇文章主要介紹了機器人的一些基本原理，以及機器人怎樣執行他們的工作。

一、機器人的組成部分

在最基礎的水平上，人類由五大要素組成：

①人體構造；

②用于運動身體組織的肌肉系統；

③用于接受關于身體及周邊事物的訊息的感覺系統；

④為肌肉和感覺供給能源的能源；

⑤用于處理感覺訊息和控制肌肉動作的腦部系統。

     當然，人也有諸如智力、道德等其他看不見的特性，但是這份清單在純粹的物理層面上是很完整的。

     機器人的組成部分和人類十分相似。一般的機器人都有一個活動的軀體，一個類似發動機的裝置，一個感應系統，一個電力供應系統，以及一個計算機“大腦”，用來控制這一切。從根本上說，機器人就是人們創造出來的一種“動物”，是一種模擬人與動物行為的機械。

                                                                                                                      仿生袋鼠機器人

     機器人有廣泛的定義，從為工廠工作的工業機器人到家庭清潔機器人。根據當前最廣義的定義，很多人都把某個事物稱為“機器人”，那就是“機器人”。很多機器人專家（也就是那些制造機器人的人）采用了一個更準確的定義.他們認為，機器人應該有一個可以重編程序的腦（電腦），可以使它的身體運動。

     從這個定義來看，機器人和其它活動機械，例如汽車，是因為他們的電腦元件。很多新車都配備了車上的電腦，但是他們只使用這些電腦進行一些細微的修改。司機用不同的機械設備對汽車的大部分元件進行直接的控制。這些機器人和一般的電腦有很大的區別，每一臺機器人都有自己的身體，這是一臺電腦所沒有的。

大部分的機器人都有一些共性

     首先，大多數機器人的軀體都是活動的。有的僅有機械車輪，有的則有許多活動零件，通常為金屬或塑料。就像人類的骨頭一樣，這些單獨的部分通過結合在一起。

     機器人的輪子和軸子之間有一種傳動裝置相連。一些機器人采用電機和電磁線圈作為動力；其他的采用了水力系統；也有的采用了（通過壓縮氣體供能的）氣壓系統。以上提到的任意一種驅動都可以用于機器人。

     其次，為了使這些傳輸系統運轉，機器人必須要有能源。大部分的機器人都是靠電池或者墻壁上的插頭提供動力。另外，水力機械臂需要一臺給流體增壓的泵，而風力機械臂則需要一臺壓縮空氣的壓氣機。

     所有的變速器都用電線連到一個電路上。這個電路可以直接給電機和螺旋槳提供動力，通過控制電子閥來激活液壓系統。閥門能夠控制機械內部壓力液體的流動路線。例如，假如一個機器人要移動一條水力驅動的腿部，其控制裝置就會開啟一個閥門，通過一個水力泵將其輸送到腿部的活塞缸中。壓力加載的液體會推動活塞，帶動腳往前轉動。一般情況下，自動裝置都是采用能夠提供兩種推力的活塞，這樣就可以讓零件在兩個方向上移動。

     機器人的電腦能控制所有連接到線路上的元件。要讓機器人移動，計算機啟動所需的發動機和氣門。大部分的機器人都可以重編程序。如果你想對某個特定的機器人進行修改，你只要向其電腦中編寫一套新的程序就可以了。

     不是所有的機器人都具有感應系統.擁有視覺，聽覺，嗅覺和味覺的機器人寥寥無幾。機器人所具備的最普通的感官之一就是運動感，即能夠感知到自己的動作。在一個標準的設計里，一個帶有刻痕的車輪被固定在一個關節上。在車輪的一邊是一個 LED，發射出一束光線通過溝槽照射到另外一邊的光感應器。當一個機器人運動到一個特別的關節，這個帶槽輪就會旋轉起來。在這個過程中，這些溝槽會阻擋波束的前進。

     光感應器讀出光束閃爍的圖案，然后向電腦傳輸數據。計算機能夠基于這種模式精確地計算出關節轉動了多遠。在電腦上所用的基本原理就是這樣。

     這就是機器人所需要的最基本的部件。機械師有數不清的辦法把這幾個要素結合在一起，使它們變得無窮無盡。機械手臂是其中一種最普遍的設計。

二、機器人是如何工作的

     在英語中，“機器人”一詞來源于捷克語中的“robota”，也就是“強制勞動者”的意思。這個詞很適合于大部分機器人。目前，國際上大部分的機器人都是用于高強度、高重復度的生產作業。他們所做的工作對于人來說是很難，很危險，很無聊。

最常見的制造類機器人是機器臂。

     一只機械手臂一般有7個金屬零件，6個接頭連接在一起。電腦會轉動連接到每一個鉸鏈上的步進電機，來控制機器人（有些大的機械手臂是采用水力或氣力系統）。

     不像一般的電機，步進電機的運動是以遞增的方式進行的。這樣，電腦就能準確地控制機械手臂，讓它們不停地重復同樣的動作。機器人使用動作感應器，以保證其動作準確無誤。

     這個工業機器人有六個關節，很像人的胳膊，有一個與肩，肘，腕等部分。其“肩膀”一般被固定在靜止的底座上（而非運動軀體）。這類機器人有6個自由度，即6個方向可旋轉。而人的雙臂卻有七種不同的自由度。

                                                                                                          一個六軸工業機器人的關節

     人的胳膊在做著各種動作。同樣，機械手臂也起到了移動終端的作用。你可以在機械手臂上安裝不同的終端執行程序，以適應具體的應用程序。一個共同的終端操縱者可以抓住和移動各種物體，就像是人類的手一樣。

     機械臂通常都有內部的壓力感應器，當機械臂抓住一個特殊的物體時，它會把所受的力傳遞給電腦。這樣就不會讓機器人把東西拿在手里掉下來或者捏碎。其它的終端操作裝置還包括噴燈，鉆頭和噴漆裝置。

    工業機器人是專為在有控制的環境中重復做同樣的工作而設計的。舉個例子，一個機器人可以將一罐花生醬從生產線上運來。要教會機器人怎樣去做這些事情，編程者將使用一個手柄來操縱機械手臂來完成整個行動。機器人精確地把這些操作順序記錄在記憶里，然后，只要生產線上有新的罐頭被送到，機器人就會重復這些操作。

     大部分的工業機器人都工作于汽車裝配線上，主要是為了裝配汽車。當他們做這類工作的時候，由于他們很準確，所以他們比人更有效率。不管他們工作多長時間，他們都可以在同樣的地方鉆同樣的洞，同樣的力量去擰螺絲。在電腦工業中，生產型機器人也扮演著非常重要的角色。他們那精準而靈巧的雙手，甚至能組裝出一枚極其微小的芯片。

     由于機械手臂只能在很小的范圍內工作，因此，機械手臂的制作和程序設計都比較簡單。如果你將機器人發送到外面的大環境中，情況可能會有點復雜。

     首先要解決的問題是如何設計出一套適用于機器人的運動學系統。如果一個機器人只是要在平坦的地面上行走，那么車輪或者履帶就是最佳的選擇。如果車輪和履帶夠寬，他們也可以在更粗糙的路面上工作。但機器人的設計人員傾向于采用類似于腿部的構造，這是由于腿部構造更靈活。建立一個有腳的機器人，也可以幫助研究者理解自然界的運動規律，而這正是生物學中有用的實踐。

     機器人的腿部一般由液力或氣力推動作往復運動。每一個活塞都是由一根又一根的腿組成，仿佛一塊塊肌肉，依附在不同的骨頭上。毫無疑問，要讓所有的活塞以適當的方式一起工作，是一項困難的工作。在嬰孩時期，人類的大腦會計算出在站立行走時，身體上的哪一塊肌肉會同時收縮，從而避免跌倒。同樣地，機器人的設計者也必須找出和走路相關的活塞動作，然后把這些資訊輸入到機器人的電腦里。很多移動機器人都有一套內建的平衡系統（比如一組陀螺儀），當電腦要糾正它的運動時，它就會通知電腦。

     由于雙足步行的特點，使其具有很強的穩定性，所以很難實現。設計人員往往把目光投向動物王國，特別是昆蟲，以使自己的步履更加穩健。擁有六只腳的昆蟲，通常擁有非凡的平衡性，可以很好地適應各種不同的地形。

     一些可移動的機器人受到遙控，并能被人操控，在規定的時間內完成規定的任務。遠程控制設備可以通過電線，無線電，或者紅外線來和機器人進行通訊。遙控機器人通常被稱作“木偶”，是一種應用于探險和探險的理想工具。一些機器人只能部分地被遠程控制。舉例來說，操作者可以命令一個機器人去一個特殊的地方，但是沒有給他指明方向，讓他自己去摸索。

NASA研發可遠程控制的太空機器人R2

     無人值守的機器人能夠獨立工作，不需要依靠任何控制器。這一方法的基礎是編寫程序，讓機器人能夠對外部的刺激作出一定的反應。這種非常簡單的撞擊響應式機器人就是最好的例子。

     這個自動裝置有一個撞擊感應器，用來探測障礙。在你啟動機器人之后，它通常會沿著一條曲線狀的直線前進。撞擊后，撞擊感應器受到沖擊。每一次撞擊，機器人的程式都會指令它先后退，再右拐，最后再向前。這樣，機器人在碰到障礙時，就可以改變自己的運動方向。

     更先進的機器人將會把這個原則應用到更加巧妙的地方。為了使機器人具有更高的智能化和更高的感知能力，機器人專家將研發新的編程和感知系統。今天的機器人能在任何情況下都發揮出巨大的作用。

     比較簡單的移動式機器人采用紅外線或超聲感應器來探測障礙。這種感應器的運作原理與動物的回聲定位系統相似：機器人發射一種聲學訊號（即紅外線），然后探測訊號的反射。通過對這些信號的反應，機器人可以估算出自己和障礙的距離。

     更先進的機器人使用雙眼來觀察其周遭環境。兩臺照相機能夠給機器人帶來對深度的感知，而影像辨識軟體又賦予了它定位和辨識不同種類目標的能力。此外，該機器人還能利用話筒和嗅覺感應器對周邊環境進行分析。

     有些自動機器人僅能在其所熟知的、受限制的環境下工作。比如，割草機器人就是根據埋藏在地面上的標記來決定草地的面積。而用于打掃辦公室的機器人，要想在各個地方來回走動，就必須要有大樓的地圖。

     更先進的機器人能夠對陌生的環境進行分析，并對復雜的地形進行調整。這種機器人能夠將特殊的地形和特殊的行動聯系在一起。舉例來說，一臺探測器可以用其視覺感應器來制作一張前方的地形圖。如果在地圖上出現了一個凹凸不平的圖形，那么這個機器人就會知道自己應該選擇另外的路線。這個系統對那些在其它星球上工作的探索者很有幫助。

     另一種是將隨機因子引入到更寬松的結構中。當機器人遇到困難時，就會向四面八方擺動其附肢，直至其行動達到預期效果。代替用電腦按程式指揮，機器人借助于壓力傳感器和變速器密切配合來完成工作。這就像是一只試圖繞開一道障礙的螞蟻：它們并沒有立即做出決定，而是繼續嘗試不同的行為，直至繞開。

三、家庭自制機器人

     在這篇文章的結尾，我們將關注最引入注目的機器人：人工智能與研究型機器人。在過去的幾年里，這幾個領域的專家推動了機器人科學的發展，但是，他們并非只有一個機器人的創造者。在過去的數十年間，雖然數量不多，但是人們對此有著濃厚的興趣，他們已經在世界范圍內的車庫和地下室中建造了許多機器人。

    “家用”機器人作為一種亞文化，在網絡上已經有了一定的影響，并且已經成為一種新興的社會現象。業余機器人迷使用不同種類的商業機器人工具，郵購部件，玩具，甚至是老式的 VCR來組裝自己的機器人。

    就像專業的機器人，有各種各樣的家庭自制的機器人。有些機器人發燒友直到周末都不上班，他們已經制作出了很精致的步行機器人，也有些是給自己做家務的，有些是給自己做比賽用的。在競爭類型中，最為人所熟知的就是遠程控制的武士，正如你所見過的《戰斗機器人》。由于沒有可重編程序的電腦，這些機器并不能被稱為"真機器人"。他們只是加強了遠程控制的車。

     而更先進的比賽型機器人則由電腦來操控。比如，當一個足球機器人踢一個小球的時候，它根本不需要人來輸入任何信息。一個標準的機器人足球比賽是由若干個和一個中心電腦通訊的獨立機器人所構成。計算機計算器用一架照相機“觀察”全場，并從顏色上辨別出足球，球門，以及本隊和對手的隊員。電腦在任何時候都會對這些資料進行分析，然后做出命令。

適應性和通用性

     個人電腦革命的特點是具有極強的適應性。標準的硬體與程式語言，讓電腦工程師與業余程式師能按他們的特殊用途來制作電腦。電腦部件和工藝供應品在某種程度上是類似的，而且有無數種用途。

     到目前為止，大部分的機器人都是些廚具。機器人研究人員為了某種特殊的目的而建造了這些機器人。但他們不能很好地適用于各種應用場合。

    這一點正在發生變化。一家名為“進化機器人”的公司已經在適應機器人的軟、硬件方面領先了一步。這家公司希望通過一個簡單實用的“機器人開發者工具箱”來打開它的市場。

    該工具箱有一個開放的軟體平臺，專為不同的通用機器人的特性而設計。舉例來說，機器人專家能夠輕易地讓他們的工作人員擁有追蹤目標，聽聲音指令，以及繞過障礙。從技術上講，這些特性并不是什么革命性的東西，但是，他們被整合成了一套簡單的程序，這就很了不起了。

     當然，本工具箱并不用來制作一般的工作。它的價格高達700多美金，絕對不是便宜貨。盡管如此，這對于發展新的機器人技術來說是一個巨大的進步。在不久的未來，你要做一臺新的機器人，它可以打掃屋子，或者在你不在的時候照看你的寵物。

四、人工智能

    毫無疑問，人工智能是機器人科學中最激動人心的一個領域，同時也是最具爭議性的一個：人們普遍認為，一個機器人能夠在流水線上工作，但是關于它能否具備智能卻眾說紛紜。

     正如“機器人”一詞的含義一樣，要給“人工智能”下一個定義也是非常困難的。最終的“人工智能”是一種模擬人的思考過程的“模擬”，也就是一種“模擬人”的“模擬人”。人工智能需要有一種能力去學習，去推理，去說話，去建立自己的看法。雖然現在機器人專家們距離這個級別的人工智能還有很長的路要走，但是他們在這個領域里已經有了長足的進步。現在，有了人工智能的計算機已能模擬出一些特殊的智力元素。

     電腦已有能力在有限的范圍內求解問題。利用人工智能來求解一個問題，其實現過程是十分復雜的，但是其理論基礎是十分簡單的。首先，由智能機器人或者計算機通過傳感器（或者人的輸入）獲取場景中的信息。電腦會把這個資料和儲存起來的資料作比較來決定其意義。電腦將基于所搜集到的資訊，計算出不同的可能行動，并作出最有效的預測。當然，電腦只能夠處理其程式所能處理的問題。從通常的觀點來看，電腦并沒有分析能力。國際象棋電腦就是這樣一種機器。

     一些現代化的機器人也有一定的學習能力。學習機器人可以判斷特定的運動（例如腿的運動）是否達到預期的目標（例如繞開障礙）。機器人將這些信息儲存起來，并在下一次面對同樣的情況時，試圖采取相應的行動。再說一次，現在的電腦只能夠在很少的情況下這樣做。他們不能像人一樣搜集一切資料。有些機器人能模仿人的行為來學習。在日本，一位機器人研究人員正在為一臺機器人示范舞蹈，從而使其學習舞蹈。

     一些機器人可以與人進行交流。基斯米特是麻省理工大學的人工智能實驗室制造出來的一種可以辨識人的身體語言以及語音語調并作出回應的機器人。《基斯米特》的作者們對于大人與寶寶如何通過聲音和圖像來進行交流感到非常好奇。這一底層互動模式可為類人學習體系的構建奠定基礎。

    由基斯美特和麻省理工大學的人工智能實驗室所研制的其它機器人，則使用一種不同于傳統的控制架構。這種機器人并非采用單一的中央電腦來控制全部的行動，而是采用更低級的電腦來控制其行動。該計劃的負責人，羅德尼·布德克斯，認為它是一個更精確的人類智力模式。大多數人的行為都是自發地進行的，并沒有經過最高級的意識控制。

     對于人工智能而言，最大的困難就是了解人類智慧是如何運作的。研究人工智能和研究人工心臟是兩回事，目前還沒有一種可以用來研究的方法。眾所周知，人腦中有數以百萬計的神經細胞，而我們的思維、學習都是靠這些神經細胞間的電聯系來實現的。但我們不清楚這種聯結是怎樣達到高層推理的，也不清楚底層運算是怎樣實現的。腦神經網絡看起來非常的復雜。

    所以說，現在的人工智能還只是停留在理論階段。根據人類的學習與思維規律，科學家們做出了一些假設，并用機器人來驗證這些假設。

    就像機器人的物理設計可以幫助我們理解人體與動物的解剖結構一樣，研究人工智能也可以幫助我們了解人類智力是如何運作的。對一些機器人專業人士來說，這樣的洞察力就是機器人設計的最終目的。另一些人則幻想著人和機器共處一室，人們用各種各樣的小機器人做體力勞動，醫療保健和通訊。很多機器人研究人員預測，隨著機器人技術的發展，人類將完全變成“半機器人”，也就是和機器融為一體的人。我們有理由相信，在未來，人們可以通過將自己的意識植入到強壯的機械人中，從而獲得數千年的壽命！

    不管怎樣，機器人將在將來的日子里起到很大的作用。今后數十年，機器人將逐步超越工業、科技，走進人們的日常生活，就像1980年代電腦逐步走進人們的家中一樣。

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