機(jī)器人是如何工作的？工作原理超詳細(xì)解析！

機(jī)器人到底是什么？很多人會(huì)將機(jī)器人與科幻電影中的，“變形金剛”“終結(jié)者”聯(lián)想到一起，是外表酷炫，能力巨大的高科技產(chǎn)物。其實(shí)，如果你深入機(jī)器人行業(yè)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人其實(shí)并不是如此，接下來，這篇文章將教會(huì)您一文讀懂機(jī)器人！并了解機(jī)器人是如何完成任務(wù)的。

從本質(zhì)上講，機(jī)器人是由人類制造的“動(dòng)物”，它們是模仿人類和動(dòng)物行為的機(jī)器。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(dòng)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”。

機(jī)器人的定義范圍很廣泛，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準(zhǔn)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(tái)計(jì)算機(jī)）用來移動(dòng)身體。

根據(jù)這一定義，機(jī)器人與其他可移動(dòng)的機(jī)器（如汽車）的不同之處在于它的計(jì)算機(jī)要素。機(jī)器人在物理特性方面與普通計(jì)算機(jī)不同，它們各自連接一個(gè)身體，而普通計(jì)算機(jī)則不然。

一、機(jī)器人的共同特性

首先，幾乎所有機(jī)器人都有一個(gè)可移動(dòng)的身體。有些只是機(jī)動(dòng)化的輪子，有些是大量可移動(dòng)部件，這些部件一般是由金屬或塑料制成，這些獨(dú)立部件是由關(guān)節(jié)連接的。

機(jī)器人的輪與軸是用某種傳動(dòng)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(dòng)裝置；另一些則使用液壓系統(tǒng)；還有一些使用氣動(dòng)系統(tǒng)（由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)）。機(jī)器人可以使用上述任何類型的傳動(dòng)裝置。

其次，機(jī)器人需要一個(gè)能量源來驅(qū)動(dòng)這些傳動(dòng)裝置。大多數(shù)機(jī)器人會(huì)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(dòng)機(jī)器人則需要?dú)怏w壓縮機(jī)或壓縮氣罐。

所有傳動(dòng)裝置都通過導(dǎo)線與一塊電路相連。該電路直接為電動(dòng)馬達(dá)和螺線圈供電，并操縱電子閥門來啟動(dòng)液壓系統(tǒng)。閥門可以控制承壓流體在機(jī)器內(nèi)流動(dòng)的路徑。比如說，如果機(jī)器人要移動(dòng)一只由液壓驅(qū)動(dòng)的腿，它的控制器會(huì)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(dòng)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(dòng)。

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(dòng)起來，計(jì)算機(jī)會(huì)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(dòng)感，也就是它監(jiān)控自身運(yùn)動(dòng)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(dòng)某個(gè)特定的關(guān)節(jié)時(shí)，有凹槽的輪子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在此過程中，凹槽將擋住光束。

光學(xué)傳感器讀取光束閃動(dòng)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

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(duì)人類來說非常困難、危險(xiǎn)或枯燥的任務(wù)。

最常見的制造業(yè)機(jī)器人是機(jī)械臂

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(dòng)系統(tǒng)）。

與普通馬達(dá)不同，步進(jìn)式馬達(dá)會(huì)以增量方式精確移動(dòng)。這使計(jì)算機(jī)可以精確地移動(dòng)機(jī)器臂，使機(jī)器臂不斷重復(fù)完全相同的動(dòng)作。機(jī)器人利用運(yùn)動(dòng)傳感器來確保自己完全按正確的量移動(dòng)。

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(dòng)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(dòng)。與之相比，人的手臂有七個(gè)自由度。

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(huì)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(huì)用一只手持控制器來引導(dǎo)機(jī)器臂完成整套動(dòng)作。機(jī)器人將動(dòng)作序列準(zhǔn)確地存儲(chǔ)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(huì)反復(fù)地做這套動(dòng)作。

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(duì)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(dòng)系統(tǒng)。如果機(jī)器人只需要在平地上移動(dòng)，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(dòng)學(xué)的知識(shí)，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(dòng)活塞的驅(qū)動(dòng)下前后移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)告訴計(jì)算機(jī)何時(shí)需要校正機(jī)器人的動(dòng)作。

兩足行走的運(yùn)動(dòng)方式本身是不穩(wěn)定的，因此在機(jī)器人的制造中實(shí)現(xiàn)難度極大。為了設(shè)計(jì)出行走更穩(wěn)的機(jī)器人，設(shè)計(jì)師們常會(huì)將眼光投向動(dòng)物界，尤其是昆蟲。昆蟲有六條腿，它們往往具有超凡的平衡能力，對(duì)許多不同的地形都能適應(yīng)自如。

某些移動(dòng)型機(jī)器人是遠(yuǎn)程控制的，人類可以指揮它們?cè)谔囟ǖ臅r(shí)間從事特定的工作。遙控裝置可以使用連接線、無線電或紅外信號(hào)與機(jī)器人通信。遠(yuǎn)程機(jī)器人常被稱為傀儡機(jī)器人，它們?cè)谔剿鞒錆M危險(xiǎn)或人類無法進(jìn)入的環(huán)境（如深?；蚧鹕絻?nèi)部）時(shí)非常有用。有些機(jī)器人只是部分受到遙控。例如，操作人員可能會(huì)指示機(jī)器人到達(dá)某個(gè)特定的地點(diǎn)，但不會(huì)為它指引路線，而是任由它找到自己的路。

NASA研發(fā)可遠(yuǎn)程控制的太空機(jī)器人R2

自動(dòng)機(jī)器人可以自主行動(dòng)，無需依賴于任何控制人員。其基本原理是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使之能以某種方式對(duì)外界刺激做出反應(yīng)。極其簡(jiǎn)單的碰撞反應(yīng)機(jī)器人可以很好地詮釋這一原理。

這種機(jī)器人有一個(gè)用來檢查障礙物的碰撞傳感器。當(dāng)您啟動(dòng)機(jī)器人后，它大體上是沿一條直線曲折行進(jìn)的。當(dāng)它碰到障礙物時(shí)，沖擊力會(huì)作用在它的碰撞傳感器上。每次發(fā)生碰撞時(shí)，機(jī)器人的程序會(huì)指示它后退，再向右轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)前進(jìn)。按照這種方法，機(jī)器人只要遇到障礙物就會(huì)改變它的方向。

高級(jí)機(jī)器人會(huì)以更精巧的方式運(yùn)用這一原理。機(jī)器人專家們將開發(fā)新的程序和傳感系統(tǒng)，以便制造出智能程度更高、感知能力更強(qiáng)的機(jī)器人。如今的機(jī)器人可以在各種環(huán)境中大展身手。

較為簡(jiǎn)單的移動(dòng)型機(jī)器人使用紅外或超聲波傳感器來感知障礙物。這些傳感器的工作方式類似于動(dòng)物的回聲定位系統(tǒng)：機(jī)器人發(fā)出一個(gè)聲音信號(hào)（或一束紅外光線），并檢測(cè)信號(hào)的反射情況。機(jī)器人會(huì)根據(jù)信號(hào)反射所用的時(shí)間計(jì)算出它與障礙物之間的距離。

較高級(jí)的機(jī)器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個(gè)攝像頭可以為機(jī)器人提供深度感知，而圖像識(shí)別軟件則使機(jī)器人有能力確定物體的位置，并辨認(rèn)各種物體。機(jī)器人還可以使用麥克風(fēng)和氣味傳感器來分析周圍的環(huán)境。

某些自動(dòng)機(jī)器人只能在它們熟悉的有限環(huán)境中工作。例如，割草機(jī)器人依靠埋在地下的界標(biāo)確定草場(chǎng)的范圍。而用來清潔辦公室的機(jī)器人則需要建筑物的地圖才能在不同的地點(diǎn)之間移動(dòng)。

較高級(jí)的機(jī)器人可以分析和適應(yīng)不熟悉的環(huán)境，甚至能適應(yīng)地形崎嶇的地區(qū)。這些機(jī)器人可以將特定的地形模式與特定的動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。例如，一個(gè)漫游車機(jī)器人會(huì)利用它的視覺傳感器生成前方地面的地圖。如果地圖上顯示的是崎嶇不平的地形模式，機(jī)器人會(huì)知道它該走另一條道。這種系統(tǒng)對(duì)于在其他行星上工作的探索型機(jī)器人是非常有用的。

有一套備選的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案采用了較為松散的結(jié)構(gòu)，引入了隨機(jī)化因素。當(dāng)這種機(jī)器人被卡住時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向移動(dòng)附肢，直到它的動(dòng)作產(chǎn)生效果為止。它通過力傳感器和傳動(dòng)裝置緊密協(xié)作完成任務(wù)，而不是由計(jì)算機(jī)通過程序指導(dǎo)一切。這和螞蟻嘗試?yán)@過障礙物時(shí)有相似之處：螞蟻在需要通過障礙物時(shí)似乎不會(huì)當(dāng)機(jī)立斷，而是不斷嘗試各種做法，直到繞過障礙物為止。

三、人工智能

人工智能(AI)無疑是機(jī)器人學(xué)中最令人興奮的領(lǐng)域，無疑也是最有爭(zhēng)議的：所有人都認(rèn)為，機(jī)器人可以在裝配線上工作，但對(duì)于它是否可以具有智能則存在分歧。

終極的人工智能是對(duì)人類思維過程的再現(xiàn)，即一部具有人類智能的人造機(jī)器。人工智能包括學(xué)習(xí)任何知識(shí)的能力、推理能力、語言能力和形成自己的觀點(diǎn)的能力。目前機(jī)器人專家還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)這種水平的人工智能，但他們已經(jīng)在有限的人工智能領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。如今，具有人工智能的機(jī)器已經(jīng)可以模仿某些特定的智能要素。

計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了在有限領(lǐng)域內(nèi)解決問題的能力。用人工智能解決問題的執(zhí)行過程很復(fù)雜，但基本原理卻非常簡(jiǎn)單。首先，人工智能機(jī)器人或計(jì)算機(jī)會(huì)通過傳感器（或人工輸入的方式）來收集關(guān)于某個(gè)情景的事實(shí)。計(jì)算機(jī)將此信息與已存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，以確定它的含義。計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)收集來的信息計(jì)算各種可能的動(dòng)作，然后預(yù)測(cè)哪種動(dòng)作的效果最好。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)只能解決它的程序允許它解決的問題，它不具備一般意義上的分析能力。象棋計(jì)算機(jī)就是此類機(jī)器的一個(gè)范例。

某些現(xiàn)代機(jī)器人還具備有限的學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)型機(jī)器人能夠識(shí)別某種動(dòng)作（如以某種方式移動(dòng)腿部）是否實(shí)現(xiàn)了所需的結(jié)果（如繞過障礙物）。機(jī)器人存儲(chǔ)此類信息，當(dāng)它下次遇到相同的情景時(shí)，會(huì)嘗試做出可以成功應(yīng)對(duì)的動(dòng)作。同樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只能在非常有限的情景中做到這一點(diǎn)。它們無法像人類那樣收集所有類型的信息。一些機(jī)器人可以通過模仿人類的動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)。

人工智能的真正難題在于理解自然智能的工作原理。開發(fā)人工智能與制造人造心臟不同，科學(xué)家手中并沒有一個(gè)簡(jiǎn)單而具體的模型可供參考。我們知道，大腦中含有上百億個(gè)神經(jīng)元，我們的思考和學(xué)習(xí)是通過在不同的神經(jīng)元之間建立電子連接來完成的。但是我們并不知道這些連接如何實(shí)現(xiàn)高級(jí)的推理能力，甚至對(duì)低層次操作的實(shí)現(xiàn)原理也并不知情。大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)似乎復(fù)雜得不可理解。

因此，人工智能在很大程度上還只是理論。科學(xué)家們針對(duì)人類學(xué)習(xí)和思考的原理提出假說，然后利用機(jī)器人來實(shí)驗(yàn)他們的想法。

正如機(jī)器人的物理設(shè)計(jì)是了解動(dòng)物和人類解剖學(xué)的便利工具，對(duì)人工智能的研究也有助于理解自然智能的工作原理。對(duì)于某些機(jī)器人專家而言，這種見解是設(shè)計(jì)機(jī)器人的終極目標(biāo)。其他人則在幻想一個(gè)人類與智能機(jī)器共同生活的世界，在這個(gè)世界里，人類使用各種小型機(jī)器人來從事手工勞動(dòng)、健康護(hù)理和通信。許多機(jī)器人專家預(yù)言，機(jī)器人的進(jìn)化最終將使我們徹底成為半機(jī)器人，即與機(jī)器融合的人類。有理由相信，未來的人類會(huì)將他們的思想植入強(qiáng)健的機(jī)器人體內(nèi)，活上幾千年的時(shí)間！

無論如何，機(jī)器人都會(huì)在我們未來的日常生活中扮演重要的角色。在未來的幾十年里，機(jī)器人將逐漸擴(kuò)展到工業(yè)和科學(xué)之外的領(lǐng)域，進(jìn)入日常生活，這與計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)80年代開始逐漸普及到家庭的過程類似。

編輯：黃飛

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