機器人是如何工作的 機器人工作原理解析

很多人一聽到“機器人”這三個字腦中就會浮現(xiàn)“外形酷炫”、“功能強大”、“高端”等這些詞，認為機器人就和科幻電影里的“終結(jié)者”一樣高端炫酷。其實不然，在本文中，我們將探討機器人學(xué)的基本概念，并了解機器人是如何完成它們的任務(wù)的。

一、機器人的組成部分?

從最基本的層面來看，人體包括五個主要組成部分：?

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動

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。

機器人的組成部分與人類極為類似。一個典型的機器人有一套可移動的身體結(jié)構(gòu)、一部類似于馬達的裝置、一套傳感系統(tǒng)、一個電源和一個用來控制所有這些要素的計算機“大腦”。從本質(zhì)上講，機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器。

機器人的定義范圍很廣，大到工廠服務(wù)的工業(yè)機器人，小到居家打掃機器人。按照目前最寬泛的定義，如果某樣?xùn)|西被許多人認為是機器人，那么它就是機器人。許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規(guī)定，機器人應(yīng)具有可重新編程的大腦（一臺計算機），用來移動身體。

根據(jù)這一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同之處在于它們的計算機要素。許多新型汽車都有一臺車載計算機，但只是用它來做微小的調(diào)整。駕駛員通過各種機械裝置直接控制車輛的大多數(shù)部件。而機器人在物理特性方面與普通的計算機不同，它們各自連接著一個身體，而普通的計算機則不然。

大多數(shù)機器人確實擁有一些共同的特性

首先，幾乎所有機器人都有一個可以移動的身體。有些擁有的只是機動化的輪子，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，這些獨立的部件是用關(guān)節(jié)連接起來的。

機器人的輪與軸是用某種傳動裝置連接起來的。有些機器人使用馬達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)）。機器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。

其次，機器人需要一個能量源來驅(qū)動這些傳動裝置。大多數(shù)機器人會使用電池或墻上的電源插座來供電。此外，液壓機器人還需要一個泵來為液體加壓，而氣動機器人則需要氣體壓縮機或壓縮氣罐。

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器內(nèi)流動的路徑。比如說，如果機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，機器人使用可提供雙向推力的活塞，以使部件能向兩個方向活動。

機器人的計算機可以控制與電路相連的所有部件。為了使機器人動起來，計算機會打開所有需要的馬達和閥門。大多數(shù)機器人是可重新編程的。如果要改變某部機器人的行為，您只需將一個新的程序?qū)懭胨挠嬎銠C即可。

并非所有的機器人都有傳感系統(tǒng)。很少有機器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺。機器人擁有的最常見的一種感覺是運動感，也就是它監(jiān)控自身運動的能力。在標(biāo)準設(shè)計中，機器人的關(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)機器人移動某個特定的關(guān)節(jié)時，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)傳送給計算機。計算機可以根據(jù)這一模式準確地計算出關(guān)節(jié)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的距離。計算機鼠標(biāo)中使用的基本系統(tǒng)與此相同。

以上這些是機器人的基本組成部分。機器人專家有無數(shù)種方法可以將這些元素組合起來，從而制造出無限復(fù)雜的機器人。機器臂是最常見的設(shè)計之一。

二、機器人是如何工作的?

英語里“機器人”(Robot)這個術(shù)語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強制勞動者”。用它來描述大多數(shù)機器人是十分貼切的。世界上的機器人大多用來從事繁重的重復(fù)性制造工作。它們負責(zé)那些對人類來說非常困難、危險或枯燥的任務(wù)。

最常見的制造類機器人是機器臂。

一部典型的機器臂由七個金屬部件構(gòu)成，它們是用六個關(guān)節(jié)接起來的。計算機將旋轉(zhuǎn)與每個關(guān)節(jié)分別相連的步進式馬達，以便控制機器人（某些大型機器臂使用液壓或氣動系統(tǒng)）。

與普通馬達不同，步進式馬達會以增量方式精確移動。這使計算機可以精確地移動機器臂，使機器臂不斷重復(fù)完全相同的動作。機器人利用運動傳感器來確保自己完全按正確的量移動。

這種帶有六個關(guān)節(jié)的工業(yè)機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”通常安裝在一個固定的基座結(jié)構(gòu)（而不是移動的身體）上。這種類型的機器人有六個自由度，也就是說，它能向六個不同的方向轉(zhuǎn)動。與之相比，人的手臂有七個自由度。

一個六軸工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)

人類手臂的作用是將手移動到不同的位置。類似地，機器臂的作用則是移動末端執(zhí)行器。您可以在機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。

機器手往往有內(nèi)置的壓力傳感器，用來將機器人抓握某一特定物體時的力度告訴計算機。這使機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，某部機器人可能會負責(zé)給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工作，程序員會用一只手持控制器來引導(dǎo)機器臂完成整套動作。機器人將動作序列準確地存儲在內(nèi)存中，此后每當(dāng)裝配線上有新的罐子傳送過來時，它就會反復(fù)地做這套動作。

大多數(shù)工業(yè)機器人在汽車裝配線上工作，負責(zé)組裝汽車。在進行大量的此類工作時，機器人的效率比人類高得多，因為它們非常精確。無論它們已經(jīng)工作了多少小時，它們?nèi)阅茉谙嗤奈恢勉@孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機器人在計算機產(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。

機器臂的制造和編程難度相對較低，因為它們只在一個有限的區(qū)域內(nèi)工作。如果您要把機器人送到廣闊的外部世界，事情就變得有些復(fù)雜了。

首要的難題是為機器人提供一個可行的運動系統(tǒng)。如果機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。但是機器人的設(shè)計者往往希望使用腿狀結(jié)構(gòu)，因為它們的適應(yīng)性更強。制造有腿的機器人還有助于使研究人員了解自然運動學(xué)的知識，這在生物研究領(lǐng)域是有益的實踐。

機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，這無疑是一個難題。在嬰兒階段，人的大腦必須弄清哪些肌肉需要同時收縮才能使得在直立行走時不致摔倒。同理，機器人的設(shè)計師必須弄清與行走有關(guān)的正確活塞運動組合，并將這一信息編入機器人的計算機中。許多移動型機器人都有一個內(nèi)置平衡系統(tǒng)（如一組陀螺儀），該系統(tǒng)會告訴計算機何時需要校正機器人的動作。

兩足行走的運動方式本身是不穩(wěn)定的，因此在機器人的制造中實現(xiàn)難度極大。為了設(shè)計出行走更穩(wěn)的機器人，設(shè)計師們常會將眼光投向動物界，尤其是昆蟲。昆蟲有六條腿，它們往往具有超凡的平衡能力，對許多不同的地形都能適應(yīng)自如。

某些移動型機器人是遠程控制的，人類可以指揮它們在特定的時間從事特定的工作。遙控裝置可以使用連接線、無線電或紅外信號與機器人通信。遠程機器人常被稱為傀儡機器人，它們在探索充滿危險或人類無法進入的環(huán)境（如深海或火山內(nèi)部）時非常有用。有些機器人只是部分受到遙控。例如，操作人員可能會指示機器人到達某個特定的地點，但不會為它指引路線，而是任由它找到自己的路。

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

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

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

較為簡單的移動型機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物的回聲定位系統(tǒng)：機器人發(fā)出一個聲音信號（或一束紅外光線），并檢測信號的反射情況。機器人會根據(jù)信號反射所用的時間計算出它與障礙物之間的距離。

較高級的機器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個攝像頭可以為機器人提供深度感知，而圖像識別軟件則使機器人有能力確定物體的位置，并辨認各種物體。機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。

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

較高級的機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)。這些機器人可以將特定的地形模式與特定的動作相關(guān)聯(lián)。例如，一個漫游車機器人會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，機器人會知道它該走另一條道。這種系統(tǒng)對于在其他行星上工作的探索型機器人是非常有用的。

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

三、家庭自制機器人?

在本文的最后幾部分，我們來看看機器人世界中最引人注目的領(lǐng)域：人工智能和研究型機器人。多年來，這些領(lǐng)域的專家們使機器人科學(xué)有了長足的進步，但他們并不是機器人的唯一制造者。幾十年中，以此為愛好的人盡管為數(shù)很少，但充滿熱情，他們一直在全世界各地的車庫和地下室里制造機器人。

家庭自制機器人是一種正在迅速發(fā)展的亞文化，在互聯(lián)網(wǎng)上具有相當(dāng)大的影響力。業(yè)余機器人愛好者利用各種商業(yè)機器人工具、郵購的零件、玩具甚至老式錄像機組裝出他們自己的作品。

和專業(yè)機器人一樣，家庭自制機器人的種類也是五花八門。一些到周末才能工作的機器人愛好者們制造出了非常精巧的行走機械，而另一些則為自己設(shè)計了家政機器人，還有一些愛好者熱衷于制造競技類機器人。在競技類機器人中，人們最熟悉的是遙控機器人戰(zhàn)士，就像您在《戰(zhàn)斗機器人》(BattleBots)節(jié)目中看到的那樣。這些機器算不上“真正的機器人”，因為它們沒有可重新編程的計算機大腦。它們只是加強型遙控汽車。

比較高級的競技類機器人是由計算機控制的。例如，足球機器人在進行小型足球比賽時完全不需要人類輸入信息。標(biāo)準的機器人足球隊由幾個單獨的機器人組成，它們與一臺中央計算機進行通信。這臺機算機通過一部攝像機“觀察”整個球場，并根據(jù)顏色分辨足球、球門以及己方和對方的球員。計算機隨時都在處理此類信息，并決定如何指揮它的球隊。

適應(yīng)性和通用性

個人計算機革命以其卓越的適應(yīng)能力為標(biāo)志。標(biāo)準化的硬件和編程語言使計算機工程師和業(yè)余程序員們可以根據(jù)其特定目的制造計算機。計算機零件與工藝用品有幾分相似，它們的用途不計其數(shù)。

迄今為止的大多數(shù)機器人更像是廚房用具。機器人專家們將它們制造出來以專門用于特定用途。但是它們對完全不同的應(yīng)用場景的適應(yīng)能力并不是很好。

這種情況正在改變。一家名叫EvolutionRobotics的公司開創(chuàng)了適應(yīng)型機器人軟硬件領(lǐng)域的先河。該公司希望憑借一款易用的“機器人開發(fā)人員工具包”開拓出自己的利基市場。

這個工具包有一個開放式軟件平臺，專門提供各種常用的機器人功能。例如，機器人學(xué)家可以很容易地將跟蹤目標(biāo)、聽從語音指令和繞過障礙物的能力賦予它們的作品。從技術(shù)角度來看，這些功能并不具有革命性的意義，但不同尋常的是，它們集成在一個簡單的軟件包中。

這個工具包還附帶了一些常見的機器人硬件，它們可以很容易地與軟件相結(jié)合。標(biāo)準工具包提供了一些紅外傳感器、馬達、一部麥克風(fēng)和一臺攝像機。機器人專家可以利用一套加強型安裝組件將所有這些部件組裝起來，這套組件包括一些鋁制身體部件和結(jié)實耐用的輪子。

當(dāng)然，這個工具包不是讓您制造平庸的作品的。它的售價超過700美元，絕不是什么廉價的玩具。不過，它向新型機器人科學(xué)邁進了一大步。在不遠的將來，如果您要制造一個可以清潔房間或在您離開的時候照顧寵物的新型機器人，您可能只需編寫一段BASIC程序就能做到，這將為您省下一大筆錢。

四、人工智能?

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

就像“機器人”這個術(shù)語本身一樣，您同樣很難對“人工智能”進行定義。終極的人工智能是對人類思維過程的再現(xiàn)，即一部具有人類智能的人造機器。人工智能包括學(xué)習(xí)任何知識的能力、推理能力、語言能力和形成自己的觀點的能力。目前機器人專家還遠遠無法實現(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)域取得了很大進展。如今，具有人工智能的機器已經(jīng)可以模仿某些特定的智能要素。

計算機已經(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單。首先，人工智能機器人或計算機會通過傳感器（或人工輸入的方式）來收集關(guān)于某個情景的事實。計算機將此信息與已存儲的信息進行比較，以確定它的含義。計算機會根據(jù)收集來的信息計算各種可能的動作，然后預(yù)測哪種動作的效果最好。當(dāng)然，計算機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。象棋計算機就是此類機器的一個范例。

某些現(xiàn)代機器人還具備有限的學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)型機器人能夠識別某種動作（如以某種方式移動腿部）是否實現(xiàn)了所需的結(jié)果（如繞過障礙物）。機器人存儲此類信息，當(dāng)它下次遇到相同的情景時，會嘗試做出可以成功應(yīng)對的動作。同樣，現(xiàn)代計算機只能在非常有限的情景中做到這一點。它們無法像人類那樣收集所有類型的信息。一些機器人可以通過模仿人類的動作進行學(xué)習(xí)。在日本，機器人專家們向一部機器人演示舞蹈動作，讓它學(xué)會了跳舞。

有些機器人具有人際交流能力。Kismet是麻省理工學(xué)院人工智能實驗室制作的機器人，它能識別人類的肢體語言和說話的音調(diào)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。Kismet的作者們對成人和嬰兒之間的交互方式很感興趣，他們之間的交互僅憑語調(diào)和視覺信息就能完成。這種低層次的交互方式可以作為類人學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

Kismet和麻省理工學(xué)院人工智能實驗室制造的其他機器人采用了一種非常規(guī)的控制結(jié)構(gòu)。這些機器人并不是用一臺中央計算機控制所有動作，它們的低層次動作由低層次計算機控制。項目主管羅德尼·布德克斯(Rodney Brooks)相信，這是一種更為準確的人類智能模型。人類的大部分動作是自動做出的，而不是由最高層次的意識來決定做這些動作。

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)家手中并沒有一個簡單而具體的模型可供參考。我們知道，大腦中含有上百億個神經(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現(xiàn)高級的推理能力，甚至對低層次操作的實現(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)家們針對人類學(xué)習(xí)和思考的原理提出假說，然后利用機器人來實驗他們的想法。

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

無論如何，機器人都會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，機器人將逐漸擴展到工業(yè)和科學(xué)之外的領(lǐng)域，進入日常生活，這與計算機在20世紀80年代開始逐漸普及到家庭的過程類似。

審核編輯：黃飛

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