幾款你可能聽過但不太了解的機器人運作解析

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(fù)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(fù)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(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，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(fù)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。

波士頓動力最新升級版的Atlas人形機器人

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?；蚧鹕絻?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。

NASA研發(fā)可遠程控制的太空機器人R2

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(rèn)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?yán)@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。