机器人工作原理

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。

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

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。

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。

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。

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