很多人一聽到“機(jī)器人”這三個(gè)字腦中就會(huì)浮現(xiàn)“外形酷炫”、“功能強(qiáng)大”、“高端”等這些詞，認(rèn)為機(jī)器人就和科幻電影里的“終結(jié)者”一樣高端炫酷。其實(shí)不然，在本文中，我們將探討機(jī)器人學(xué)的基本概念，并了解機(jī)器人是如何完成它們的任務(wù)的。
1 機(jī)器人的組成部分
從最基本的層面來看，人體包括五個(gè)主要組成部分：
·身體結(jié)構(gòu)
·肌肉系統(tǒng)，用來移動(dòng)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(yùn)動(dòng)
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。
大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)擁有一些共同的特性
首先，幾乎所有機(jī)器人都有一個(gè)可以移動(dòng)的身體。有些擁有的只是機(jī)動(dòng)化的輪子，而有些則擁有大量可移動(dòng)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(dú)立的部件是用關(guān)節(jié)連接起來的。
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。金屬加工真不錯(cuò)。
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。
2 機(jī)器人是如何工作的
英語里“機(jī)器人”(Robot)這個(gè)術(shù)語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強(qiáng)制勞動(dòng)者”。用它來描述大多數(shù)機(jī)器人是十分貼切的。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)。
最常見的制造類機(jī)器人是機(jī)器臂。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。
一個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)
人類手臂的作用是將手移動(dòng)到不同的位置。類似地，機(jī)器臂的作用則是移動(dòng)末端執(zhí)行器。您可以在機(jī)器臂上安裝適用于特定應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)不同的物品，它是人手的簡(jiǎn)化版本。機(jī)器手往往有內(nèi)置的壓力傳感器，用來將機(jī)器人抓握某一特定物體時(shí)的力度告訴計(jì)算機(jī)。這使機(jī)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(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。
機(jī)器臂是制造汽車時(shí)使用的基本部件之一
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)�，它們還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。
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。
就像“機(jī)器人”這個(gè)術(shù)語本身一樣，您同樣很難對(duì)“人工智能”進(jìn)行定義。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)。在日本，機(jī)器人專家們向一部機(jī)器人演示舞蹈動(dòng)作，讓它學(xué)會(huì)了跳舞。
