很多人一聽到“機(jī)器人”這三個字腦中就會浮現(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(yùn)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。
大多數(shù)機(jī)器人確實擁有一些共同的特性
首先，幾乎所有機(jī)器人都有一個可以移動的身體。有些擁有的只是機(jī)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(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(jī)器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。金屬加工真不錯。
其次，機(jī)器人需要一個能量源來驅(qū)動這些傳動裝置。大多數(shù)機(jī)器人會使用電池或墻上的電源插座來供電。此外，液壓機(jī)器人還需要一個泵來為液體加壓，而氣動機(jī)器人則需要?dú)怏w壓縮機(jī)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(dá)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(jī)器內(nèi)流動的路徑。比如說，如果機(jī)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(jī)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(jī)器人的計算機(jī)可以控制與電路相連的所有部件。為了使機(jī)器人動起來，計算機(jī)會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，您只需將一個新的程序?qū)懭胨挠嬎銠C(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)動感，也就是它監(jiān)控自身運(yùn)動的能力。在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，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(jī)。計算機(jī)可以根據(jù)這一模式準(zhǔn)確地計算出關(guān)節(jié)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的距離。計算機(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)計之一。
2 機(jī)器人是如何工作的
英語里“機(jī)器人”(Robot)這個術(shù)語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強(qiáng)制勞動者”。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(jī)器人是機(jī)器臂。一部典型的機(jī)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(jī)將旋轉(zhuǎn)與每個關(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系統(tǒng)）。與普通馬達(dá)不同，步進(jìn)式馬達(dá)會以增量方式精確移動。這使計算機(jī)可以精確地移動機(jī)器臂，使機(jī)器臂不斷重復(fù)完全相同的動作。機(jī)器人利用運(yùn)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(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”通常安裝在一個固定的基座結(jié)構(gòu)（而不是移動的身體）上。這種類型的機(jī)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(jī)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(jī)器臂的作用則是移動末端執(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(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的力度告訴計算機(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)器人如何做這項工作，程序員會用一只手持控制器來引導(dǎo)機(jī)器臂完成整套動作。機(jī)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。
機(jī)器臂是制造汽車時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，機(jī)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(jī)器人在計算機(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(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)器人提供一個可行的運(yùn)動系統(tǒng)。如果機(jī)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)?，它們還適用于較為崎嶇的地形。但是機(jī)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(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)動學(xué)的知識，這在生物研究領(lǐng)域是有益的實踐。
機(jī)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。
人工智能(AI)無疑是機(jī)器人學(xué)中最令人興奮的領(lǐng)域，無疑也是最有爭議的：所有人都認(rèn)為，機(jī)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(jī)器人”這個術(shù)語本身一樣，您同樣很難對“人工智能”進(jìn)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(jī)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(diǎn)的能力。目前機(jī)器人專家還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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單。首先，人工智能機(jī)器人或計算機(jī)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(jī)將此信息與已存儲的信息進(jìn)行比較，以確定它的含義。計算機(jī)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(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。象棋計算機(jī)就是此類機(jī)器的一個范例。
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(jī)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(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)器人演示舞蹈動作，讓它學(xué)會了跳舞。
