机器人原理及应用，清点机器人手艺的发展趋势,如何加微信群

很多人一听到“机械人”这三个字脑中就会浮现“形状酷炫”、“功效强大”、“高端”等这些词，以为机械人就和科幻电影里的“终结者”一样高端炫酷。其实否则，在本文中，我们将探讨机械人学的基本概念，并领会机械人是若何完成它们的义务的。

一、机械人的组成部门

从最基本的层面来看，人体包罗五个主要组成部门：

• 身体结构
• 肌肉系统，用来移动身体结构
• 感官系统，用来吸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，用来处置感官信息和指挥肌肉运动

固然，人类另有一些无形的特征，如智能和道德，但在纯粹的物理层面上，此列表已经相当完整了。

机械人的组成部门与人类极为类似。一个典型的机械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盘算机“大脑”。从本质上讲，机械人是由人类制造的“动物”，它们是模拟人类和动物行为的机械。

仿生袋鼠机械人

机械人的界说局限很广，大到工厂服务的工业机械人，小到居家扫除机械人。凭据现在最宽泛的界说，若是某样器械被许多人以为是机械人，那么它就是机械人。许多机械人专家（制造机械人的人）使用的是一种更为准确的界说。他们划定，机械人应具有可重新编程的大脑（一台盘算机），用来移动身体。

凭据这一界说，机械人与其他可移动的机械（如汽车）的差别之处在于它们的盘算机要素。许多新型汽车都有一台车载盘算机，但只是用它来做细小的调整。驾驶员通过种种机械装置直接控制车辆的大多数部件。而机械人在物理特征方面与通俗的盘算机差别，它们各自毗邻着一个身体，而通俗的盘算机则否则。

大多数机械人确实拥有一些配合的特征

首先，险些所有机械人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是灵活化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一样平常是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似，这些自力的部件是用枢纽毗邻起来的。

机械人的轮与轴是用某种传动装置毗邻起来的。有些机械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；另有一些使用气动系统（由压缩气体驱动的系统）。机械人可以使用上述任何类型的传动装置。

其次，机械人需要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机械人会使用电池或墙上的电源插座来供电。此外，液压机械人还需要一个泵来为液体加压，而气动机械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，并操作电子阀门来启动液压系统。阀门可以控制承压流体在机械内流动的路径。比如说，若是机械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，机械人使用可提供双向推力的活塞，以使部件能向两个偏向流动。

机械人的盘算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机械人动起来，盘算机遇打开所有需要的马达和阀门。大多数机械人是可重新编程的。若是要改变某部机械人的行为，您只需将一个新的程序写入它的盘算机即可。

并非所有的机械人都有传感系统。很少有机械人具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机械人拥有的最常见的一种感受是运动感，也就是它监控自身运动的能力。在尺度设计中，机械人的枢纽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。当机械人移动某个特定的枢纽时，有凹槽的轮子会转动。在此历程中，凹槽将盖住光束。光学传感器读取光束闪动的模式，并将数据传送给盘算机。盘算机可以凭据这一模式准确地盘算出枢纽已经旋转的距离。盘算机鼠标中使用的基本系统与此相同。

以上这些是机械人的基本组成部门。机械人专家有无数种方式可以将这些元素组合起来，从而制造出无限庞大的机械人。机械臂是最常见的设计之一。

二、机械人是若何事情的

英语里“机械人”(Robot)这个术语来自于捷克语单词robota，通常译作“强制劳动者”。用它来形貌大多数机械人是十分贴切的。天下上的机械人大多用来从事繁重的重复性制造事情。它们卖力那些对人类来说异常难题、危险或死板的义务。

最常见的制造类机械人是机械臂。一部典型的机械臂由七个金属部件组成，它们是用六个枢纽接起来的。盘算机将旋转与每个枢纽划分相连的步进式马达，以便控制机械人（某些大型机械臂使用液压或气动系统）。与通俗马达差别，步进式马达会以增量方式准确移动。这使盘算机可以准确地移动机械臂，使机械臂不停重复完全相同的动作。机械人行使运动传感器来确保自己完全按准确的量移动。

这种带有六个枢纽的工业机械人与人类的手臂极为相似，它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安装在一个牢固的基座结构（而不是移动的身体）上。这种类型的机械人有六个自由度，也就是说，它能向六个差别的偏向转动。与之相比，人的手臂有七个自由度。

一个六轴工业机械人的枢纽

人类手臂的作用是将手移动到差别的位置。类似地，机械臂的作用则是移动末尾执行器。您可以在机械臂上安装适用于特定应用场景的种种末尾执行器。有一种常见的末尾执行器能抓握并移动差别的物品，它是人手的简化版本。机械手往往有内置的压力传感器，用来将机械人抓握某一特定物体时的力度告诉盘算机。这使机械人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末尾执行器还包罗喷灯、钻头和喷漆器。

工业机械人专门用来在受控环境下频频执行完全相同的事情。例如，某部机械人可能会卖力给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机械人若何做这项事情，程序员会用一只手持控制器来指导机械臂完成整套动作。机械人将动作序列准确地存储在内存中，今后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会频频地做这套动作。

机械臂是制造汽车时使用的基本部件之一

大多数工业机械人在汽车装配线上事情，卖力组装汽车。在举行大量的此类事情时，机械人的效率比人类高得多，由于它们异常准确。无论它们已经事情了若干小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉。制造类机械人在盘算机产业中也发挥着十分主要的作用。它们无比准确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。

机械臂的制造和编程难度相对较低，由于它们只在一个有限的区域内事情。若是您要把机械人送到广漠的外部天下，事情就变得有些庞大了。

主要的难题是为机械人提供一个可行的运动系统。若是机械人只需要在平地上移动，轮子或轨道往往是最好的选择。若是轮子和轨道足够宽，它们还适用于较为崎岖的地形。然则机械人的设计者往往希望使用腿状结构，由于它们的顺应性更强。制造有腿的机械人另有助于使研究职员领会自然运动学的知识，这在生物研究领域是有益的实践。

机械人的腿通常是在液压或气动活塞的驱动下前后移动的。各个活塞毗邻在差别的腿部部件上，就像差别骨骼上附着的肌肉。若要使所有这些活塞都能以准确的方式协同事情，这无疑是一个难题。在婴儿阶段，人的大脑必须弄清哪些肌肉需要同时缩短才气使得在直立行走时不致摔倒。同理，机械人的设计师必须弄清与行走有关的准确活塞运动组合，并将这一信息编入机械人的盘算机中。许多移动型机械人都有一个内置平衡系统（如一组陀螺仪），该系统会告诉盘算机何时需要校正机械人的动作。

波士顿动力最新升级版的Atlas人形机械人

两足行走的运动方式自己是不稳定的，因此在机械人的制造中实现难度极大。为了设计出行走更稳的机械人，设计师们常会将眼光投向动物界，尤其是昆虫。昆虫有六条腿，它们往往具有超凡的平衡能力，对许多差别的地形都能顺应自若。

某些移动型机械人是远程控制的，人类可以指挥它们在特定的时间从事特定的事情。遥控装置可以使用毗邻线、无线电或红外信号与机械人通讯。远程机械人常被称为傀儡机械人，它们在探索充满危险或人类无法进入的环境（如深海或火山内部）时异常有用。有些机械人只是部门受到遥控。例如，操作职员可能会指示机械人到达某个特定的地址，但不会为它指引门路，而是任由它找到自己的路。

NASA研发可远程控制的太空机械人R2

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自动机械人可以自主行动，无需依赖于任何控制职员。其基本原理是对机械人举行编程，使之能以某种方式对外界刺激做出反映。极其简朴的碰撞反映机械人可以很好地诠释这一原理。

这种机械人有一个用来检查障碍物的碰撞传感器。当您启动机械人后，它大体上是沿一条直线曲折行进的。当它碰着障碍物时，冲击力会作用在它的碰撞传感器上。每次发生碰撞时，机械人的程序会指示它退却，再向右转，然后继续前进。凭据这种方式，机械人只要遇到障碍物就会改变它的偏向。

高级机械人会以更精巧的方式运用这一原理。机械人专家们将开发新的程序和传感系统，以便制造出智能水平更高、感知能力更强的机械人。现在的机械人可以在种种环境中大展身手。

较为简朴的移动型机械人使用红外或超声波传感器来感知障碍物。这些传感器的事情方式类似于动物的回声定位系统：机械人发出一个声音信号（或一束红外光线），并检测信号的反射情形。机械人会凭据信号反射所用的时间盘算出它与障碍物之间的距离。

较高级的机械人行使立体视觉来考察周围的天下。两个摄像头可以为机械人提供深度感知，而图像识别软件则使机械人有能力确定物体的位置，并识别种种物体。机械人还可以使用麦克风和气息传感器来剖析周围的环境。

某些自动机械人只能在它们熟悉的有限环境中事情。例如，割草机械人依赖埋在地下的界标确定草场的局限。而用来清洁办公室的机械人则需要建筑物的舆图才气在差别的地址之间移动。

较高级的机械人可以剖析和顺应不熟悉的环境，甚至能顺应地形崎岖的区域。这些机械人可以将特定的地形模式与特定的动作相关联。例如，一个周游车机械人会行使它的视觉传感器天生前方地面的舆图。若是舆图上显示的是崎岖不平的地形模式，机械人会知道它该走另一条道。这种系统对于在其他行星上事情的探索型机械人是异常有用的。

有一套备选的机械人设计方案采用了较为松散的结构，引入了随机化因素。当这种机械人被卡住时，它会向各个偏向移动附肢，直到它的动作发生效果为止。它通过力传感器和传动装置慎密协作完成义务，而不是由盘算机通历程序指导一切。这和蚂蚁实验绕过障碍物时有相似之处：蚂蚁在需要通过障碍物时似乎不会当机立断，而是不停实验种种做法，直到绕过障碍物为止。

三、家庭自制机械人

在本文的最后几部门，我们来看看机械人天下中最引人注目的领域：人工智能和研究型机械人。多年来，这些领域的专家们使机械人科学有了长足的提高，但他们并不是机械人的唯一制造者。几十年中，以此为兴趣的人只管为数很少，但充满热情，他们一直在全天下各地的车库和地下室里制造机械人。

家庭自制机械人是一种正在迅速发展的亚文化，在互联网上具有相当大的影响力。业余机械人兴趣者行使种种商业机械人工具、邮购的零件、玩具甚至老式录像机组装出他们自己的作品。

和专业机械人一样，家庭自制机械人的种类也是五花八门。一些到周末才气事情的机械人兴趣者们制造出了异常精巧的行走机械，而另一些则为自己设计了家政机械人，另有一些兴趣者热衷于制造竞技类机械人。在竞技类机械人中，人们最熟悉的是遥控机械人战士，就像您在《战斗机械人》(BattleBots)节目中看到的那样。这些机械算不上“真正的机械人”，由于它们没有可重新编程的盘算机大脑。它们只是加强型遥控汽车。

对照高级的竞技类机械人是由盘算机控制的。例如，足球机械人在举行小型足球比赛时完全不需要人类输入信息。尺度的机械人足球队由几个单独的机械人组成，它们与一台中央盘算机举行通讯。这台机算机通过一部摄像机“考察”整个球场，并凭据颜色分辨足球、球门以及己方和对方的球员。盘算机随时都在处置此类信息，并决议若何指挥它的球队。

顺应性和通用性

个人盘算机革命以其卓越的顺应能力为标志。尺度化的硬件和编程语言使盘算机工程师和业余程序员们可以凭据其特定目的制造盘算机。盘算机零件与工艺用品有几分相似，它们的用途不可胜数。

迄今为止的大多数机械人更像是厨房用具。机械人专家们将它们制造出来以专门用于特定用途。然则它们对完全差别的应用场景的顺应能力并不是很好。

这种情形正在改变。一家名叫Evolution Robotics的公司开创了顺应型机械人软硬件领域的先河。该公司希望依附一款易用的“机械人开发职员工具包”开拓出自己的利基市场。

这个工具包有一个开放式软件平台，专门提供种种常用的机械人功效。例如，机械人学家可以很容易地将跟踪目的、听从语音指令和绕过障碍物的能力赋予它们的作品。从手艺角度来看，这些功效并不具有革命性的意义，但差别寻常的是，它们集成在一个简朴的软件包中。

这个工具包还附带了一些常见的机械人硬件，它们可以很容易地与软件相结合。尺度工具包提供了一些红外传感器、马达、一部麦克风和一台摄像机。机械人专家可以行使一套加强型安装组件将所有这些部件组装起来，这套组件包罗一些铝制身体部件和结实耐用的轮子。

固然，这个工具包不是让您制造平庸的作品的。它的售价跨越700美元，绝不是什么廉价的玩具。不外，它向新型机械人科学迈进了一大步。在不远的未来，若是您要制造一个可以清洁房间或在您脱离的时刻照顾宠物的新型机械人，您可能只需编写一段BASIC程序就能做到，这将为您省下一大笔钱。

四、人工智能

人工智能(AI)无疑是机械人学中最令人兴奋的领域，无疑也是最有争议的：所有人都以为，机械人可以在装配线上事情，但对于它是否可以具有智能则存在分歧。

就像“机械人”这个术语自己一样，您同样很难对“人工智能”举行界说。最终的人工智能是对人类思维历程的再现，即一部具有人类智能的人造机械。人工智能包罗学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己的看法的能力。现在机械人专家还远远无法实现这种水平的人工智能，但他们已经在有限的人工智能领域取得了很大希望。现在，具有人工智能的机械已经可以模拟某些特定的智能要素。

盘算机已经具备了在有限领域内解决问题的能力。用人工智能解决问题的执行历程很庞大，但基本原理却异常简朴。首先，人工智能机械人或盘算机遇通过传感器（或人工输入的方式）来网络关于某个情景的事实。盘算机将此信息与已存储的信息举行对照，以确定它的寄义。盘算机遇凭据网络来的信息盘算种种可能的动作，然后展望哪种动作的效果最好。固然，盘算机只能解决它的程序允许它解决的问题，它不具备一样平常意义上的剖析能力。象棋盘算机就是此类机械的一个类型。

某些现代机械人还具备有限的学习能力。学习型机械人能够识别某种动作（如以某种方式移动腿部）是否实现了所需的效果（如绕过障碍物）。机械人存储此类信息，当它下次遇到相同的情景时，会实验做出可以乐成应对的动作。同样，现代盘算机只能在异常有限的情景中做到这一点。它们无法像人类那样网络所有类型的信息。一些机械人可以通过模拟人类的动作举行学习。在日本，机械人专家们向一部机械人演示舞蹈动作，让它学会了舞蹈。

有些机械人具有人际交流能力。Kismet是麻省理工学院人工智能实验室制作的机械人，它能识别人类的肢体语言和语言的音调，并做出响应的反映。Kismet的作者们对成人和婴儿之间的交互方式很感兴趣，他们之间的交互仅凭语和谐视觉信息就能完成。这种低条理的交互方式可以作为类人学习系统的基础。

Kismet机械人

Kismet和麻省理工学院人工智能实验室制造的其他机械人采用了一种异常规的控制结构。这些机械人并不是用一台中央盘算机控制所有动作，它们的低条理动作由低条理盘算机控制。项目主管罗德尼·布德克斯(Rodney Brooks)信赖，这是一种更为准确的人类智能模子。人类的大部门动作是自动做出的，而不是由最高条理的意识来决议做这些动作。

人工智能的真正难题在于明白自然智能的事情原理。开发人工智能与制造人造心脏差别，科学家手中并没有一个简朴而详细的模子可供参考。我们知道，大脑中含有上百亿个神经元，我们的思索和学习是通过在差别的神经元之间确立电子毗邻来完成的。然则我们并不知道这些毗邻若何实现高级的推理能力，甚至对低条理操作的实现原理也并不知情。大脑神经网络似乎庞大得不可明白。

因此，人工智能在很大水平上还只是理论。科学家们针对人类学习和思索的原理提出假说，然后行使机械人来实验他们的想法。

正如机械人的物理设计是领会动物和人类解剖学的便利工具，对人工智能的研究也有助于明白自然智能的事情原理。对于某些机械人专家而言，这种看法是设计机械人的最终目的。其他人则在理想一个人类与智能机械配合生涯的天下，在这个天下里，人类使用种种小型机械人来从事手工劳动、康健照顾护士和通讯。许多机械人专家预言，机械人的进化最终将使我们彻底成为半机械人，即与机械融合的人类。有理由信赖，未来的人类会将他们的头脑植入强壮的机械人体内，活上几千年的时间！

无论若何，机械人都会在我们未来的一样平常生涯中饰演主要的角色。在未来的几十年里，机械人将逐渐扩展到工业和科学之外的领域，进入一样平常生涯，这与盘算机在20世纪80年代最先逐渐普及到家庭的历程类似。