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先予工業(yè)為您講解機(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)。

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)相同的動(dòng)作。機(jī)器人利用運(yùn)動(dòng)傳感器來確保自己按正確的量移動(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。

解析：機(jī)器人是如何工作的

工業(yè)機(jī)器人專門用來在受控環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行相同的工作。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。

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。同理，機(jī)器人的設(shè)計(jì)師必須弄清與行走有關(guān)的正確活塞運(yùn)動(dòng)組合，并將這一信息編入機(jī)器人的計(jì)算機(jī)中。許多移動(dòng)型機(jī)器人都有一個(gè)內(nèi)置平衡系統(tǒng)（如一組陀螺儀），該系統(tǒng)會(huì)告訴計(jì)算機(jī)何時(shí)需要校正機(jī)器人的動(dòng)作。

波士頓動(dòng)力升級(jí)版的Atlas人形機(jī)器人

兩足行走的運(yùn)動(dòng)方式本身是不穩(wěn)定的，因此在機(jī)器人的制造中實(shí)現(xiàn)難度極大。為了設(shè)計(jì)出行走更穩(wěn)的機(jī)器人，設(shè)計(jì)師們常會(huì)將眼光投向動(dòng)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(duì)許多不同的地形都能適應(yīng)自如。

某些移動(dòng)型機(jī)器人是遠(yuǎn)程控制的，人類可以指揮它們?cè)谔囟ǖ臅r(shí)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(hào)與機(jī)器人通信。遠(yuǎn)程機(jī)器人常被稱為機(jī)器人，它們?cè)谔剿鞒錆M危險(xiǎn)或人類無法進(jìn)入的環(huán)境（如深海或火山內(nèi)部）時(shí)非常有用。有些機(jī)器人只是部分受到遙控。例如，操作人員可能會(huì)指示機(jī)器人到達(dá)某個(gè)特定的地點(diǎn)，但不會(huì)為它指引路線，而是任由它找到自己的路。

NASA研發(fā)可遠(yuǎn)程控制的太空機(jī)器人R2

自動(dòng)機(jī)器人可以自主行動(dòng)，無需依賴于任何控制人員。其基本原理是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使之能以某種方式對(duì)外界刺激做出反應(yīng)。極其簡單的碰撞反應(yīng)機(jī)器人可以很好地詮釋這一原理。

這種機(jī)器人有一個(gè)用來檢查障礙物的碰撞傳感器。當(dāng)您啟動(dòng)機(jī)器人后，它大體上是沿一條直線曲折行進(jìn)的。當(dāng)它碰到障礙物時(shí)，沖擊力會(huì)作用在它的碰撞傳感器上。每次發(fā)生碰撞時(shí)，機(jī)器人的程序會(huì)指示它后退，再向右轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)前進(jìn)。按照這種方法，機(jī)器人只要遇到障礙物就會(huì)改變它的方向。

高級(jí)機(jī)器人會(huì)以更精巧的方式運(yùn)用這一原理。機(jī)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(qiáng)的機(jī)器人。如今的機(jī)器人可以在各種環(huán)境中大展身手。

較為簡單的移動(dòng)型機(jī)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(dòng)物的回聲定位系統(tǒng)：機(jī)器人發(fā)出一個(gè)聲音信號(hào)（或一束紅外光線），并檢測信號(hào)的反射情況。機(jī)器人會(huì)根據(jù)信號(hào)反射所用的時(shí)間計(jì)算出它與障礙物之間的距離。

較高級(jí)的機(jī)器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個(gè)攝像頭可以為機(jī)器人提供深度感知，而圖像識(shí)別軟件則使機(jī)器人有能力確定物體的位置，并辨認(rèn)各種物體。機(jī)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(dòng)機(jī)器人只能在它們熟悉的有限環(huán)境中工作。例如，割草機(jī)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(jī)器人則需要建筑物的地圖才能在不同的地點(diǎn)之間移動(dòng)。

較高級(jí)的機(jī)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(jī)器人可以將特定的地形模式與特定的動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。例如，一個(gè)漫游車機(jī)器人會(huì)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(jī)器人會(huì)知道它該走另一條道。這種系統(tǒng)對(duì)于在其他行星上工作的探索型機(jī)器人是非常有用的。

有一套備選的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案采用了較為松散的結(jié)構(gòu)，引入了隨機(jī)化因素。當(dāng)這種機(jī)器人被卡住時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向移動(dòng)附肢，直到它的動(dòng)作產(chǎn)生效果為止。它通過力傳感器和傳動(dòng)裝置緊密協(xié)作完成任務(wù)，而不是由計(jì)算機(jī)通過程序指導(dǎo)一切。這和螞蟻嘗試?yán)@過障礙物時(shí)有相似之處：螞蟻在需要通過障礙物時(shí)似乎不會(huì)當(dāng)機(jī)立斷，而是不斷嘗試各種做法，直到繞過障礙物為止。