计算机的工作原理 机器人的工作原理，这是我见过最详细的解析

机器人的工作原理是我见过的最详细的分析

旋翼机2019-01-15 09:13:31

很多人一听到“机器人”这个词，脑海里就浮现出“酷炫外观”“强大功能”“高端”这些词，觉得机器人和科幻电影里的“终结者”一样高端酷炫。事实上，在这篇文章中，我们将讨论机器人的基本概念，并了解机器人如何完成任务。

首先，机器人的部件

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，人类还是有一些无形的特征，比如智力、道德等，但是在纯粹的身体层面上，这个单子还是挺全的。

机器人的部件与人类的部件非常相似。一个典型的机器人有一个可移动的身体结构，一个类似于电机的设备，一个传感系统，一个电源和一个控制所有这些元件的计算机“大脑”。本质上，机器人是人类制造的“动物”。它们是模仿人类和动物行为的机器。

仿生袋鼠机器人

机器人的定义范围很广，从工厂服务的工业机器人到家庭清洁机器人。按照目前最宽泛的定义，如果一个东西被很多人认为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家(制造机器人的人)使用更精确的定义。他们规定机器人应该有一个可重新编程的大脑(计算机)来移动身体。

根据这一定义，机器人与其他移动机器(如汽车)的计算机元件不同。很多新车都有车载电脑，但只是用来做小调整。驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大部分部件。机器人在物理特征上不同于普通计算机，它们连接到一个身体上，但普通计算机不是。

大多数机器人确实有一些共同的特征

首先，几乎所有的机器人都有一个可移动的身体。有的只有电动轮，有的有大量的活动部件，通常是金属或塑料制成的。类似于人体骨骼，这些独立的部分通过关节连接在一起。

机器人的轮子和轴通过某种传动装置连接起来。一些机器人使用马达和螺线管作为传动装置。其他使用液压系统；其他使用气动系统(由压缩气体驱动的系统)。机器人可以使用上述任何一种传动装置。

其次，机器人需要一个能源来驱动这些执行器。大多数机器人使用电池或墙壁插座供电。此外，液压机器人需要一个泵来给液体加压，而气动机器人需要一个气体压缩机或压缩空气罐。

所有的传输设备都通过电线与电路相连。该电路直接向电动机和电磁阀供电，并操作电子阀启动液压系统。该阀可以控制机器中加压流体的流动路径。例如，如果一个机器人想移动一条由液压驱动的腿，它的控制器会打开一个阀门，这个阀门从液压泵通向腿上的活塞缸。加压流体将推动活塞并向前转动支腿。一般来说，机器人使用可以提供双向推力的活塞，这样部件就可以在两个方向上移动。

机器人的计算机可以控制所有与电路相连的部件。为了让机器人移动，计算机将打开所有必要的电机和阀门。大多数机器人都是可重新编程的。如果你想改变一个机器人的行为，你只需要给它的电脑写一个新的程序。

不是所有的机器人都有传感系统。很少有机器人有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人最常见的感觉是运动感，这意味着它能够监控自己的运动。在标准设计中，带槽轮安装在机器人的关节处。车轮的一侧有一个发光二极管，它发出光束，光束穿过凹槽，照射在车轮另一侧的光传感器上。当机器人移动一个特定的关节时，槽轮就会转动。在这个过程中，凹槽会阻挡光束。光学传感器读取光束的闪烁模式，并将数据传输到计算机。根据这个模型，计算机可以精确地计算关节旋转的距离。电脑鼠标使用的基本系统是一样的。

这些是机器人的基本组成部分。机器人学家有无数种方法将这些元素结合起来，创造出无限复杂的机器人。机械臂是最常见的设计之一。

第二，机器人是如何工作的

英语中的“机器人”一词来源于捷克语单词Robot，通常翻译为“强迫劳动者”。它非常适合描述大多数机器人。世界上大多数机器人都用于繁重的重复制造工作。他们负责对人类来说非常困难、危险或无聊的任务。

最常见的制造机器人是机械臂。一个典型的机器人手臂由七个金属部件组成，它们通过六个关节连接在一起。计算机会旋转分别连接到每个关节的步进电机来控制机器人(一些大型机器人手臂使用液压或气动系统)。与普通电机不同，步进电机以增量方式精确移动。这使得计算机能够精确地移动机械臂，并使机械臂重复完全相同的动作。机器人使用运动传感器来确保它们以正确的量完全移动。

这种六关节的工业机器人非常类似于人的手臂，手臂上有相当于肩膀、肘部和手腕的部分。它的“肩部”通常安装在固定的基础结构上(而不是移动的物体上)。这种类型的机器人有六个自由度，即它可以在六个不同的方向上旋转。相比之下，人类的手臂有七个自由度。

六轴工业机器人的关节

人类手臂的作用是将手移动到不同的位置。同样，机械臂的功能是移动末端执行器。您可以在机械臂上安装适合特定应用场景的各种末端执行器。有一种常见的末端执行器，可以抓取和移动不同的物体，是人手的简化版。机器人的手经常有内置的压力传感器，用来告诉计算机机器人在抓取特定物体时的力量。这使得机器人手中的物体不会掉落或被压碎。其他末端执行器包括喷灯、钻头和喷漆器。

工业机器人是专门设计来在受控环境中重复执行完全相同的工作的。例如，机器人可能负责拧紧装配线上交付的花生酱罐头的盖子。为了教会机器人如何做这项工作，程序员会用一只手握住控制器，引导机械臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地存储在内存中，然后每当装配线上有新的罐子交付时，它就会重复执行这组动作。

机械臂是汽车制造中使用的基本部件之一

大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。当做很多这样的工作时，机器人比人类效率高得多，因为它们非常精确。不管他们工作了多少个小时，仍然可以在同一个位置钻孔，用同样的强度拧螺丝。制造机器人在计算机行业也发挥着非常重要的作用。他们极其精确和熟练的手可以组装一个微型微芯片。

机械臂的制造和编程相对困难，因为它们只在有限的区域内工作。如果你想把机器人送到广阔的外部世界，事情会变得有些复杂。

第一个问题是为机器人提供一个可行的运动系统。如果机器人只需要在平地上移动，轮子或履带往往是最佳选择。如果车轮和履带足够宽，也适合崎岖的地形。然而，机器人设计者经常想使用腿部结构，因为它们适应性更强。制作有腿机器人还可以帮助研究人员了解自然运动学的知识，是生物研究领域的有益实践。

机器人腿通常由液压或气动活塞驱动来回移动。每个活塞连接到不同的腿部，就像肌肉连接到不同的骨骼一样。让所有这些活塞以正确的方式协同工作，无疑是一个难题。在婴儿期，人脑必须找出哪些肌肉需要同时收缩，才能在直立行走时不摔倒。同样，机器人设计者必须找出与行走相关的活塞运动的正确组合，并将这些信息编译到机器人计算机中。许多移动机器人都有一个内置的平衡系统(比如一套陀螺仪)，当机器人需要校正时，它会告诉计算机。

波士顿动力公司最新升级的阿特拉斯人形机器人

双足步行本身的运动方式不稳定，在机器人制造中很难实现。为了设计行走更稳定的机器人，设计者们经常把目光投向动物王国，尤其是昆虫。昆虫有六条腿。他们往往具有非凡的平衡能力，能够适应许多不同的地形。

有些移动机器人是遥控的，人类可以命令它们在特定的时间做特定的工作。遥控设备可以使用连接线、无线电或红外信号与机器人通信。远程机器人通常被称为傀儡机器人，在探索危险或难以到达的环境(如深海或火山)时非常有用。有些机器人只有部分由遥控器控制。比如，操作者可能会指示机器人到达某个特定的地方，但它不会指引它到路线，而是会让它自己找到路。

美国宇航局开发了一个名为“泰”空的遥控机器人

自动机器人可以不依靠任何控制器自主行动。它的基本原理是对机器人进行编程，使其能够以某种方式对外部刺激做出反应。极其简单的碰撞反应机器人就能很好的解释这个原理。

这个机器人有一个碰撞传感器来检查障碍物。当你启动机器人时，它基本上沿着一条直线弯曲。当它遇到障碍物时，冲击力会作用在它的碰撞传感器上。每次发生碰撞，机器人的程序都会指令它后退，再右转，然后继续前进。按照这种方法，机器人只要遇到障碍物就会改变方向。

高级机器人将以更复杂的方式使用这一原理。机器人专家将开发新的程序和传感系统，以使机器人具有更高的智能和更好的感知。今天的机器人可以在各种环境中展示自己的才华。

简单的移动机器人使用红外或超声波传感器来感知障碍物。这些传感器的工作方式类似于动物的回声定位系统:机器人发出声音信号(或一束红外线)，并检测信号的反射。机器人将根据信号反射所需的时间来计算它与障碍物之间的距离。

高级机器人使用立体视觉观察周围的世界。两台摄像机可以为机器人提供深度感知，而图像识别软件使机器人能够确定物体的位置并识别各种物体。机器人还可以使用麦克风和气味传感器来分析周围的环境。

有些自动机器人只能在自己熟悉的有限环境下工作。比如割草机器人依靠埋在地下的地标来确定草原的范围。用来清洁办公室的机器人需要建筑物的地图才能从一个地方移动到另一个地方。

高级机器人可以分析和适应不熟悉的环境，甚至适应崎岖的地形。这些机器人可以将特定的地形模式与特定的动作联系起来。例如，漫游机器人将使用其视觉传感器生成前方地面的地图。如果地图上显示的是崎岖不平的地形图案，机器人就会知道应该走另一条路。这个系统对于探索在其他星球上工作的机器人非常有用。

有一套备选的机器人设计方案，采用松散结构，引入随机化因子。当这种机器人卡住时，它会向各个方向移动它的附件，直到它的动作产生效果。它通过力传感器和传动装置的密切配合来完成任务，而不是由计算机通过程序来指导一切。这类似于蚂蚁试图绕过障碍物的时候:当需要通过障碍物的时候，它们似乎并没有做出果断的决定，而是不断尝试各种方法，直到绕过障碍物。

第三，自制机器人

在本文的最后几个部分，我们将看看机器人世界中最引人注目的领域:人工智能和研究机器人。多年来，这些领域的专家在机器人方面取得了很大的进步，但他们不是机器人的唯一制造商。几十年来，虽然很少有人把这种爱好作为自己的激情，但他们一直在世界各地的车库和地下室制造机器人。

自制机器人是一种迅速发展的亚文化，对互联网有相当大的影响。业余机器人爱好者使用各种商业机器人工具、邮购零件、玩具甚至老式录像机来组装自己的作品。

像专业机器人一样，自制机器人也有很多种。一些周末才能工作的机器人爱好者制作了非常精致的移动机械，而另一些人则为自己设计了家用机器人，还有一些人热衷于制作有竞争力的机器人。在竞技机器人中，人们最熟悉的是遥控机器人战斗机，你可以在战斗机器人项目中看到。这些机器不是“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机大脑。它们只是加固的遥控车。

先进的竞技机器人由计算机控制。例如，足球机器人在进行小型足球比赛时不需要人类输入信息。标准的机器人足球队由几个独立的机器人组成，它们与一台中央计算机通信。这台电脑通过摄像头“观察”整个球场，并根据颜色区分足球、球门、己方球员和对方球员。计算机总是在处理这种信息，并决定如何指挥它的团队。

适应性和普遍性

个人电脑革命以其出色的适应性为标志。标准化的硬件和编程语言使计算机工程师和业余程序员能够根据他们的特定目的制造计算机。电脑零件有点类似于工艺品，用途数不胜数。

到目前为止，大多数机器人更像是厨具。机器人专家为特定目的制造了它们。然而，它们对完全不同的应用场景的适应性不是很好。

这种情况正在改变。一家名为进化机器人的公司开创了自适应机器人软件和硬件领域。该公司希望通过一个易于使用的“机器人开发工具包”来开拓其利基市场。

这个工具包有一个开放的软件平台，提供各种常用的机器人功能。例如，机器人专家可以很容易地给他们的作品跟踪目标、听语音命令和绕过障碍物的能力。从技术角度来说，这些功能并不是革命性的，不同寻常的是，它们被集成在一个简单的软件包中。

这个工具包还附带了一些常见的机器人硬件，可以很容易地与软件相结合。标准套件提供了一些红外传感器、电机、麦克风和摄像头。机器人专家可以用一套加固的安装组件来组装所有这些零件，其中包括一些铝制车身零件和耐用的车轮。

当然，这个工具包不是给你做平庸作品的。它卖700多美元，这绝不是一个便宜的玩具。然而，它向新的机器人科学迈出了一大步。在不久的将来，如果你想做一个新的机器人，可以在你离开的时候打扫房间或者照顾宠物，你可能只需要写一个BASIC程序，这样会节省你很多钱。

第四，人工智能

人工智能(AI)无疑是机器人学中最激动人心、最有争议的领域:每个人都认为机器人可以在流水线上工作，但对于它是否可以拥有智能却存在分歧。

就像“机器人”这个术语一样，你也很难定义“人工智能”。最终的人工智能是人类思维过程的再生产，即具有人类智能的人工机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己观点的能力。目前，机器人专家还远没有实现这种人工智能水平，但他们在人工智能这个有限的领域取得了很大的进步。如今，具有人工智能的机器可以模仿一些特定的智能元素。

计算机有能力解决有限领域的问题。用人工智能解决问题的实现过程比较复杂，但基本原理很简单。首先，人工智能机器人或计算机会通过传感器(或人工输入)收集关于某一情况的事实。计算机将这些信息与存储的信息进行比较，以确定其含义。电脑会根据收集到的信息计算出各种可能的动作，然后预测哪个动作效果最好。当然，计算机只能解决其程序允许其解决的问题，不具备一般意义上的分析能力。象棋计算机就是这种机器的一个例子。

一些现代机器人的学习能力也有限。学习机器人可以识别某些动作(如以某种方式移动腿)是否达到了预期的效果(如绕过障碍物)。机器人储存这类信息，下次遇到同样的情况时，会尝试做出成功的动作。同样，现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。他们不能像人类一样收集各种信息。有些机器人可以通过模仿人类的动作来学习。在日本，机器人专家向机器人演示舞蹈动作，这使它学会了跳舞。

有些机器人有人际交往能力。Kismet是麻省理工学院人工智能实验室制造的机器人，能够识别人体语言和说话语气，并做出相应的反应。Kismet的作者对成人和婴儿之间的互动感兴趣，这种互动只能通过语调和视觉信息来完成。这种低级的交互可以作为类人学习系统的基础。

Kismet机器人

麻省理工学院人工智能实验室制造的Kismet等机器人采用非常规控制结构。这些机器人并不使用一台中央计算机来控制它们的所有动作，但是它们的低级动作是由低级计算机控制的。项目负责人罗德尼·布鲁克斯认为，这是一个更准确的人类智能模型。大多数人类行为都是自动做出的，而不是由最高层次的意识做出的。

人工智能真正的问题在于理解自然智能的工作原理。开发人工智能不同于制作人工心脏。科学家没有简单具体的模型可以参考。众所周知，大脑中有数十亿个神经元，我们的思维和学习是通过在不同的神经元之间建立电子连接来完成的。但是我们不知道这些连接是如何实现高级推理能力的，甚至不知道低级运算的实现原理。大脑的神经网络似乎无法理解。

所以人工智能很大程度上还是一个理论而已。科学家们提出了关于人类学习和思维原理的假设，然后用机器人来实验他们的想法。

就像机器人的物理设计是了解动物和人体解剖的便捷工具一样，人工智能的研究也有助于了解自然智能的工作原理。对于一些机器人专家来说，这种观点是设计机器人的最终目的。还有人在想象一个人类和智能机器共同生活的世界，在这个世界里，人类使用各种小型机器人进行体力劳动、医疗保健和通讯。很多机器人专家预测，机器人的进化最终会让我们变成半机器人，也就是人和机器融为一体。有理由相信，未来的人类会把思想植入健壮的机器人，活上千年！

无论如何，机器人将在我们未来的日常生活中发挥重要作用。未来几十年，机器人将逐渐扩展到工业和科学以外的领域，进入日常生活，这类似于80年代计算机逐渐普及到家庭的过程。