機器人的工作原理，史上最詳細的解析
很多人一聽到“機器人”這三個字腦中就會浮現(xiàn)“外形酷炫”、“功能強大”、
“高端”等這些詞，認為機器人就和科幻電影里的“終結者”一樣高端炫酷。其
實不然，在本文中，我們將探討機器人學的基本概念，并了解機器人是如何完成
它們的任務的。
一、機器人的組成部分
從最基本的層面來看，人體包括五個主要組成部分：
? 身體結構
? 肌肉系統(tǒng)，用來移動身體結構
? 感官系統(tǒng)，用來接收有關身體和周圍環(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動
1 / 12當然，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)相當完備了。
機器人的組成部分與人類極為類似。一個典型的機器人有一套可移動的身體結構、
一部類似于馬達的裝置、一套傳感系統(tǒng)、一個電源和一個用來控制所有這些要素
的計算機“大腦”。從本質上講，機器人是由人類制造的“動物”，它們是模仿
人類和動物行為的機器。
仿生袋鼠機器人
機器人的定義范圍很廣，大到工廠服務的工業(yè)機器人，小到居家打掃機器人。按
照目前最寬泛的定義，如果某樣東西被許多人認為是機器人，那么它就是機器人。
許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規(guī)定，
機器人應具有可重新編程的大腦（一臺計算機），用來移動身體。
根據(jù)這一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同之處在于它們的計
算機要素。許多新型汽車都有一臺車載計算機，但只是用它來做微小的調整。駕
駛員通過各種機械裝置直接控制車輛的大多數(shù)部件。而機器人在物理特性方面與
普通的計算機不同，它們各自連接著一個身體，而普通的計算機則不然。
大多數(shù)機器人確實擁有一些共同的特性▼
首先，幾乎所有機器人都有一個可以移動的身體。有些擁有的只是機動化的輪子，
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，這些獨立的部件是用關節(jié)連接起來的。
2 / 12機器人的輪與軸是用某種傳動裝置連接起來的。有些機器人使用馬達和螺線管作
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)（由壓縮氣體驅動
的系統(tǒng)）。機器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。
其次，機器人需要一個能量源來驅動這些傳動裝置。大多數(shù)機器人會使用電池或
墻上的電源插座來供電。此外，液壓機器人還需要一個泵來為液體加壓，而氣動
機器人則需要氣體壓縮機或壓縮氣罐。
所有傳動裝置都通過導線與一塊電路相連。該電路直接為電動馬達和螺線圈供電，
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器內(nèi)流動的路徑。
比如說，如果機器人要移動一只由液壓驅動的腿，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。
通常，機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。
機器人的計算機可以控制與電路相連的所有部件。為了使機器人動起來，計算機
會打開所有需要的馬達和閥門。大多數(shù)機器人是可重新編程的。如果要改變某部
機器人的行為，您只需將一個新的程序寫入它的計算機即可。
并非所有的機器人都有傳感系統(tǒng)。很少有機器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺。
機器人擁有的最常見的一種感覺是運動感，也就是它監(jiān)控自身運動的能力。在標
準設計中，機器人的關節(jié)處安裝著刻有凹槽的輪子。在輪子的一側有一個發(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的光傳感器上。當機器
人移動某個特定的關節(jié)時，有凹槽的輪子會轉動。在此過程中，凹槽將擋住光束。
光學傳感器讀取光束閃動的模式，并將數(shù)據(jù)傳送給計算機。計算機可以根據(jù)這一
模式準確地計算出關節(jié)已經(jīng)旋轉的距離。計算機鼠標中使用的基本系統(tǒng)與此相同。
以上這些是機器人的基本組成部分。機器人專家有無數(shù)種方法可以將這些元素組
合起來，從而制造出無限復雜的機器人。機器臂是最常見的設計之一。
二、機器人是如何工作的
英語里“機器人”(Robot)這個術語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強制
勞動者”。用它來描述大多數(shù)機器人是十分貼切的。世界上的機器人大多用來從
事繁重的重復性制造工作。它們負責那些對人類來說非常困難、危險或枯燥的任
務。
3 / 12最常見的制造類機器人是機器臂。一部典型的機器臂由七個金屬部件構成，它們
是用六個關節(jié)接起來的。計算機將旋轉與每個關節(jié)分別相連的步進式馬達，以便
控制機器人（某些大型機器臂使用液壓或氣動系統(tǒng)）。與普通馬達不同，步進式
馬達會以增量方式精確移動。這使計算機可以精確地移動機器臂，使機器臂不斷
重復完全相同的動作。機器人利用運動傳感器來確保自己完全按正確的量移動。
這種帶有六個關節(jié)的工業(yè)機器人與人類的手臂極為相似，它具有相當于肩膀、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構（而不是移動的
身體）上。這種類型的機器人有六個自由度，也就是說，它能向六個不同的方向
轉動。與之相比，人的手臂有七個自由度。
一個六軸工業(yè)機器人的關節(jié)
人類手臂的作用是將手移動到不同的位置。類似地，機器臂的作用則是移動末端
執(zhí)行器。您可以在機器臂上安裝適用于特定應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。機器手往往
有內(nèi)置的壓力傳感器，用來將機器人抓握某一特定物體時的力度告訴計算機。這
4 / 12使機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)機器人專門用來在受控環(huán)境下反復執(zhí)行完全相同的工作。例如，某部機器人
可能會負責給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工
作，程序員會用一只手持控制器來引導機器臂完成整套動作。機器人將動作序列
準確地存儲在內(nèi)存中，此后每當裝配線上有新的罐子傳送過來時，它就會反復地
做這套動作。
機器臂是制造汽車時使用的基本部件之一
大多數(shù)工業(yè)機器人在汽車裝配線上工作，負責組裝汽車。在進行大量的此類工作
時，機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。制造類機器人在計算
機產(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
您要把機器人送到廣闊的外部世界，事情就變得有些復雜了。
首要的難題是為機器人提供一個可行的運動系統(tǒng)。如果機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寬，它們還適用于較為
崎嶇的地形。但是機器人的設計者往往希望使用腿狀結構，因為它們的適應性更
強。制造有腿的機器人還有助于使研究人員了解自然運動學的知識，這在生物研
究領域是有益的實踐。
機器人的腿通常是在液壓或氣動活塞的驅動下前后移動的。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
5 / 12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。同理，機器人的設計師必須弄清與
行走有關的正確活塞運動組合，并將這一信息編入機器人的計算機中。許多移動
型機器人都有一個內(nèi)置平衡系統(tǒng)（如一組陀螺儀），該系統(tǒng)會告訴計算機何時需
要校正機器人的動作。