[行业知识] 机器人的工作原理,详细解析!

2023-08-01 1233阅读

很多人一听到“机器人”这个词,脑海中就会浮现“酷炫的外观”、“强大的功能”、“高端”等词语。他们认为机器人就像科幻电影中的“终结者”一样高端、耀眼。在本文中,我们将探讨机器人技术的基本概念并了解机器人如何完成其任务。本质上,机器人是人类制造的“动物”,是模仿人类和动物行为的机器。这种六关节工业机器人与人的手臂非常相似,相当于肩膀、肘部和手腕。工业机器人被设计为在受控环境中重复执行完全相同的工作。大多数工业机器人在汽车装配线上工作,组装汽车。某些移动机器人是远程控制的,允许人类指挥它们在特定时间完成特定工作。

很多人一听到“机器人”这个词,脑海中就会浮现“酷炫的外观”、“强大的功能”、“高端”等词语。 他们认为机器人就像科幻电影中的“终结者”一样高端、耀眼。 凉爽的。 在本文中,我们将探讨机器人技术的基本概念并了解机器人如何完成其​​任务。

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1、机器人的组成部分

在最基本的层面上,人体由五个主要部分组成:

当然,人类也有一些无形的特征,比如智力和道德,但在纯粹的身体层面上,这个清单是相当完整的。

机器人的组成部分与人类的组成部分非常相似。 典型的机器人具有可移动的身体结构、类似电机的机构、传感系统、电源和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”,是模仿人类和动物行为的机器。

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仿生袋鼠机器人

机器人的定义范围很广,从用于工厂服务的工业机器人到家庭清洁机器人。 根据当前最广泛的定义,如果某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)来移动它的身体。

根据这个定义,机器人与其他移动机器(例如汽车)的不同之处在于其计算元素。 许多较新的汽车都有车载计算机,但仅用它来进行细微的调整。 驾驶员通过各种机制直接控制车辆的大部分部件。 而且机器人在物理特性上与普通计算机有所不同。 它们各自连接到一个本体,这与普通计算机不同。

大多数机器人确实有一些共同的特征

首先,几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。 有些只有电动轮,而另一些则有大量移动部件,通常由金属或塑料制成。 与人体骨骼类似,这些单独的部分通过关节连接。

机器人的轮子和轴通过某种传动装置连接起来。 有些机器人使用电机和螺线管进行传动; 其他人使用液压系统; 还有一些使用气动系统(由压缩气体驱动的系统)。 机器人可以使用上述任何类型的传输。

其次,机器人需要能源来驱动这些传动装置。 大多数机器人将使用电池或墙壁插座供电。 此外,液压机器人需要泵来对液体加压,而气动机器人则需要气体压缩机或压缩气罐。

所有执行器都通过电线连接到电路。 该电路直接为电动机和电磁阀提供动力,并操作电子阀来启动液压系统。 阀门控制加压流体通过机器的路径。 例如,如果机器人要移动液压驱动的腿,其控制器将打开从液压泵通向腿上的气缸的阀门。 加压流体将推动活塞,使腿向前旋转。 通常,机器人使用提供双向推力的活塞来沿两个方向移动零件。

机器人的计算机控制与电路连接的所有东西。 为了移动机器人,计算机打开所有需要的电机和阀门。 大多数机器人都是可重新编程的。 要改变机器人的行为,您只需在其计算机中编写一个新程序即可。

并非所有机器人都有传感系统。 很少有机器人拥有视觉、听觉、嗅觉或味觉。 机器人最常见的感觉之一是运动学,或者说它监控自身运动的能力。 在标准设计中,机器人的关节配备有凹槽轮。 轮子的一侧有一个 LED,它将光束穿过凹槽发送到轮子另一侧的光传感器上。 当机器人移动特定关节时,凹槽轮就会转动。 在此过程中,凹槽会阻挡光束。 光学传感器读取闪烁光束的图案并将数据发送到计算机。 根据这种模式,计算机可以准确地计算出关节旋转了多远。 计算机鼠标也使用相同的基本系统。

这些是机器人的基本构建块。 机器人专家可以通过无数种方式将这些元素组合起来,创造出无限复杂的机器人。 机械臂是最常见的设计之一。

2.机器人如何工作?

英语中的“机器人”一词源自捷克语“robota”,通常翻译为“强迫劳动者”。 这是对大多数机器人的恰当描述。 世界上的机器人大多用于完成繁重的重复性制造工作。 它们负责那些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。 典型的机械臂由七个金属部件组成,并通过六个关节连接。 计算机转动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,使其一遍又一遍地重复完全相同的动作。 机器人使用运动传感器来确保它的移动量准确无误。

这种六关节工业机器人与人的手臂非常相似,相当于肩膀、肘部和手腕。 它的“肩膀”通常安装在固定的基础结构上(而不是移动的主体)。 这类机器人有六个自由度,即可以向六个不同的方向转动。 相比之下,人的手臂有七个自由度。

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六轴工业机器人关节

[行业知识] 机器人的工作原理,详细解析!

人手臂的作用是将手移动到不同的位置。 同样,机械臂的作用就是移动末端执行器。 您可以在机械臂上安装多种末端执行器,以适应特定的应用场景。 抓取和移动不同物体的常见末端执行器是人手的简化版本。 机械手通常具有内置压力传感器,可以告诉计算机机器人抓取特定物体的力度。 这可以防止机器人手中的物体掉落或被压碎。 其他末端执行器包括喷灯、钻头和喷漆器。

工业机器人被设计为在受控环境中重复执行完全相同的工作。 例如,机器人的任务可能是在花生酱罐子经过装配线时拧上花生酱罐子的盖子。 为了教机器人如何完成这项工作,程序员使用手持控制器来引导机器人手臂完成一系列动作。 机器人将准确的运动顺序存储在内存中,并且每次在装配线上交付新罐时,它都会重复该操作。

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机械臂是制造汽车的基本部件之一

大多数工业机器人在汽车装配线上工作,组装汽车。 机器人在完成许多此类工作时比人类更有效率,因为它们非常精确。 无论他们工作了多少小时,他们仍然会在相同的位置钻孔并以相同的力拧动螺丝。 制造机器人在计算机行业中也发挥着非常重要的作用。 他们极其精确的双手可以组装微型芯片。

机械臂相对容易制造和编程,因为它们只能在有限的区域内工作。 如果您要将机器人发送到广阔的外部世界,事情会变得更加复杂。

第一个挑战是为机器人提供可行的运动系统。 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,它们也适用于崎岖的地形。 但机器人设计者通常希望使用腿状结构,因为它们的适应性更强。 创造有腿机器人还可以帮助研究人员掌握自然运动学知识,这是生物研究领域的有益实践。

机器人腿通常通过液压或气动活塞来回移动。 各个活塞连接到不同的腿部部位,就像肌肉连接到不同的骨头一样。 让所有这些活塞以正确的方式协同工作无疑是一个挑战。 在婴儿期,人类大脑必须弄清楚哪些肌肉需要同时收缩才能直立行走而不会摔倒。 同样,机器人设计者必须找出用于行走的活塞运动的正确组合,并将这些信息编程到机器人的计算机中。 许多移动机器人都有一个内置的平衡系统(例如一组陀螺仪),当机器人的运动需要校正时,它会告诉计算机。

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波士顿动力全新升级Atlas人形机器人

双足行走的运动方式本身不稳定,因此在机器人制造中实现起来难度极大。 为了设计行走更稳定的机器人,设计师常常将注意力转向动物王国,尤其是昆虫。 昆虫有六条腿,它们往往具有非凡的平衡能力和对许多不同地形的适应性。

某些移动机器人是远程控制的,允许人类指挥它们在特定时间完成特定工作。 远程控制单元可以使用连接线、无线电或红外信号与机器人进行通信。 远程机器人通常称为木偶机器人,可用于探索充满危险或人类无法进入的环境,例如深海或火山内部。 有些机器人仅部分由遥控器控制。 例如,操作员可能会指示机器人前往特定地点,但不会引导其前进,从而使其自行寻找路线。

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NASA开发遥控太空机器人R2

自主机器人可以自主行动,无需依赖任何人类控制器。 基本思想是对机器人进行编程,使其以某种方式对外部刺激做出反应。 极其简单的碰撞响应机器人很好地说明了这一原理。

该机器人有一个碰撞传感器,可以检查障碍物。 当您启动机器人时,它通常会沿着直线蜿蜒前进。 当它撞到障碍物时,冲击力会作用在其碰撞传感器上。 每次发生碰撞时,机器人都会被编程指示其后退、右转和继续前进。 根据这种方法,机器人每当遇到障碍物时就会改变方向。

先进的机器人以更复杂的方式运用这一原理。 机器人专家将开发新的程序和传感系统,以创造更智能、更有感知力的机器人。 今天的机器人可以在各种环境中执行任务。

更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。 这些传感器的工作原理类似于动物的回声定位系统:机器人发出声音信号(或一束红外光)并检测信号的反射。 机器人根据信号反射所需的时间计算其与障碍物之间的距离。

更先进的机器人使用立体视觉来观察周围的世界。 两个摄像头为机器人提供深度感知,而图像识别软件则为机器人提供定位物体和识别各种物体的能力。 该机器人还可以使用麦克风和气味传感器来分析周围环境。

某些自主机器人只能在它们熟悉的有限环境中工作。 例如,割草机器人依靠埋藏的地标来确定草地的范围。 用于清洁办公室的机器人需要建筑物地图才能在不同地点之间移动。

更先进的机器人可以分析和适应陌生的环境,甚至是地形崎岖的地区。 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,漫游机器人使用其视觉传感器生成前方地面的地图。 如果地图显示粗糙的地形图案,机器人就知道它应该走另一条路。 这样的系统对于在其他行星上工作的探索机器人非常有用。

另一种机器人设计采用更宽松的结构,引入随机化。 当机器人被卡住时,它会向各个方向移动其附肢,直到其运动产生效果。 它不是使用计算机对所有内容进行编程,而是使用力传感器和执行器协同工作来完成任务。 这与蚂蚁试图绕过障碍物时类似:蚂蚁在需要绕过障碍物时似乎并不果断,而是不断尝试各种方法,直到绕过障碍物。

3.自制机器人

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在本文的最后部分,我们将了解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技术方面取得了长足的进步,但他们并不是唯一的机器人制造商。 几十年来,一个小而热情的爱好一直是在世界各地的车库和地下室建造机器人。

自制机器人是一种新兴的亚文化,对互联网具有相当大的影响力。 业余机器人专家用各种商业机器人工具、邮购零件、玩具,甚至老式录像机组装他们的作品。

与专业机器人一样,自制机器人也有多种类型。 一些只能在周末工作的机器人爱好者创造了非常精致的行走机器,另一些则为自己设计了家用机器人,还有一些爱好者热衷于打造竞技机器人。 在竞技机器人中,最熟悉的是遥控机器人战士,就像你在《BattleBots》节目中看到的那样。 这些机器并不是真正的“真正的机器人”,因为它们没有可重新编程的计算机大脑。 它们只是增强型遥控车。

更先进的竞技机器人是由计算机控制的。 例如,足球机器人在没有任何人类输入的情况下玩小型足球游戏。 标准的机器人足球队由多个与中央计算机通信的单独机器人组成。 计算机通过摄像机“看到”整个球场,并根据颜色识别自己和对方球队的足球、进球和球员。 计算机始终处理这些信息并决定如何指导其团队。

适应性和多功能性

个人计算机革命以其卓越的适应性为标志。 标准化的硬件和编程语言允许计算机工程师和业余程序员为他们的特定目的构建计算机。 计算机零件有点像工艺用品,其用途是无穷无尽的。

迄今为止,大多数机器人更像是厨房用具。 机器人专家使它们专门用于特定目的。 但它们对完全不同的应用场景的适应性并不是很好。

这种情况正在改变。 一家名为 Evolution Robotics 的公司开创了自适应机器人硬件和软件领域。 该公司希望通过易于使用的“机器人开发工具包”开辟自己的利基市场。

该工具包拥有一个开放的软件平台,致力于提供各种常用的机器人功能。 例如,机器人专家可以轻松地为他们的创造物赋予跟踪物体、遵循语音命令和绕过障碍物的能力。 从技术角度来看,这些功能并不是革命性的,但不同寻常的是,它们被集成到一个简单的包中。

该套件还配备了一些常见的机器人硬件,可以轻松与软件结合使用。 标准套件提供一些红外传感器、电机、麦克风和摄像机。 机器人专家可以使用加固安装套件组装所有这些部件,其中包括一些铝制车身部件和耐用的轮子。

当然,这个套件不适合你创造平庸的作品。 售价超过 700 美元,这绝不是一个便宜的玩具。 尽管如此,这仍然是迈向新型机器人科学的一大步。 在不远的将来,如果你想建造一种新型机器人,可以在你离开时打扫你的房子或照顾你的宠物,你可能只需要编写一个 BASIC 程序来完成它,它将为您节省一大笔钱。

4.人工智能

人工智能(AI)可以说是机器人技术中最令人兴奋的领域,当然也是最具争议性的:每个人都同意机器人可以在装配线上工作,但对于它是否具有智能却存在分歧。

就像“机器人”一词本身一样,“人工智能”可能很难定义。 最终的人工智能是人类思维过程的再现,即具有人类智能的人造机器。 人工智能包括学习任何东西的能力、推理、语言和形成自己观点的能力。 机器人技术目前还远未达到人工智能的这一水平,但它们在人工智能的有限领域取得了长足的进步。 如今,具有人工智能的机器已经可以模仿某些智能元素。

计算机已经具备解决有限领域问题的能力。 使用人工智能解决问题的执行过程很复杂,但基本原理非常简单。 首先,人工智能机器人或计算机通过传感器(或通过人类输入)收集有关情况的事实。 计算机将此信息与已存储的信息进行比较,以确定其含义。 根据收集到的信息,计算机计算可能的行动并预测哪种行动最有效。 当然,计算机只能解决其编程允许其解决的问题; 它不具备一般意义上的分析能力。 国际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个动作(例如以某种方式移动一条腿)是否达到了预期的结果(例如绕过障碍物)。 机器人会存储这些信息,下次遇到同样的情况时,它会尝试采取行动来成功应对。 同样,现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。 他们无法像人类一样收集所有类型的信息。 一些机器人可以通过模仿人类行为来学习。 在日本,机器人专家通过展示舞蹈动作来教机器人跳舞。

有些机器人具有人类沟通能力。 Kismet 是麻省理工学院人工智能实验室制造的机器人,可以识别人类的肢体语言和说话的音调并做出相应的反应。 Kismet 的作者对成人和婴儿仅基于语气和视觉信息的互动方式感兴趣。 这种低级交互可以作为类人学习系统的基础。

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天运机器人

Kismet 和麻省理工学院人工智能实验室制造的其他机器人采用了非常规的控制结构。 这些机器人的所有动作不是由中央计算机控制,而是由低级计算机控制。 项目总监罗德尼·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决定的。

人工智能的真正挑战在于理解自然智能的工作原理。 开发人工智能与制造人造心脏不同。 科学家们并没有一个简单而具体的模型可供参考。 我们知道大脑包含数百亿个神经元,我们的思维和学习是通过在不同神经元之间建立电连接来完成的。 但我们不知道这些连接如何实现高级推理,甚至不知道如何实现低级操作。 大脑的神经网络似乎复杂得难以理解。

因此,人工智能在很大程度上仍处于理论阶段。 科学家提出关于人类如何学习和思考的假设,然后使用机器人来实验他们的想法。

正如机器人的物理设计是理解动物和人体解剖学的便捷工具一样,人工智能的研究也有助于理解自然智能的工作原理。 对于一些机器人专家来说,这种洞察力是设计机器人的最终目标。 另一些人则幻想一个人类与智能机器共同生活的世界,使用各种小型机器人进行体力劳动、医疗保健和交流。 许多机器人专家预测,机器人的进化最终将使我们成为完全的机器人——人类与机器融合。 我们有理由相信,未来的人类将把自己的思想植入到强大的机器人中,并活上数千年!

无论如何,未来机器人将在我们的日常生活中发挥重要作用。 在接下来的几十年里,机器人将逐渐超越工业和科学领域,进入日常生活,就像 20 世纪 80 年代计算机开始进入家庭一样。

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