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详细解析机器人工作原理

   日期:2019-09-24     来源:机器人在线    浏览:21    评论:0    
核心提示:很多人一听到机器人这三个字脑中就会浮现外形酷炫、功能强大、高端等词,认为机器人就和科幻电影里的终结者一样高端炫酷。其实不
     很多人一听到“机器人”这三个字脑中就会浮现“外形酷炫”、“功能强大”、“高端”等词,认为机器人就和科幻电影里的“终结者”一样高端炫酷。其实不然,下面我们将探讨机器人学的基本概念,并了解机器人是如何完成任务的。


机器人的组成部分

 

   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)和大脑系统(用来处理感官信息和指挥肌肉运动)。


机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器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计算机“大脑”。从本质上讲,机器人是由人类制造的“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,大到工厂服务的工业机器人,小到居家打扫机器人。按照目前最宽泛的定义,如果某样东西被许多人认为是机器人,那么它就是机器人。许多机器人专家(制造机器人的人)使用的是一种更为精确的定义。他们规定,机器人应具有可重新编程的大脑(一台计算机),用来移动身体。


       根据这一定义,机器人与其他可移动的机器(如汽车)的不同之处在于它们的计算机要素。许多新型汽车都有一台车载计算机,但只是用它来做微小的调整。驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大多数部件。而机器人在物理特性方面与普通的计算机不同,它们各自连接着一个身体,而普通的计算机则不然。


  大多数机器人确实拥有一些共同的特性:


       首先,几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是机动化的轮子,而有些则拥有大量可移动的部件,这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似,这些独立的部件是用关节连接起来的。


       机器人的轮与轴是用某种传动装置连接起来的。有些机器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;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动装置。


       其次,机器人需要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机器人会使用电池或墙上的电源插座来供电。此外,液压机器人还需要一个泵来为液体加压,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,并操纵电子阀门来启动液压系统。阀门可以控制承压流体在机器内流动的路径。比如说,如果机器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,机器人使用可提供双向推力的活塞,以使部件能向两个方向活动。


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


       并非所有的机器人都有传感系统。很少有机器人具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人拥有的最常见的一种感觉是运动感,也就是它监控自身运动的能力。在标准设计中,机器人的关节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。当机器人移动某个特定的关节时,有凹槽的轮子会转动。在此过程中,凹槽将挡住光束。光学传感器读取光束闪动的模式,并将数据传送给计算机。计算机可以根据这一模式准确地计算出关节已经旋转的距离。计算机鼠标中使用的基本系统与此相同。


       以上这些是机器人的基本组成部分。机器人专家有无数种方法可以将这些元素组合起来,从而制造出无限复杂的机器人。机器臂是最常见的设计之一。



机器人如何工作

 


       英语里“机器人”(Robot)这个术语来自于捷克语单词robota,通常译作“强制劳动者”。用它来描述大多数机器人是十分贴切的。世界上的机器人大多用来从事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、危险或枯燥的任务。


       最常见的制造类机器人是机器臂。一部典型的机器臂由七个金属部件构成,它们是用六个关节接起来的。计算机将旋转与每个关节分别相连的步进式马达,以便控制机器人(某些大型机器臂使用液压或气动系统)。与普通马达不同,步进式马达会以增量方式精确移动。这使计算机可以精确地移动机器臂,使机器臂不断重复完全相同的动作。机器人利用运动传感器来确保自己完全按正确的量移动。


  这种带有六个关节的工业机器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”通常安装在一个固定的基座结构(而不是移动的身体)上。这种类型的机器人有六个自由度,也就是说,它能向六个不同的方向转动。与之相比,人的手臂有七个自由度。


一个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。类似地,机器臂的作用则是移动末端执行器。您可以在机器臂上安装适用于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能抓握并移动不同的物品,它是人手的简化版本。机器手往往有内置的压力传感器,用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末端执行器还包括喷灯、钻头和喷漆器。


  工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。例如,某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作,程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地存储在内存中,此后每当装配线上有新的罐子传送过来时,它就会反复地做这套动作。


机器臂是制造汽车时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。在进行大量的此类工作时,机器人的效率比人类高得多,因为它们非常精确。无论它们已经工作了多少小时,它们仍能在相同的位置钻孔,用相同的力度拧螺钉。制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用。它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。


       机器臂的制造和编程难度相对较低,因为它们只在一个有限的区域内工作。如果您要把机器人送到广阔的外部世界,事情就变得有些复杂了。


       首要的难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,轮子或轨道往往是最好的选择。如果轮子和轨道足够宽,它们还适用于较为崎岖的地形。但是机器人的设计者往往希望使用腿状结构,因为它们的适应性更强。制造有腿的机器人还有助于使研究人员了解自然运动学的知识,这在生物研究领域是有益的实践。


  机器人的腿通常是在液压或气动活塞的驱动下前后移动的。各个活塞连接在不同的腿部部件上,就像不同骨骼上附着的肌肉。若要使所有这些活塞都能以正确的方式协同工作,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收缩才能使得在直立行走时不致摔倒。同理,机器人的设计师必须弄清与行走有关的正确活塞运动组合,并将这一信息编入机器人的计算机中。许多移动型机器人都有一个内置平衡系统(如一组陀螺仪),该系统会告诉计算机何时需要校正机器人的动作。


 
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