寫給熱愛機(jī)器人的你

戴衎

很多學(xué)生在課外參加過各種類型的機(jī)器人競賽，但大多沒有經(jīng)過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)。而中考科技特長生的理論加試中有“考察相關(guān)專業(yè)知識”的要求，在備考過程中很難找到有針對性的復(fù)習(xí)資料。

我將自己在備考過程中收集的資料進(jìn)行補(bǔ)充和整理，為報(bào)考機(jī)器人科技特長生的學(xué)生以及對機(jī)器人感興趣的人們提供參考。

一、基本概念

機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，它具備一些與人或其他生物相似的能力，如感知、動作、規(guī)劃和協(xié)同等能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。參考其他國家的定義，也可以給出如下定義：機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可以編程的自動機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能通過編寫其操作程序來完成任務(wù)。

機(jī)器人具有兩個(gè)共同點(diǎn)：即通用性和適應(yīng)性（柔性）。通用性指機(jī)器人可以在無人參與的情況下自動完成多種操作或動作功能，適應(yīng)性是指可以再編程，程序流程可變。

1.能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）智能：指感覺和感知能力，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等。

（2）機(jī)能：指變通性、通用性或空間占有性等。

（3）物理能：指力、速度、可靠性、聯(lián)用性和壽命等。

2.產(chǎn)生的背景

機(jī)器人的產(chǎn)生歸功于電子計(jì)算機(jī)和制造等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，是科技發(fā)展的綜合性結(jié)果，也是社會發(fā)展本身的需求；是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結(jié)果，更是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果。其目的是把人類從有毒、有害、高溫或危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，提高生產(chǎn)效率。

3.機(jī)器人三原則

1940年科幻作家阿西莫夫提出了“機(jī)器人三原則”：即機(jī)器人必須不能傷害人類，也不能看見人類受傷害而袖手旁觀；機(jī)器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或人類命令它做出犧牲。

4.分類

按功能可以劃分為服務(wù)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、翻譯機(jī)器人、水下機(jī)器人以及軍用機(jī)器人和排爆機(jī)器人等。

二、基本組成

1.微型電腦控制器

微型電腦控制器是機(jī)器人的“大腦”，控制機(jī)器人的所有行為，它有復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)和獨(dú)立的操作系統(tǒng)，通過觸動、光電、角度、溫度、紅外接收器等外部傳感器，采集高精度的聲音、角度、壓力、溫度、電壓等環(huán)境信號，并對采集的環(huán)境信息進(jìn)行分析和處理，與編好的程序?qū)φ?，?zhí)行與環(huán)境信息相符的子程序，控制動作模塊做出相應(yīng)的動作。

微型電腦控制器的程序可用簡單的圖形化編程語言在計(jì)算機(jī)上編寫，然后用紅外發(fā)射儀將編寫好的機(jī)器人系統(tǒng)程序指令下載到微型電腦控制器的內(nèi)存。

2.傳感器

它是一類電子元器件，可將外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成電信號，是機(jī)器人獲取外部信息的機(jī)構(gòu)。包括視覺傳感器、觸覺傳感器、測距傳感器、溫度傳感器、力傳感器、灰度傳感器、角度傳感器、加速度傳感器等等。

3.常用輸出元件

（1）發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）是機(jī)器人最常用的顯示器件，機(jī)器人結(jié)構(gòu)上有多個(gè)LED用來顯示各種工作狀態(tài)。

（2）蜂鳴器

機(jī)器人一般通過經(jīng)簡單編程的蜂鳴器發(fā)出不同聲音來判斷工作是否正常。

（3）電機(jī)（動力模塊）

驅(qū)動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)動作的裝置叫驅(qū)動裝置，大多由直流電機(jī)擔(dān)當(dāng)，有時(shí)也使用步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子和換向裝置三部分，將電池與直流電機(jī)連接就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

4.伺服馬達(dá)控制套件

直流電機(jī)、驅(qū)動電路和馬達(dá)齒輪減速裝置組成簡易機(jī)器人的動力模塊。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)啟動后的轉(zhuǎn)速較高，需要通過馬達(dá)齒輪減速裝置對直流電機(jī)減速，使整個(gè)動力模塊的轉(zhuǎn)速達(dá)到使用要求。伺服馬達(dá)控制套件不僅能實(shí)時(shí)控制多達(dá)24個(gè)微型伺服電機(jī)，還能精確控制伺服馬達(dá)的運(yùn)動范圍，并糾正運(yùn)動偏差。

三、本體基本結(jié)構(gòu)

1.連桿

機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。

2.關(guān)節(jié)

允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。

組成機(jī)器人的連桿和關(guān)節(jié)分兩類，一類是組成手臂的長連桿，也稱臂桿，它產(chǎn)生主運(yùn)動，是機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)；另一類是組成手腕的短連桿，即一組位于臂桿端部的關(guān)節(jié)組，是機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。

3.剛度

指機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。用外力及其在外力作用方向上的位移（變形量）之比進(jìn)行度量。

4.自由度

指描述物體運(yùn)動時(shí)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，用于表示機(jī)器人動作靈活的尺度，一般用軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，但不包括手部的動作。一般情況下，自由度越多，通用性就越好，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求越高。

5.精度（重復(fù)性）

是衡量機(jī)器人一列誤差值的密集程度，它表示在相同位置指令下，能夠連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。

6.定位精度

指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的位置之間的差距。

7.分辨率

指機(jī)器人每根軸能實(shí)現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。

8.工作空間

指機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間區(qū)域，但不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域。

9.負(fù)載量

機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩等物理量表示。負(fù)載量主要考慮機(jī)器人各運(yùn)動軸上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由運(yùn)動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一般情況下工業(yè)機(jī)器人最大負(fù)載量可達(dá)9 000牛頓。

10.坐標(biāo)形式

包括直角坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)系等。

11.扭矩

使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的一種特殊的力矩，等于力和力臂的乘積，它反映了機(jī)器人在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。當(dāng)功率一定時(shí)，扭矩與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。內(nèi)部的扭矩也叫內(nèi)力偶矩，外部的扭矩叫轉(zhuǎn)矩或外力偶矩。

12.齒輪比

即齒輪的齒數(shù)比。齒輪比是由齒輪中心與接觸點(diǎn)之間的距離決定的。通過調(diào)整齒輪比可以改變輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。

四、常用編程語言

C/C++是非常成熟的機(jī)器人編程語言，被很多硬件庫使用，適合于初學(xué)者。Python特別適合機(jī)器人領(lǐng)域。Java比C語言容易，對程序員隱藏了底層存儲功能。C#/.NET是微軟機(jī)器人開發(fā)員工作包。MATLAB能分析數(shù)據(jù)，產(chǎn)生高級圖像或?qū)嵤┛刂葡到y(tǒng)。Assembly是最底層的編程語言。HDLs（硬件描述語言）一般用來描述電氣的編程方式。BASIC/Pascal是最早的兩種編程語言。LISP是第二古老的編程語言，但在人工智能編程領(lǐng)域，它還是相當(dāng)重要的。此外，一般每個(gè)機(jī)器人制造商都會開發(fā)他們自己的機(jī)器人編程語言。