机器人的工作原理，史上最详细的解析！！！

机器人的工作原理，史上最详细的解析
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”等这些词，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，在本文中，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
它们的任务的。
一、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
• 大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动
1 / 12当然，人类还有一些无形的特征，如智能和道德，但在纯粹的物理层面上，此列
表已经相当完备了。
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。
2 / 12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。
二、机器人是如何工作的
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。
3 / 12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
4 / 12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
5 / 12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。