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机器人学简介

工业机器人培训 2019-02-10 16:52:13

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Part1

前言

本文将从神话开始,一步一步延伸,讲述机器人的概念从何处来,机器人学是什么,以及为何机器人需要不同的系统协作才能完成一系列动作,简单的让读者了解机器人,从而为更深入了解机器人做好准备。




Part2

正文

机器人学有深刻文化根源。在过去的几个世纪里,人类不断试图寻找自身的替代品,能够模仿人类行为与各种环境发生交互。而在哲学、经济、社会和科学等不同领域中,迸发的灵感驱动着人们不断进行这种尝试。


人类最大的野心之一就是赋予人造物以生命。不管是普罗米修斯用粘土造人的传说、还是赫菲斯托斯制作青铜奴隶(giant Talus)的神话,都昭示着这种野心对希腊神话的影响。《弗兰肯斯坦》仅仅是上述神话故事的现代话版本。


正如giant Talus被委以重任保护克里特岛不被侵略,在工业时代,机械生物(机器)同样被赋予代替人类从事低级劳动的角色。机器人的概念由捷克剧作家Karel Capek 在Rossum’s Universal Robots (R.U.R.)中引入。他创造了“robot”这个名词——在斯拉夫语中,Robota为进行劳动的意思——来称呼Rossum制造的机器人。这个科幻故事最后以机器人反叛人类收尾。


随后的几年里,从科幻小说发展的角度看,机器人往往是拥有感情的,这一点使得机器人越来越像他们的创造者——人。


值得注意的是,小说中Rossum的机器人被描述为拥有有血有肉的躯体。而拥有机械躯体的机器人形象则是在20世纪40年代被俄国著名科幻小说家Isaac Asimov引入。Asimov将机器人描述为拥有人类的外表,但没有感情的自动机。人类将符合特定道德行为准则的程序编入机器人的电子大脑中,从而监控机器人的行为。随后Asimov提出了“机器人学”的概念,并提出人类研发的机器人要满足三个基本法则:

  1. 机器人不得伤害人类,或坐视人类受到伤害;

  2. 机器人必须服从人类的命令,除非违背第一法则;

  3. 机器人必须保护自己,除非违背第一、第二法则。


这就是我们常说的机器人三大定律,它现在已经成了一套规则来限制机器人的行为,而现在也成为了人类设计机器人,乃至工业产品时的标准与内涵。


科幻小说无时无刻不在让人们想象:一个人形机器人,他可以说话、走路、听和看,外表酷似电影《Metropolis》(机器人电影的先驱)中的机器人,《Star Wars》中的机器人,或者是《I, Robot》中的机器人。但是根据科幻小说场景中的科学阐述,机器人就是一个可以对它所操作的环境施加影响的,有独立本体的机器。而要实现这个过程,机器不仅需要有特定的内在行为准则,还需要获取自身状态以及外部环境的数据作参考,将这些准则和数据最终整合成为机器的动作。实际上,机器人学通常被定义为:对感知与动作间智能连接的科学研究。


根据这个定义,现实中一个机器人系统是一个非常复杂的系统,它的每一个功能又由其子系统来定义、实现。


机器人的核心部件是我们为它设计的机械系统,通常包含:运动装置(轮子、履带、机械腿)和操纵装置(机械臂、末端执行件、人造手)。例如,在图1.1所示的机械系统中,包含了两个机械臂(操纵装置),每一个机械臂下方都安装有一辆小车(运动装置)。


图1.1


为了让运动装置和操纵装置可以执行一系列动作,我们需要为它们提供一套驱动系统


机器人感知的功能可以通过传感系统实现,这套系统可以获取机械系统内部的状态(本体感应传感器,例如位置传感器)和外部环境的状态(外部感应传感器,例如力传感器和相机)。


连接感知与动作的功能,则由控制系统来实现。任务规划技术根据机器人和环境的限制为机器人制定目标,控制系统则根据这个目标来下达指令执行一系列动作完成目标。控制系统实现的机制类似人类控制自己身体的反馈机制,因此还需要机器人充分了解自身组件的形态(这就涉及到建模)。


所以,我们可以发现,机器人学是一门交叉学科,融合了机械、控制、计算机以及电气等学科。




Part3

后记

机器人学的简介就到这里,下一步我们将会向大家更深一些的介绍机器人的机械结构,敬请期待。本文原版为英文,如有翻译不准确,希望读者向我们反馈。



免责声明:本文系网络转载。 

 

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