十二 25

机器人走进开放源代码

Robotics

机器人走进开放源代码

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Darrick Addison （dtadd95@bellatlantic.net）
高级软件工程师／顾问，ASC Technologies Inc.

Darrick Addison 是一个在数据库、网络、用户界面和嵌入式系统方面具有丰富经验的开发人员，他介绍了机器人技术领域和与机器人系统有关的问题。他谈到了机械设计、传感系统、电子控制和软件。他还讨论了微控制器系统，包括串行接口连接和存储映象接口连接，并谈到了某些可供选择的开放源代码软件。

"机器人"一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家 Karel Capek 引入的，他虚构创作的机器人很象 Frankenstein 博士的怪物－由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。但现在流行文化中的机械机器人和这些虚构的生物创作物没多大区别。基本上，一个机器人包括：

  • 机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。
  • 设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。
  • 根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统。
定义的机器人
"可重复编程的多功能操纵器，设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件、工具或专门的设备。"
－ 美国机器人协会，1979 年

在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。在航天工业中，机器人技术集中在高度专业的一种行星漫步者上。不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作－ 没有无线电通讯 －可能碰到意外的情况。至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。

从军事科技和空间探索到健康产业和商业，使用机器人的优势已经被认识到了这种程度－ 它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分。

它们能把我们从危险和枯燥中解脱出来：

  • 安全：机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。
  • 不愉快的事：机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。
  • 重复和精度：装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。机器人被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。

机械平台 －硬件基础
一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能（artificial intelligence，）系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。机器人最简单的行为是移动。典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在命令时转动。

电动机
很多种电动机向机器人提供能源，让它们用不同的编程动作搬运材料、零件、工具或专用设备。电动机的效率等级表明多少消耗的电量转化成机械能。让我们看看现代机器人技术中目前被使用的一些机械设备。

直流电机： 永久磁铁，直流（Permanent-magnet，direct-current，PMDC）电机只需要两根导线，使用固定磁铁、电磁铁（定子和转子）和开关。这些组成一个换向器来通过旋转的磁场产生运动。

交流电机 交流电机在输入导线循环能源，连续地运动磁场。直流电机和交流电机在收到一个信号时会全速运转。

步进电机 步进电机就像没有电刷的直流或交流电机。它通过按顺序（步进地）向电动机中不同的磁铁提供能源使其运转。步进电机设计的目的是更好的控制，它不会只在命令时旋转，还能够以任意的"步／每秒"（最高到它的最大速度）的速度旋转。

伺服电动机 伺服电动机是闭合线圈设备。在收到信号时，它可以自我调整直到与该信号匹配。伺服电动机用于无线电控制的飞机和汽车。它是有传动装置和反馈控制系统的简单的直流电动机。

驱动机制
齿轮和链条： 齿轮和链条是机械平台，它提供了一种向另一个地方传送转动动作的强大而精确的途径（可能在传送的时候改变了动作）。两个齿轮之间速度的改变取决于每个齿轮上齿的数目。当加电的齿轮旋转一周时，它根据齿轮上的齿数来拉动链条。

滑轮和皮带： 滑轮和皮带是机器人所使用的两种另外的机械平台，工作的方式与齿轮和链条一样。滑轮是轮缘有凹槽的轮子，皮带是可以放进这个凹槽的橡皮圈。

变速箱： 变速箱运转的原理与齿轮和链条一样，不过没有链条。变速箱需要更精密的公差配合，因为不是使用一条又大又松的链条来传送力量，也不用调整错位，齿轮之间直接和对方啮合。变速箱的示例可以在汽车的传动装置、落地大座钟的定时机制和打印机的送纸装置中找到。

电源
电源一般通过两种电池提供。一次电池使用过一次就被丢弃；二次电池以一种（通常是）可逆的化学反应工作，可以多次充电。一次电池有较高的容量和较低的自放电率。二次（可充电）电池比一次电池电量小，但可以重复充电，按化学反应和环境的不同可以多达一千次。一般可充电电池第一次使用可以为电器或机器人提供 4 小时连续工作的能源。

理论上机器人可以使用几百种不同类型和形式的电池。电池按化学反应和规格分类，按电压和电量分级。电池的电压由电池的化学反应决定，容量由化学反应和规格两者共同决定。请参阅表 1 了解电池规格。

表 1. 电源

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