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机器人学

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机器影手(英语:Shadow robot hand)系统
机器影手英语Shadow robot hand系统

机器人学(英语:robotics)是一项涵盖了机器人的设计、建造、运作、以及应用的跨领域科技[1],就如同电脑系统之控制、感测回授、以及资讯处理。这些科技催生出能够取代人力的自动化机器,在危险境或制造工厂运作,或塑造成外表、行为、心智的仿人机器人。如今许多的机器人受到自然界的启发,贡献于生物启发的机器人学的领域。

创造可自动运转的机器的概念可追溯至古典时代,但是直到20世纪以前,机器人的功能和潜在应用开发及研究没有持续地成长[2]。纵观历史,机器人常见于模仿人类行为,且常以类似的方法管理事务。时至今日,机器人学成为一个快速成长的领域,同时先进技术持续地研发、设计、以及建造用来达成各种实用目的新款机器人,例如家庭用机器人英语Domestic robot工业机器人军用机器人。许多机器人从事对人类来讲非常危险的工作,如拆除炸弹、地雷、探索沉船等。机器人学还被用于STEM教育(科学Science, 技术Technology, 工程Engineering, 和数学Mathematics) 作为教学辅助。

语源

机器人学robotics)源自于机器人一词,而机器人一词最早被一位捷克的作家卡雷尔·恰佩克Karel Čapek)在他的舞台剧作品R.U.R.罗梭的万能工人中提出并发表于1920年[3]。该剧开始于一个用有机合成物制造人造人的工厂,那些人造人被称“机器人”(robots)。卡雷尔称是其兄弟约瑟夫·恰佩克发明了该词[3]

根据牛津英语词典,机器人学(robotics)一词第一次被使用在艾萨克·阿西莫夫的短篇科幻小说Liar,初次出版在1941年五月的《超级科学故事》(Analog Science Fiction and Fact英语Astounding Science Fiction)杂志上。

历史

公元1927年,一个由德国演员布里居·海默(Brigitte Helm)演示、女性人形的机械式人类(德语:Maschinenmensch),第一次在弗里茨·朗执导的德国科幻电影《大都会》(德语:Metropolis)中出现。

1942年,科幻作家以撒·艾西莫夫(英语:Isaac Asimov)勾勒出他的机器人学三大法则

1948年,以撒·艾西莫夫提出了模控学原理,成为日后机器人学的基础。

直至20世纪中才出现了全自动的机器人。第一个可数位操控及可编程化的机器人:通用机械手英语Unimate,于1961年建立,功能为从压铸机中举起高热的金属片并推叠起来。今日商业及工业机器人已被广泛地应用在可以比人工更廉价、或更精确可靠的工作上。机器人也被雇用于肮脏、危险或令人感到乏味的工作。关于机器人的广泛应用还有:制造、组装、封装及包装、运输、地球及太空探索、外科手术、武器、实验研究、保全,以及消费性和工业产品的大量生产。[4]

部件

动力源

电源目前主要是(铅酸)电池。机器人还可以使用许多不同类型的电池作为电源。它们的范围从安全和保质期相对较长,但比较重的铅酸电池,到容量要小得多,目前昂贵得多的银镉电池。设计一个电池供电的机器人需要考虑到安全性,循环寿命和重量等因素。发电机,经常有一些类型的内燃机,也可以被使用。然而,这样的设计通常是机械复杂,需要的燃料,需要散热,是比较重的。把机器人系绳连接到电源,将从机器人身上完全卸下电源。这具有节约重量和空间的优点是通过把所有发电和存储组件移动其他地方。然而,这样的设计需要把不断的电缆一直连接到机器人,其缺点是难以管理。[5]潜在的动力源可以是:

  • 气动(压缩气体)
  • 液压(液体)
  • 飞轮能量储存(flywheel energy storage, or FES)
  • 有机垃圾(通过厌氧消化
  • 粪便(人类,动物);可能在军事方面的能源需求有兴趣,小战斗小组的粪便可以再利用提供动力给机器人助理(见DEKA项目的Slingshot Stirling engine发动机系统如何运作的)

驱动

一个采用气动人工肌肉(英语:Pneumatic artificial muscles)的机器人腿。
一个采用气动人工肌肉英语Pneumatic artificial muscles的机器人腿。

驱动器就像一个机器人的"肌肉",可将储存的能量转化成移动。到目前为止,最常被使用的驱动器为转动轮子或齿轮的电动马达,以及控制在工厂中的工业用机器人的线性驱动器。然而,近期有一些不同型态的先进驱动器,其动力来源可为电力、化学反应、或压缩空气。

感应

主要条目:机器感应英语Robotic sensing

感应器使得机器人能够接收关于一些环境或内部元件的量测资讯。感测能力是机器人执行任务以及基于任何环境变化来动作以计算适当的反应的基本条件。感测器提供各种不同形式的量测,如给机器人安全警报或故障讯号,以及提供工作执行状况的即时资讯。

触觉

主要条目:触觉感测器英语Tactile sensor

目前的机器手及义肢能接收的体感触觉资讯远少于人类的手。近期的研究已开发出一个触觉感测阵列,可模仿人类手指的机械特性以及接触感受器 [6][7]。此感应阵列由装载导电液的合成橡胶皮,环绕在一个硬件核心周围来构成。多个电极装置在硬核的表面并连接至硬件核内部的阻抗量测装置。当人工外皮接触一个物件,电极周遭的电解液路径被变形,因而产生相应于来自此物件外力的阻抗变化。研究学者们期望这样的人工手指的重要功能,将可以调整机器人拿起物件时的握力程度。

视觉

计算机视觉是让机器可以看见的科技。作为一门学科,计算机视觉关注人造系统背后的从图像中提取信息的理论。图像数据可以采取许多形式,如来自摄像机的影像画面序列和图片。

在最实用的计算机视觉应用中,计算机是基于被预先编程的方法来解决特定的任务,但是,基于学习的方法在现在变得越来越普遍。

其他

其他常见的机器人感应形式使用激光雷达(LIDAR),雷达声纳[来源请求]

处理

库卡(KUKA)工业机器人在一个铸工厂(英语:Foundry)运作
库卡(KUKA)工业机器人在一个铸工厂英语Foundry运作

机器人需要操作物件:拾起、修改、销毁、或是产生其他的效应。当机器人的操作处理器被视为"臂"时[8]机器末端作用器英语Robot end effector则被视为机器人的"手"[9]。大部分机器人手臂拥有可置换的作用器,每一个作用器可以执行一些范围的工作。一些机器人有固定不可置换的操作处理器,同时也有少数有非常通用性质的操作器,例如人形手臂。

就业

机器人学是在许多现代制造环境的重要组成部分。随着工厂增加其机器人的使用,机器人技术相关的工作数量增长并且已经观察到稳步上升。[10]

参见

参考文献

  1. ^ robotics. Oxford Dictionaries. [4 February 2011]. 
  2. ^ Nocks, Lisa. The robot : the life story of a technology. Westport, CT: Greenwood Publishing Group. 2007. 
  3. ^ 3.0 3.1 Zunt, Dominik. Who did actually invent the word "robot" and what does it mean?. The Karel Čapek website. [2007-09-11]. (原始内容存档于2012-02-04). 
  4. ^ Robotics: About the Exhibition. The Tech Museum of Innovation. [2008-09-15]. (原始内容存档于2008-09-13). 
  5. ^ Dowling, Kevin. Power Sources for Small Robots (PDF). Carnegie Mellon University. [11 May 2012]. 
  6. ^ Syntouch LLC: BioTac (R)Biomimetic Tactile Sensor Array. [2009-08-10]. (原始内容存档于2009-10-03). 
  7. ^ Wettels, N; Santos, VJ; Johansson, RS; Loeb, Gerald E.; 等. Biomimetic tactile sensor array. Advanced Robotics. 2008, 22 (8): 829–849. doi:10.1163/156855308X314533. 
  8. ^ Crane, Carl D.; Joseph Duffy. Kinematic Analysis of Robot Manipulators. Cambridge University Press. 1998-03 [2007-10-16]. ISBN 0-521-57063-8. 
  9. ^ What is a robotic end-effector?. ATI Industrial Automation. 2007 [2007-10-16]. 
  10. ^ Toy, Tommy. Outlook for robotics and Automation for 2011 and beyond are excellent says expert. PBT Consulting. June 29, 2011 [2012-01-27]. 

外部链接

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