寫給熱愛機器人的你
——中考機器人科技特長生理論基礎簡述

文 南京市玄武高級中學 戴 衎

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

我將自己在備考過程中收集的資料進行補充和整理，為報考機器人科技特長生的學生以及對機器人感興趣的人們提供參考。

一、基本概念

機器人是一種自動化的機器，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器。參考其他國家的定義，也可以給出如下定義：機器人是一種計算機控制的可以編程的自動機械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學習功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能通過編寫其操作程序來完成任務。

機器人具有兩個共同點：即通用性和適應性（柔性）。通用性指機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，適應性是指可以再編程，程序流程可變。

1.能力評價標準

（1）智能：指感覺和感知能力，包括記憶、運算、比較、鑒別、判斷、決策、學習和邏輯推理等。

（2）機能：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

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

3.機器人三原則

1940年科幻作家阿西莫夫提出了“機器人三原則”：即機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；機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護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機器人、娛樂機器人、農業(yè)機器人、醫(yī)用機器人、翻譯機器人、水下機器人以及軍用機器人和排爆機器人等。

二、基本組成

1.微型電腦控制器

微型電腦控制器是機器人的“大腦”，控制機器人的所有行為，它有復雜的硬件結構和獨立的操作系統(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)境信息進行分析和處理，與編好的程序對照，執(zhí)行與環(huán)境信息相符的子程序，控制動作模塊做出相應的動作。

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

2.傳感器

它是一類電子元器件，可將外部環(huán)境信息轉換成電信號，是機器人獲取外部信息的機構。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）是機器人最常用的顯示器件，機器人結構上有多個LED用來顯示各種工作狀態(tài)。

（2）蜂鳴器

機器人一般通過經(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（動力模塊）

驅動機器人機械結構動作的裝置叫驅動裝置，大多由直流電機擔當，有時也使用步進電機。直流電機包括定子、轉子和換向裝置三部分，將電池與直流電機連接就可以實現(xiàn)電機的轉動。

4.伺服馬達控制套件

直流電機、驅動電路和馬達齒輪減速裝置組成簡易機器人的動力模塊。因為直流電機啟動后的轉速較高，需要通過馬達齒輪減速裝置對直流電機減速，使整個動力模塊的轉速達到使用要求。伺服馬達控制套件不僅能實時控制多達24個微型伺服電機，還能精確控制伺服馬達的運動范圍，并糾正運動偏差。

三、本體基本結構

1.連桿

機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分。

2.關節(jié)

允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構。

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

3.剛度

指機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）之比進行度量。

4.自由度

指描述物體運動時所需要的獨立坐標數(shù)，用于表示機器人動作靈活的尺度，一般用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(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，結構越復雜，對機器人的整體要求越高。

5.精度（重復性）

是衡量機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)重復若干次其位置的分散情況。

6.定位精度

指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的位置之間的差距。

7.分辨率

指機器人每根軸能實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度。

8.工作空間

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

9.負載量

機器人在規(guī)定的性能范圍內，機械接口處能承受的最大負載量，一般用質量、力矩、慣性矩等物理量表示。負載量主要考慮機器人各運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)機器人最大負載量可達9 000牛頓。

10.坐標形式

包括直角坐標系、球坐標系、圓柱坐標系以及關節(jié)坐標系等。

11.扭矩

使物體發(fā)生轉動的一種特殊的力矩，等于力和力臂的乘積，它反映了機器人在一定范圍內的負載能力。當功率一定時，扭矩與發(fā)動機轉速成反比關系。內部的扭矩也叫內力偶矩，外部的扭矩叫轉矩或外力偶矩。

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之間的距離決定的。通過調整齒輪比可以改變輸出轉速和扭矩。

四、常用編程語言

C/C++是非常成熟的機器人編程語言，被很多硬件庫使用，適合于初學者。Python特別適合機器人領域。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)生高級圖像或實施控制系統(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域，它還是相當重要的。此外，一般每個機器人制造商都會開發(fā)他們自己的機器人編程語言。