写给热爱机器人的你

戴衎

很多学生在课外参加过各种类型的机器人竞赛，但大多没有经过系统的理论学习。而中考科技特长生的理论加试中有“考察相关专业知识”的要求，在备考过程中很难找到有针对性的复习资料。

我将自己在备考过程中收集的资料进行补充和整理，为报考机器人科技特长生的学生以及对机器人感兴趣的人们提供参考。

一、基本概念

机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或其他生物相似的能力，如感知、动作、规划和协同等能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。参考其他国家的定义，也可以给出如下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能通过编写其操作程序来完成任务。

机器人具有两个共同点：即通用性和适应性（柔性）。通用性指机器人可以在无人参与的情况下自动完成多种操作或动作功能，适应性是指可以再编程，程序流程可变。

1.能力评价标准

（1）智能：指感觉和感知能力，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等。

（2）机能：指变通性、通用性或空间占有性等。

（3）物理能：指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。

2.产生的背景

机器人的产生归功于电子计算机和制造等相关技术的发展，是科技发展的综合性结果，也是社会发展本身的需求；是生产力发展的必然结果，更是人类自身发展的必然结果。其目的是把人类从有毒、有害、高温或危险的环境中解放出来，提高生产效率。

3.机器人三原则

1940年科幻作家阿西莫夫提出了“机器人三原则”：即机器人必须不能伤害人类，也不能看见人类受伤害而袖手旁观；机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或人类命令它做出牺牲。

4.分类

按功能可以划分为服务机器人、娱乐机器人、农业机器人、医用机器人、翻译机器人、水下机器人以及军用机器人和排爆机器人等。

二、基本组成

1.微型电脑控制器

微型电脑控制器是机器人的“大脑”，控制机器人的所有行为，它有复杂的硬件结构和独立的操作系统，通过触动、光电、角度、温度、红外接收器等外部传感器，采集高精度的声音、角度、压力、温度、电压等环境信号，并对采集的环境信息进行分析和处理，与编好的程序对照，执行与环境信息相符的子程序，控制动作模块做出相应的动作。

微型电脑控制器的程序可用简单的图形化编程语言在计算机上编写，然后用红外发射仪将编写好的机器人系统程序指令下载到微型电脑控制器的内存。

2.传感器

它是一类电子元器件，可将外部环境信息转换成电信号，是机器人获取外部信息的机构。包括视觉传感器、触觉传感器、测距传感器、温度传感器、力传感器、灰度传感器、角度传感器、加速度传感器等等。

3.常用输出元件

（1）发光二极管

发光二极管（LED）是机器人最常用的显示器件，机器人结构上有多个LED用来显示各种工作状态。

（2）蜂鸣器

机器人一般通过经简单编程的蜂鸣器发出不同声音来判断工作是否正常。

（3）电机（动力模块）

驱动机器人机械结构动作的装置叫驱动装置，大多由直流电机担当，有时也使用步进电机。直流电机包括定子、转子和换向装置三部分，将电池与直流电机连接就可以实现电机的转动。

4.伺服马达控制套件

直流电机、驱动电路和马达齒轮减速装置组成简易机器人的动力模块。因为直流电机启动后的转速较高，需要通过马达齿轮减速装置对直流电机减速，使整个动力模块的转速达到使用要求。伺服马达控制套件不仅能实时控制多达24个微型伺服电机，还能精确控制伺服马达的运动范围，并纠正运动偏差。

三、本体基本结构

1.连杆

机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。

2.关节

允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。

组成机器人的连杆和关节分两类，一类是组成手臂的长连杆，也称臂杆，它产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，即一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构。

3.刚度

指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力及其在外力作用方向上的位移（变形量）之比进行度量。

4.自由度

指描述物体运动时所需要的独立坐标数，用于表示机器人动作灵活的尺度，一般用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，但不包括手部的动作。一般情况下，自由度越多，通用性就越好，结构越复杂，对机器人的整体要求越高。

5.精度（重复性）

是衡量机器人一列误差值的密集程度，它表示在相同位置指令下，能够连续重复若干次其位置的分散情况。

6.定位精度

指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的位置之间的差距。

7.分辨率

指机器人每根轴能实现的最小移动距离或最小转动角度。

8.工作空间

指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，但不包括手部本身所能达到的区域。

9.负载量

机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量，一般用质量、力矩、惯性矩等物理量表示。负载量主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般情况下工业机器人最大负载量可达9 000牛顿。

10.坐标形式

包括直角坐标系、球坐标系、圆柱坐标系以及关节坐标系等。

11.扭矩

使物体发生转动的一种特殊的力矩，等于力和力臂的乘积，它反映了机器人在一定范围内的负载能力。当功率一定时，扭矩与发动机转速成反比关系。内部的扭矩也叫内力偶矩，外部的扭矩叫转矩或外力偶矩。

12.齿轮比

即齿轮的齿数比。齿轮比是由齿轮中心与接触点之间的距离决定的。通过调整齿轮比可以改变输出转速和扭矩。

四、常用编程语言

C/C++是非常成熟的机器人编程语言，被很多硬件库使用，适合于初学者。Python特别适合机器人领域。Java比C语言容易，对程序员隐藏了底层存储功能。C#/.NET是微软机器人开发员工作包。MATLAB能分析数据，产生高级图像或实施控制系统。Assembly是最底层的编程语言。HDLs（硬件描述语言）一般用来描述电气的编程方式。BASIC/Pascal是最早的两种编程语言。LISP是第二古老的编程语言，但在人工智能编程领域，它还是相当重要的。此外，一般每个机器人制造商都会开发他们自己的机器人编程语言。