最全33大系列1000+節【理科生必刷】Crash Course 10分鐘速成課 33大系列之工程學外教講解課 快速對工程相關學科有個深度瞭解 P34 - 工程學-33-工程機器人的工作原理

不久的將來 你或許會在夜晚穿行於鎮上 突然間遇到一個機器人 如果真的發生了 也許你就不該太驚訝 不久以前 機器人大多只出現在科幻小說的領域中 如今 他們正在吸塵、製造汽車 甚至在火星表面遊蕩 機器人仍然遠遠沒有達到人類水平的智能 更不用說靈巧度了 但它們已經成為許多工程領域的重要組成部分 自2010年起 美國已有超過10萬台機器人被安置在工廠廠房中 了解機器人究竟是什麼、它們能做什麼以及它們是如何運作的 比你想象的更加 重要因為很快 它們可能會與我們共同生活 經典的機器人形象是具有類似人類智慧 甚至可能有類人外觀的東西 但就像其他許多事物一樣 現實中的機器人與你通常在電視上看到的差異很大 機器人有各種形狀和大小 它們的設計也會根據用途而有很大差異 例如 一些用於採礦的機器人是將攝影機安裝在有輪子的小車身上製成的 這讓他們能夠進入並檢查礦井 甚至從一些難以進出的地方回收剩餘的物質 同時 在醫學領域 結合少量人類協助的專業機械臂可以透過最小的切口執行精確的手術 機器人技術與人工智慧 也就是AI 之間也存在差異 這一點人們有時會混淆 雖然一些概念相似 機器人學處理的是一套特定的觀念 儘管它從人工智慧借用了幾個概念 AI 廣泛涉及自動化複雜任務決策的目標 這類任務無法用簡單的規則來描述 這可能從下棋到駕駛汽車都包括在內 目前 人工智能系統往往有非常狹窄的目標 但人工智能的聖杯是開發一種能夠利用不同資訊來源對任何類型的任務做出智能決策的系統 我們的重點將放在機器人上 這些機器人是為現實世界中更特定的用途而設計的 在工程術語中 機器人是一種設計用來與周圍環境互動、根據周圍環境做出適當決策 並自動執行與其目標相關的工作的機械 這意味著真正的機器人不需要人類精確地控制它所做的每一件事 一般來說 機器人學領域也涉及執行所有相同任務的機器 但可能需要人類操作員來執行某些任務 無論是全自動還是半自動 幾乎所有機器人都有一些共同特徵 首先 機器人是由佔據物理空間的材料製成的機械 因此它們不只是電腦程式中的線條 那是區別它們與人工智慧的關鍵特徵之一 儘管電腦工程對機器人同樣重要 其次 大多數機器人都有某種方式來感知周圍環境的特徵 通常是通過測量光線、聲音或力量反饋 他們可以根據其設計用途 利用這些資訊來決定下一步該做什麼 機器人被設計執行的任務通常都很複雜 需要一連串不同的動作 因此 一種根據你是否站在感應器前自動開啟或關閉的門 不會被視為機器人 機器人所處理的任務更加複雜 例如將兩塊形狀複雜的金屬焊接在一起 第三 為了解讀他們從環境中接收到的信號並協調某種回應 機器人必須以某種方式將電腦整合進其設計中 這些設備與任何電腦一樣 接受輸入並產生輸出 因此 與大多數普通軟體不同 機器人電腦上的軟體會產生直接傳送到機器人硬體的電氣信號 取代只是更改檔案或螢幕上的資訊 這也需要電源 一個選擇是透過電線和插座實際接上電力系統 例如 由機器人公司波士頓動力開發的2013年版 ATLAS機器人 具有類似人類的外型 能夠行走並攜帶物體 ATLAS 運作時依賴一條連接到電源的電纜 但這種將機器人綁定的方式會限制其移動範圍 並影響機器人的移動能力 因此 為了讓ATLAS能更自由地移動 工程師在機器人的結構上安裝了一塊電池 使其能夠自我供電 不幸的是 電池的材料通常比較沉重 這也帶來了自身的挑戰 如果我們不希望這些機器人總是傾倒 就需要一些機械工程的知識 要計算電池相對於機器人重心的放置位置 在電池的設計中 可能也需要一些化學工程的知識 在ATLAS的情況下 工程師在其軀幹中安裝了一個液壓泵 以幫助其支撐鋰離子電池的額外重量 而且現在 僅僅幾年後 它已經能做空翻和跑酷了 更一般而言 一些電氣工程也必須用於將電腦程式訊號接線到機器人的物理部件 這引導我們來談論機器人另一個常見特徵 它們有類似握把或輪子之類的機械部件 用來執行它們在環境中所需的各種物理任務 那可能是轉動一個桿桿、拿起一個物體 或者只是移動到別的地 方設計這些部分有一些獨特的挑戰 考慮一個被設計用來從樹上採摘水果的機器人 從工程角度來看 它需要一些基本的特質—— 能夠辨識水果並區分它們與植物其他部分的差異 它需要在環境中導航以接近需要採摘的果實 然後採摘並放入容器中 讓我們從它的移動方式開始 這對許多機器人來說是一個相當基本的需求 與挖掘機器人一樣 你只需在機器人的底部安裝一些標準的車軸和輪子 並把它們連接到馬達上 就像在汽車上那樣 那如果機器人主要在平坦均勻的表面 如道路或工廠地板上作業 那會是沒問題的 但大部分水果都是在戶外種植的 有時是在崎嶇的地形和困難的環境中 因此你可能需要設計可以獨立調整高度的輪子 或者添加履帶以克服小顛簸 就像坦克那樣 輪子的問題在於它們不太擅長跨越大型障礙物 如果前方有倒下的樹枝或巨石阻擋路徑 機器人需要能夠爬過去 給機器人裝上腿部雖然能讓它跳躍 但這也會帶來其他問題 有腿的機器人很容易摔倒 正如波士頓動力團隊在設計ATLAS時發現的 讓機器人的電腦在 處理所有機械部件的動態之餘 還能解讀周圍環境 比看起來更困難 它真的讓你體會到大腦正在做多麼出色的工 作當然 要真正理解其環境並找到水果 機器人將需要感測器—— 測量物理特性並轉換為信號的裝置 例如 為了尋找蘋果 機器人可能配備一組光敏感半導體 像數位相機中用來捕捉光線的像素一樣 掃描一片果園 但相機感測器傳送的資訊被電腦解讀為一組彩色像素 單獨來看並沒有太多意義 一般人只要看一眼紅色像素組成的曲線形狀 就能立刻認出那是蘋果 對電腦來說 這需要相當複雜的視覺演算法 此外 人們擅長觀察物體的邊緣 並解讀 它們與周圍環境的關係以及它們距離多遠 你明白嗎 看起來非常小的蘋果 很可能就是因為它離得很遠的關係 但即使是一台相對聰明的電腦能夠辨識蘋果 也可能無法 判斷那是一個僅幾厘米遠的小蘋果 還是數公里遠的大蘋果 這將影響電腦的程式是否指示它選擇蘋果 所有這些問題都被稱為電腦視覺問題 電腦視覺探討如何訓練軟體以處理來自影像或影片的輸入資 料例如數位相機所傳輸的資料 並以人類的方式解讀 即使它找到了一個蘋果並移動到靠近它的位置 果實採集者仍需要機械部件來實際採摘果實 工業機器人主要使用的機械部件稱為致動器和執行器 致動器就像機器人的肌肉 它們將儲存的能量轉換為運動 一種常見的類型是電動致動器 它們是電動機 能轉動輪子或齒輪 以相對於彼此旋轉機器人的連接部件 這些是會讓機器人的手臂向特定枝條靠近或遠離的機構 線性致動器可以透過馬達來伸縮零件 使其沿螺桿上下移動 就像螺栓上的螺母一樣 它們也可以使用壓縮流體如空氣或油來將部件向外延伸 然後使用馬達壓縮流體並在需要時將部件收回 執行元件是實際對機器人環境產生影響的部分——基本上就是機器人的手 為了應對不同水果的不規則形狀 你可以使用一種稱為真空夾具的裝置 它能夠吸起大型物件並使其固定 但大多數關於建造機器人的關注都集中在機械執行器上 這類執行器依賴觸覺反饋和操作 換句話說 他們賦予機器人一種人為的觸覺 或許是在執行器的表面裝設壓力感測電極 具備反饋感對於施加適當的壓力非常重要 否則 蘋果可能會從機器人的握力中滑出 或被壓成泥 為了達到這個目的 執行器可能是一個簡單的兩部分夾鉗 或者是結構更複雜的裝置 其部件設計靈感來自人類的手 採摘水果是機器人可以大規模完成的工作 比人類更容易 讓人類可以專注於農業的其他方面 但機器人技術不僅僅是為了節省人力 機器人也可以用於人類無法進入的極其危險的環境中 爆彈處理機器人實際上更像無人機 由人類操作以遠距離尋找爆炸裝置並解除其威力 未來 完全自動化的機器人可能會在其他嚴酷的環境中找到應用 例如深海和太空 但這類機器人最可能產生重大影響的領域 可能不是它們取代人類的工作 而是與人類共同完成的工作 機器人的特性已經開始進入醫療領域 例如在義肢的開發中 但在手術或災難救援等情況下 人類的智慧與專門設計的機器人力量相結合 可以創造出更安全、更高效且完全嶄新的做事方式 因此 與許多工程工具一樣 機器人若能融入我們現有的方法 與我們協同工作以達成目標 將會發揮最佳效果 機器人可能是未來的趨勢 但與終結者相差甚遠 在這集裡 我們探討了機器人以及機器人的工程原理 我們了解到機器人如何利用感測器來解讀周圍環境 以及執行器和效應器如何讓機器人操作周圍的物體以完成任務 以及電腦如何協調兩者的努力 工程速成課是由PBS數位工作室共同製作的 該工作室也製作有《聰明一點也沒關係》 一個關於我們奇妙宇宙以及讓其成為可能的科學的節目 由喬·漢森博士主持 請查看描述中的連結 《 Crash Course》是由Complexly公司製作的 本集是在辛尼博士工作室拍攝的 並得到了這些優秀人士的幫助 以及我們令人驚豔的圖形團隊是Thought Cafe