机械平台 －硬件基础

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[size=1.166em]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，AI）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

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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

[size=1.166em]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。

[size=1.166em]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. 电源规格NEDAIEC描述

AAA

24A

LR03

普通规格中最小的

AA

15A

LR6

最普遍使用的小电池，一般用 2 节或 4 节

C

14A

LR14

手电筒小电池，可用于大玩具

D

13A

LR20

最大的普通电池

9v

1604A

6L-R61

方形，上有可用夹子夹住的的连接器

[size=1.166em]机器人平台靠两组独立的电池运行，它们共享一根地线。这样，电动机可以用一组电池，而电子设备可以用另一组电池。电子设备和电动机还可以在不同的电压下工作。

电子控制

[size=1.166em]机器人中有两个主要的硬件平台。非调节电压、电力和反电动势峰的机械平台以及干净电源和 5 伏信号的电子平台。这两个平台需要顺序桥接，目的是让数字逻辑控制机械系统。经典的组件是桥式继电器。一个控制信号在继电器的线圈产生磁场，物理地闭合开关。例如 MOSFET，它是高效率的硅开关，有很多种规格，象晶体管一样可以作为固态继电器控制机械系统。

[size=1.166em]另一方面，更大的机器人可能需要 PMDC 电动机，这样 MOSFET 的“接通”电阻 Rd（on）会导致芯片热量的极大散发，从而显著地降低芯片的发热温度。MOSFET 中结点的温度、MOSFET 封装和散热片的传导系数是 PMDC 电动机的其它重要的特征。

[size=1.166em]晶体管广义地分为两种：双极结晶体管（bipolar junction transistors，BJT）和场效应晶体管（field-effect transistors，FET）。在 BJT 器件中，基极小的电流调节发射极和接收极之间大得多的电流。在 FET 器件中，栅极电场的存在会调节源极和漏极之间的电流。

传感器

[size=1.166em]机器人根据瞬间测量作出反应，这需要不同种类的传感器。

[size=1.166em]多数系统中对时间的感知是通过电路和编程中内建的。要想在实际中让这个具有生产性，机器人必须有感知硬件和软件，还要能快速地更新。不管传感器硬件或软件如何，感知和传感器可以被当作与外部事件交互（换句话说就是外部世界）。传感器测量世界的某个属性。变换器（transducer）一词经常与传感器一词交替使用。交换器是传感器的机制或元素，它将测量到的能源转换成另一种形式的能源。传感器接收能源并传送一个信号到显示器或计算机。传感器使用变换器将输入的信号（声音、光线、压力、温度等）改变成机器人可以使用的模拟或数字形式。

[size=1.166em]逻辑传感器： 传感器的一个强大的抽象是逻辑传感器，它是提供一个对象的传感单元或模块。它包括物理传感器的信号处理和提取感知所需的软件处理。

[size=1.166em]本体感受传感器： 本体感受是航位推测法，机器人可以测量来自本身的信号。

[size=1.166em]接近传感器： 接近传感器测量环境中传感器和对象之间相对的距离。

[size=1.166em]红外线（IR）传感器： 另一种活动的接近传感器是红外线传感器。它发出接近红外线的能量并测量有没有相当多的红外线返回。

[size=1.166em]碰撞和触角传感器： 另一类常见的机器人感知是触觉的，或基于触摸的，用碰撞和触角来完成。触角和触须由牢固的电线构成。碰撞传感器通常是机器人上一个突出的环，包括两层。