機械人學
機械人學（英語：robotics）是一項涵蓋了機械人的設計、建造、運作、以及應用的跨領域科技[1]，集合機械工程學、電機工程學、機械電子學、電子學、控制工程學、計算機工程學、軟件工程學、資訊工程學、數學及生物工程學等領域。這些科技催生出能夠取代人力的自動化機器，在危險境或製造工廠運作，或塑造成外表、行為、心智的仿人機械人。現今許多機械人都是受到自然界的啟發，致力於仿生機械人學領域的發展。
創造可自動運轉的機器的概念可追溯至古典時代，但是直到20世紀以前，機械人的功能和潛在應用開發及研究沒有持續地成長[2]。縱觀歷史，機械人常見於模仿人類行為，且常以類似的方法管理事務。時至今日，機械人學成為一個快速成長的領域，同時先進技術持續地研發、設計、以及建造用來達成各種實用目的新款機械人，例如家庭用機械人、工業機械人或軍用機械人。許多機械人從事對人類來講非常危險的工作，如拆除炸彈、地雷、探索沉船等。機械人學還被用於STEM教育作為教學輔助。
語源
編輯機械人學（robotics）源自於機械人一詞，而「機械人」一詞最早被一位捷克的作家卡雷爾·恰佩克在他的舞台劇作品《羅梭的萬能工人》中提出並發表於1920年[3]。該劇開始於一個用有機合成物製造人造人的工廠，那些人造人被稱「機械人」（robots）。卡雷爾稱是其兄弟約瑟夫·恰佩克發明了該詞[3]。
根據牛津英語詞典，機械人學（robotics）一詞第一次被使用在艾薩克·阿西莫夫的短篇科幻小說《說假話的機械人》，初次出版在1941年五月的《模擬科幻小說與事實》雜誌上。
歷史
編輯西元1927年，一個由德國演員布里居·海默（Brigitte Helm）演示、女性人形的機械式人類（德語：Maschinenmensch），第一次在弗里茨·朗執導的德國科幻電影《大都會》中出現。1942年，科幻作家艾薩克·阿西莫夫提出機械人學三大法則。1948年，諾伯特·維納提出了模控學原理，成為日後機械人學的基礎。
直至20世紀中才出現全自動的機械人，於1961年建立第一個可數位操控及可程式化的機械人Unimate，功能為從壓鑄機中舉起高熱的金屬片並推疊起來。今日商業及工業機械人已被廣泛地應用在可以比人工更廉價、或更精確可靠的工作上。機械人也被僱用於骯髒、危險或令人感到乏味的工作。關於機械人的廣泛應用還有：製造、組裝、封裝及包裝、運輸、地球及太空探索、外科手術、武器、實驗研究、保全，以及消費性和工業產品的大量生產。[4]
部件
編輯動力源
編輯電源目前主要是（鉛酸）電池。機械人還可以使用許多不同類型的電池作為電源，從安全和保質期相對較長、但比較重的鉛酸電池，到體積小得多、卻也昂貴得多的銀鎘電池。設計一個電池供電的機械人需要考慮到安全性，循環壽命和重量等因素。也可以使用某些類型的內燃機做為發電機，然而，這樣通常不僅是複雜的機械設計，需要燃料、需要散熱，而且也會比較重。如果將電源從機械人身上卸除，把所有發電和儲電組件移到其他地方，使機械人透過繫繩連接（tether connection）到電源，這樣會有利於節約重量和空間。然而，這樣的設計需要一直把電纜連接到機械人，有時候可能不容易處理。[5]潛在的動力源可以是：
- 氣動（壓縮氣體）
- 太陽能（將太陽能量轉化成電能）
- 液壓（液體）
- 飛輪能量儲存
- 有機垃圾（通過厭氧消化）
- 糞便（人類，動物），可能在軍事方面的能源需求有興趣，小戰鬥小組的糞便可以再利用提供動力給機械人助理（見DEKA項目的Slingshot Stirling engine發動機系統如何運作的）
驅動
編輯
驅動器就像一個機械人的肌肉，可將儲存的能量轉化成移動。到目前為止，最常被使用的驅動器為轉動輪子或齒輪的電動馬達，以及在工廠中控制工業機械人的線性驅動器。然而，近期有一些不同型態的先進驅動器，其動力來源可為電力、化學反應、或壓縮空氣。
馬達
編輯絕大多數的機械人都使用馬達，可移動的機械人通常使用有刷或無刷直流馬達，而工業機械人及CNC機床則常用交流馬達。這些馬達常用於輕量負載的系統中，而主要的動作形式都是轉動。
感應
編輯感應器使得機械人能夠接收關於一些環境或內部元件的量測資訊。感測能力是機械人執行任務以及基於任何環境變化來動作以計算適當的反應的基本條件。感測器提供各種不同形式的量測，如給機械人安全警報或故障訊號，以及提供工作執行狀況的即時資訊。
觸覺
編輯目前的機器手及義肢能接收的體感或觸覺資訊遠少於人類的手。近期的研究已開發出一個觸覺感測陣列，可模仿人類手指的機械特性以及接觸感受器 [6][7]。此感應陣列由裝載導電液的合成橡膠皮，環繞在一個硬件核心周圍來構成。多個電極裝置在硬核的表面並連接至硬件核內部的阻抗量測裝置。當人工外皮接觸一個物件，電極周遭的電解液路徑被變形，因而產生相應於來自此物件外力的阻抗變化。研究學者們期望這樣的人工手指的重要功能，將可以調整機械人拿起物件時的握力程度。
視覺
編輯計算機視覺是讓機器可以看見的科技。作為一門學科，計算機視覺關注人造系統背後的從圖像中提取信息的理論。圖像數據可以採取許多形式，如來自攝像機的影像畫面序列和圖片。
在最實用的計算機視覺應用中，計算機是基於被預先編程的方法來解決特定的任務，但是，基於學習的方法在現在變得越來越普遍。
其他
編輯其他常見的機械人感應形式使用光學雷達、雷達和聲納。[來源請求]
處理
編輯
機械人需要操作物件：拾起、修改、銷毀、或是產生其他的效應。當機械人的操作處理器被視為臂時[8]，機器末端作用器則被視為機械人的手[9]。大部分機械人手臂擁有可置換的作用器，每一個作用器可以執行一些範圍的工作。一些機械人有固定不可置換的操作處理器，同時也有少數有非常通用性質的操作器，例如人形手臂。
就業
編輯機械人學是在許多現代製造環境的重要組成部分。隨着工廠增加其機械人的使用，機械人技術相關的工作數量增長並且已經觀察到穩步上升。[10]
參見
編輯
參考文獻
編輯- ^ robotics. Oxford Dictionaries. [4 February 2011]. （原始內容存檔於2011-05-18）.
- ^ Nocks, Lisa. The robot : the life story of a technology. Westport, CT: Greenwood Publishing Group. 2007 [2012-01-27].
- ^ 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]. （原始內容存檔於2012-02-04）.
- ^ Robotics: About the Exhibition. The Tech Museum of Innovation. [2008-09-15]. （原始內容存檔於2008-09-13）.
- ^ Dowling, Kevin. Power Sources for Small Robots (PDF). Carnegie Mellon University. [11 May 2012]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-25）.
- ^ Syntouch LLC: BioTac (R)Biomimetic Tactile Sensor Array. [2009-08-10]. （原始內容存檔於2009-10-03）.
- ^ Wettels, N; Santos, VJ; Johansson, RS; Loeb, Gerald E.; et al. Biomimetic tactile sensor array. Advanced Robotics. 2008, 22 (8): 829–849. doi:10.1163/156855308X314533.
- ^ Crane, Carl D.; Joseph Duffy. Kinematic Analysis of Robot Manipulators. Cambridge University Press. 1998-03 [2007-10-16]. ISBN 0-521-57063-8. （原始內容存檔於2020-04-02）.
- ^ What is a robotic end-effector?. ATI Industrial Automation. 2007 [2007-10-16]. （原始內容存檔於2020-12-17）.
- ^ Toy, Tommy. Outlook for robotics and Automation for 2011 and beyond are excellent says expert. PBT Consulting. June 29, 2011 [2012-01-27]. （原始內容存檔於2012-01-27）.
外部連結
編輯
- 開放目錄專案中的「機械人學」
- Robotics Portal
- Harvard Graduate School of Design, Design Robotics Group
- Robotics Academy of Iran
- The Robotics Institute at Carnegie Mellon University （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Design and Manufacture of Robotics Control Systems （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Biologically Inspired Robotics Lab, Case Western Reserve University