什么是机器人(你知道机器人是如何工作的吗)

很多人一听到“机器人”这个词，脑海中就会浮现出“外观酷炫”、“功能强大”、“高端”这些词，他们认为机器人就像科幻电影中的终结者一样酷。事实上，在这篇文章中，我们将讨论机器人的基本概念，并学习机器人如何完成任务。

一、机器人的部件

从最基本的层面来看，人体由五个主要组成部分组成:

车身结构

肌肉，用来移动身体结构。

感觉系统，用于接收关于身体和周围环境的信息。

能源，用于为肌肉和感官提供能量。

大脑用于处理感觉信息和指导肌肉运动。

当然，人类还是有一些无形的特征，比如智力和道德，但是在纯粹的身体层面上，这个清单还是挺完整的。

机器人的部件与人类的部件非常相似。一个典型的机器人有一个可移动的身体结构，一个类似于马达的装置，一个传感系统，一个电源和一个控制所有这些元件的计算机“大脑”。本质上，机器人是人类制造的“动物”。它们是模仿人类和动物行为的机器。

袋鼠机器人

机器人的定义非常广泛，从服务工厂的工业机器人到家庭清洁机器人。按照目前最宽泛的定义，如果一个东西被很多人认为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家(制造机器人的人)使用更精确的定义。他们规定机器人应该有一个可重新编程的大脑(计算机)来移动身体。

根据这个定义，机器人与其他移动机器(如汽车)的计算机元素不同。很多新车都有车载电脑，但只是用来做一些小的调整。驾驶员通过各种机械信息资源直接控制车辆的大部分部件。机器人在物理特征上不同于普通的计算机。它们每一个都连接到一个物体上，但是普通的计算机不是。

大多数机器人确实有一些共同的特征。

首先，几乎所有的机器人都有一个可移动的身体。一些只有电动轮，而另一些有大量的可移动部件，通常由金属或塑料制成。与人体骨骼相似，这些独立的部分通过关节连接在一起。

机器人的轮子和轴通过某种传动装置连接起来。一些机器人使用马达和螺线管作为传动装置；其他使用液压系统；其他使用气动系统(由压缩气体驱动的系统)。机器人可以使用上述任何传输装置。

其次，机器人需要一个能源来驱动这些执行器。大多数机器人将使用电池或墙上插座供电。此外，液压机器人需要一个泵来给液体加压，而气动机器人需要一个气体压缩机或压缩气体罐。

所有的传输设备都通过电线连接到电路上。该回路直接向电动机和电磁阀供电，并操作电子阀启动液压系统。该阀可以控制机器中加压流体的流动路径。例如，如果机器人移动由液压驱动的腿，其控制器将打开一个阀门，该阀门通过液压泵通向腿上的活塞缸。加压流体将推动活塞，导致腿向前旋转。一般来说，机器人使用可以提供双向推力的活塞，这样部件就可以双向移动。

机器人的计算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机器人移动，计算机将打开所有必要的电机和阀门。大多数机器人都是可重新编程的。如果你想改变机器人的行为，你只需要在它的计算机上写一个新程序。

不是所有的机器人都有感应系统。很少有机器人有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人最常见的感觉就是运动感，也就是它监控自身运动的能力。在标准设计中，带有凹槽的轮子安装在机器人的关节处。车轮的一侧有一个发光二极管，它发出光束，光束通过凹槽照射到车轮另一侧的光传感器上。当机器人移动一个特定的关节时，带有凹槽的轮子就会转动。在这个过程中，凹槽会阻挡光束。光学传感器读取光束的闪烁模式，并将数据传输到计算机。根据这个模型，计算机可以准确地计算出关节旋转的距离。计算机中使用的基本系统是相同的。

这些是机器人的基本组成部分。机器人专家有无数种方法可以将这些元素结合起来，创造出无限复杂的机器人。机械臂是最常见的设计之一。

第二，机器人是如何工作的

在英语中，“Robot”一词来源于捷克语robota，通常翻译为“强迫劳动者”。描述大多数机器人是非常恰当的。世界上的机器人大多用于繁重的重复制造工作。他们负责对人类来说非常困难、危险或无聊的任务。

最常见的制造机器人是机械臂。一个典型的机器人手臂由七个金属部件组成，它们通过六个关节连接在一起。计算机将旋转分别连接到每个关节的步进电机来控制机器人(一些大型机器人手臂使用液压或气动系统)。与普通电机不同，步进电机以增量精确运动。这使得计算机能够精确地移动机器人手臂，从而机器人手臂保持重复完全相同的动作。机器人运动传感器用于确保其以正确的量完全移动。

这种六关节的工业机器人和人的手臂非常相似。它有相当于肩膀、肘部和手腕的部分。它的“肩部”通常安装在固定的基座结构上(而不是移动的主体上)。这种类型的机器人有六个自由度，也就是说，它可以在六个不同的方向上旋转。相比之下，人的手臂有七个自由度。

六轴工业机器人的关节

人类手臂的功能是将手移动到不同的位置。类似地，机械臂用于移动末端执行器。您可以在机械臂上安装适合特定应用场景的各种末端执行器。有一个通用的末端执行器，可以抓取和移动不同的对象。这是人手的简化版本。手通常有一个内置的压力传感器，用来告诉计算机机器人抓特定物体的力度。这样可以防止机械手中的物体掉落或被压碎。其他末端执行器包括喷灯、钻头和喷漆器。

工业机器人被设计成在受控环境中重复执行完全相同的工作。例如，机器人可能负责拧紧装配线上运输的花生酱罐的盖子。为了教会机器人如何完成这项工作，程序员会一手握住控制器，引导机械臂完成整套动作。机器人的动作序列被精确地存储在内存中，然后每次从装配线上交付新的罐头时，它都会重复做这个动作。

机械臂是制造汽车的基本部件之一。

大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。当做很多这样的工作时，机器人比人类效率高得多，因为它们非常精确。不管他们已经工作了多少个小时，他们仍然可以在同一个位置钻孔，并用同样的强度拧紧螺钉。类似机器人的制造在计算机工业中也起着非常重要的作用。他们极其精确的手可以组装一个微小的微芯片。

臂的制造和编程难度相对较低，因为它们只在有限的区域内工作。如果你想把机器人送到外面的世界，事情会变得有点复杂。

第一个问题是为机器人提供一个可行的运动系统。如果机器人只需要在平地上移动，轮子或履带往往是最佳选择。如果车轮和履带足够宽，它们也适合崎岖的地形。然而，机器人设计者通常希望使用腿部结构，因为它们适应性更强。让机器人有腿也可以帮助研究人员了解自然运动学的知识，这是生物研究领域的有益实践。

机器人的腿通常在液压或气动活塞的驱动下来回移动。每个活塞都连接到不同的腿部，就像肌肉连接到不同的骨骼一样。让所有这些活塞以正确的方式协同工作，无疑是一个难题。在婴儿期，人脑必须弄清楚哪些肌肉需要同时收缩，才能在直立行走时不摔倒。同样，机器人设计者必须找出与行走相关的活塞运动的正确组合，并将这些信息编译到机器人的计算机中。许多移动机器人都有一个内置的平衡系统(例如一组陀螺仪)，它会告诉计算机何时纠正机器人的动作。

波士顿动力公司最新升级版阿特拉斯人形机器人

两足步行本身的运动方式不稳定，在机器人制造中实现起来极其困难。为了设计出更能稳定行走的机器人，设计师们经常把目光投向动物王国，尤其是昆虫。昆虫有六条腿。它们通常具有非凡的平衡能力，能够适应许多不同的地形。

有些移动机器人是遥控的，人类可以指示它们在特定的时间做特定的工作。遥控设备可以使用连接线、无线电或红外信号与机器人通信。远程机器人通常被称为傀儡机器人。它们在探索危险或难以接近的环境(如深海或火山)时非常有用。有些机器人只有部分由遥控器控制。例如，操作员可以指示机器人到达特定的地方，但他不会为它指引路线，而是让它找到自己的路。

美国宇航局开发了可以远程控制的机器人R2。

自动机器人可以在不依赖任何控制器的情况下自主行动。基本原理是对机器人进行编程，使其以某种方式对外部刺激做出反应。极其简单的碰撞反应机器人可以很好地解释这个原理。

这个机器人有一个碰撞传感器来检查障碍物。当你启动机器人时，它通常会沿着一条直线曲折前进。当它碰到障碍物时，冲击力会作用在它的碰撞传感器上。每次发生碰撞，机器人的程序都会指令它后退，右转，然后继续前进。根据这种方法，机器人每次遇到障碍物都会改变方向。

先进的机器人将以更巧妙的方式利用这一原理。机器人专家将开发新的程序和传感系统，以创造出更高智能和更强感知的机器人。今天的机器人可以在各种环境中施展才华。

简单的移动机器人使用红外线或超声波传感器来感应障碍物。这些传感器的工作方式类似于动物的回声定位系统:机器人发出声音信号(或一束红外光)并检测信号的反射。机器人将根据信号反射所需的时间来计算它和障碍物之间的距离。

高级机器人利用立体视觉观察周围的世界。两个摄像头可以为机器人提供深度感知，而图像识别软件使机器人能够确定物体的位置并识别各种物体。机器人还可以使用麦克风和气味传感器来分析周围的环境。

有些自动机器人只能在自己熟悉的有限环境下工作。例如，割草机器人依靠埋在地下的地标来确定草原的范围。用来清洁办公室的机器人需要建筑物的地图来在不同的位置之间移动。

高级机器人可以分析和适应不熟悉的环境，甚至适应崎岖的地形。这些机器人可以将特定的地形模式与特定的动作联系起来。例如，漫游机器人将使用其视觉传感器生成前方地面的地图。如果地图显示崎岖的地形模式，机器人将知道它应该走另一条路。这个系统对在其他星球上工作的探索机器人非常有用。

有一种备选的机器人设计方案，采用松散的结构，并引入随机化因素。当机器人被卡住时，它会向各个方向移动它的附件，直到它的动作产生效果。它通过力传感器和传动装置的密切配合来完成任务，而不是由计算机通过程序来指导一切。这类似于蚂蚁试图绕过障碍物的时候:蚂蚁在需要通过障碍物的时候，似乎不会做出果断的决定，而是不断尝试各种方法，直到绕过障碍物。

第三，国产机器人

在本文的最后几个部分，我们将看看机器人世界中最引人注目的领域:人工智能和研究机器人。多年来，这些领域的专家在机器人技术方面取得了很大的进步，但他们并不是机器人的唯一制造商。几十年来，虽然很少有人对它感兴趣，但他们充满了热情。他们一直在世界各地的车库和地下室制造机器人。

自制机器人是一种快速发展的亚文化，在互联网上有相当大的影响力。机器人业余爱好者使用各种商业机器人工具、邮购零件、玩具甚至老式录像机来组装自己的作品。

像专业机器人一样，有各种各样的自制机器人。一些周末才能工作的机器人爱好者创造了非常精致的移动机械，而另一些人则为自己设计了家用机器人，还有一些爱好者热衷于制造有竞争力的机器人。在竞技机器人中，人们最熟悉的是遥控机器人士兵，你可以在程序“战斗机器人”中看到这一点。这些机器不是“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机大脑。它们只是增强型遥控汽车。

先进的竞赛机器人由计算机控制。例如，足球机器人在玩小型足球游戏时根本不需要人类输入信息。标准的机器人足球队由几个独立的机器人组成，它们与中央计算机通信。这台电脑通过摄像头“观察”整个球场，并根据颜色区分足球、球门以及自己和对方的球员。计算机一直在处理这些信息，并决定如何指挥它的团队。

适应性和多功能性。

计算机的个人革命以其出色的适应性为标志。标准化的硬件和编程语言使计算机工程师和业余程序员能够根据他们的特定目的制造计算机。电脑零件有点类似于科技用品，用途数不胜数。

到目前为止，大多数机器人更像厨房用具。机器人制造它们是为了特定的目的。但是它们对完全不同的应用场景的适应性不是很好。

这种情况正在改变。一家名为“进化机器人”的公司开创了自适应机器人硬件和软件领域。该公司希望通过一个易于使用的“机器人开发者工具包”来开拓自己的利基市场。

这个工具包有一个开放的软件平台，提供各种常用的机器人功能。例如，机器人专家可以很容易地赋予他们的作品追踪目标、聆听语音指令和绕过障碍物的能力。从技术角度来看，这些功能并不是革命性的，但不同寻常的是，它们被集成在一个简单的软件包中。

这个工具包还附带了一些常见的机器人硬件，可以很容易地与软件相结合。标准套件提供了一些红外传感器、电机、麦克风和摄像机。专家可以用加固的安装组件组装所有这些零件，其中包括一些铝制车身零件和耐用的车轮。

当然，这个工具包不是给你做平庸作品的。它的价格超过700美元，绝不是一个便宜的玩具。然而，它向新的机器人科学迈出了一大步。在不久的将来，如果你想建造一个新的机器人，可以在你离开时打扫房间或照顾宠物，你可能只需要写一个BASIC程序就可以做到，这将为你节省很多钱。

第四，人工智能

人工智能(AI)无疑是机器人学中最令人兴奋的领域，也无疑是最具争议性的领域:大家都认为机器人可以在流水线上工作，但对于它是否能智能却存在分歧。

就像“机器人”这个术语本身一样，你也很难定义“人工智能”。最终的人工智能是人类思维过程的再现，即具有人类智能的人工机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己观点的能力。目前，机器人专家远未达到这种人工智能水平，但他们在有限的人工智能领域取得了长足的进步。如今，拥有人工智能的机器已经可以模仿一些特定的智能元素。

计算机有能力解决有限领域的问题。用人工智能解决问题的执行过程很复杂，但基本原理很简单。首先，人工智能机器人或计算机会通过传感器(或人工输入)收集关于某一情况的事实。计算机将这些信息与存储的信息进行比较，以确定其含义。电脑会根据收集到的信息计算出各种可能的动作，然后预测哪个动作效果最好。当然，计算机只能解决它的程序允许它解决的问题，它不具备一般的分析能力。象棋就是这种机器的一个例子。

中的一些现代机器人仍然具有有限的学习能力。学习机器人可以识别某个动作(如以某种方式移动腿)是否达到了预期的效果(如绕过障碍物)。机器人存储这种信息，下次遇到同样的情况时，它会尝试做出成功的动作。同样，现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。他们不能像人类一样收集各种信息。一些机器人可以通过模仿人类的动作进行学习。在日本，机器人专家向机器人展示舞蹈动作，并让它学会跳舞。

有些机器人有人际交往能力。Kismet是麻省理工学院人工智能实验室制造的机器人。它可以识别人体语言和说话的语气，并做出相应的反应。Kismet的作者对成人和婴儿之间的互动非常感兴趣，他们之间的互动只能通过语调和视觉信息来完成。这种低级的交互可以作为人形学习系统的基础。

Kismet机器人

麻省理工人工智能实验室制造的Kismet和其他机器人采用了非常规的控制结构。这些机器人不使用中央计算机来控制它们的所有动作，但是它们的低级动作由低级计算机控制。项目负责人罗德尼·布鲁克斯认为，这是一个更准确的人类智能模型。大多数人类行为是自动做出的，而不是由最高意识水平决定的。

人工智能的真正问题在于理解自然智能的工作原理。发展人工智能不同于制造人工心脏。科学家没有简单具体的模型可以参考。我们知道，大脑中有数十亿个神经元，我们的思维和学习是通过在不同神经元之间建立电子连接来完成的。然而，我们不知道这些连接是如何实现高级推理能力的，甚至不知道低级运算的实现原理。神经网络似乎太复杂了，难以理解。

因此，人工智能在很大程度上仍然是一个理论。科学家们提出了关于人类学习和思维原理的假设，然后用机器人来实验他们的想法。

正如机器人的物理设计是了解动物和人类解剖的便捷工具一样，研究人工智能也有助于了解自然智能的工作原理。对于一些机器人专家来说，这种洞察力是机器人设计的最终目标。其他人正在想象一个人类和智能机器共同生活的世界。在这个世界上，人类使用各种小型机器人进行体力劳动、医疗保健和交流。很多机器人专家预测，机器人的进化最终会让我们变成半机器人，也就是人类与机器融为一体。有理由相信，未来的人类会把自己的思想植入健壮的机器人，并活上千年！

无论如何，机器人将在我们未来的日常生活中发挥重要作用。未来几十年，机器人将逐渐扩展到工业和科学之外，进入日常生活，这类似于20世纪80年代计算机逐渐普及到家庭的过程。