你了解机器人吗？ 机器人由哪些部分组成以及它是如何工作的？

很多人一听到“机器人”这个词，脑海中就会浮现出“酷炫的外观”、“强大的功能”、“高端”等词语。 他们认为机器人就像科幻电影中的“终结者”一样高端、华而不实。 凉爽的。 并不真地。 在本文中，我们将探讨机器人技术的基本概念并了解机器人如何完成任务。

1. 机器人的组成部分

在最基本的层面上，人体由五个主要部分组成：

当然，人类也有一些无形的特征，比如智力和道德，但在纯粹的身体层面上，这个清单是相当完整的。

机器人的组成部分与人类非常相似。 典型的机器人具有可移动的身体结构、类似电机的装置、传感系统、电源以及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。

仿生袋鼠机器人

机器人的定义范围从服务工厂的工业机器人到家庭清洁机器人。 根据最广泛的定义，如果很多人认为某个东西是机器人，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（一台计算机），用于移动身体。

根据这个定义，机器人与其他移动机器（例如汽车）的不同之处在于其计算机元素。 许多较新的汽车都有车载计算机，但仅用它来进行细微的调整。 驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大部分部件。 机器人在物理特性上与普通计算机不同。 它们各自连接到一个本体，而普通计算机则不然。

大多数机器人确实有一些共同的特征

首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。 有些只有电动轮，而另一些则有很多移动部件，通常由金属或塑料制成。 与人体骨骼类似，这些单独的部分通过关节连接。

机器人的轮子和轴通过某种传动装置连接起来。 有些机器人使用电机和螺线管进行传动； 其他人使用液压系统； 还有一些使用气动系统（由压缩气体驱动的系统）。 机器人可以使用上述任何类型的传输方式。

其次，机器人需要能源来驱动这些传动装置。 大多数机器人将由电池或墙壁插座供电。 此外，液压机器人需要泵来对液体加压，而气动机器人则需要气体压缩机或压缩空气罐。

所有传输均通过电线连接到电路。 该电路直接为电动机和电磁阀提供动力，并操作电子阀来启动液压系统。 阀门控制机器内加压流体的路径。 例如，如果机器人移动液压驱动的腿，其控制器会打开从液压泵通向腿中的活塞筒的阀门。 加压流体将推动活塞，导致腿向前旋转。 通常，机器人使用提供双向推力的活塞，允许零件沿两个方向移动。

机器人的计算机控制连接到电路的所有组件。 为了让机器人移动，计算机打开所有必需的电机和阀门。 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，你只需在它的计算机中编写一个新程序即可。

并非所有机器人都有传感系统。 很少有机器人拥有视觉、听觉、嗅觉或味觉。 机器人拥有的最常见的感觉之一是运动感，即监控自身运动的能力。 在标准设计中，机器人的轮子在其关节上安装有凹槽。 轮子的一侧有一个 LED，发出的光束穿过凹槽，照射到轮子另一侧的光传感器上。 当机器人移动特定关节时，凹槽轮就会转动。 在此过程中，凹槽会阻挡光束。 光学传感器读取光束闪烁的模式并将数据发送到计算机。 根据这种模式，计算机可以准确地计算出关节旋转了多远。 计算机鼠标使用的基本系统是相同的。

这些是机器人的基本构建块。 机器人专家有无数种方法将这些元素结合起来，创造出无限复杂的机器人。 机器人手臂是最常见的设计之一。

2. 机器人如何工作

英语中的“机器人”一词源自捷克语“robota”，通常被翻译为“强迫劳动者”。 这是描述大多数机器人的非常恰当的方式。 世界上大多数机器人都用于执行繁重的重复性制造任务。 它们负责对人类来说困难、危险或无聊的任务。

最常见的制造机器人类型是机械臂。 典型的机器人手臂由七个金属部件组成，并通过六个关节连接。 计算机分别旋转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，步进电机以增量方式精确移动。 这使得计算机可以精确地移动手臂，从而使手臂一遍又一遍地重复完全相同的运动。 机器人使用运动传感器来确保它的移动量准确无误。

这种六关节工业机器人与人的手臂非常相似，相当于肩膀、肘部和手腕。 它的“肩膀”通常安装在固定的基础结构上（而不是移动的主体）。 这种类型的机器人有六个自由度，这意味着它可以在六个不同的方向上转动。 相比之下，人的手臂有七个自由度。

六轴工业机器人的关节

人类手臂的目的是将手移动到不同的位置。 同样，机械臂的作用是移动末端执行器。 您可以在机械臂上安装多种适合特定应用场景的末端执行器。 有一种常见类型的末端执行器可以抓取和移动不同的物体，是人手的简化版本。 机器人手通常具有内置压力传感器，可以告诉计算机机器人抓握特定物体的力度。 这可以防止机器人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。

工业机器人旨在在受控环境中一遍又一遍地执行完全相同的工作。 例如，当花生酱罐经过装配线时，机器人可能负责拧紧花生酱罐的盖子。 为了教机器人如何完成这项工作，程序员使用手持控制器来引导手臂完成一系列动作。 机器人将动作顺序准确地存储在内存中，每次新罐被送到装配箱时，它都会重复执行这组动作。

机器人手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，组装汽车。 机器人在完成许多此类工作时比人类更有效率，因为它们非常精确。 无论他们工作了多少个小时，他们仍然在同一个地方钻孔，用同样的力气拧螺丝。 制造机器人在计算机行业中也发挥着非常重要的作用。 他们极其精确的双手可以组装微型芯片。

机器人手臂相对容易构建和编程，因为它们在有限的区域内工作。 如果您将机器人发送到广阔的外部世界，事情会变得更加复杂。

第一个挑战是为机器人提供可行的运动系统。 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，它们也适用于崎岖的地形。 但机器人设计者通常希望使用腿状结构，因为它们的适应性更强。 建造有腿机器人还有助于为研究人员提供自然运动学知识，这是生物研究中的一种有用实践。

机器人的腿通常由液压或气动活塞来回驱动。 各个活塞连接到不同的腿部部件，就像肌肉连接到不同的骨头一样。 让所有这些活塞以正确的方式协同工作无疑是一个挑战。 在婴儿期，大脑必须弄清楚哪些肌肉需要同时收缩才能直立行走而不会摔倒。 同样，机器人的设计者必须找出行走中涉及的活塞运动的正确组合，并将这些信息编程到机器人的计算机中。 许多移动机器人都有内置的平衡系统（例如一组陀螺仪），可以告诉计算机何时需要纠正机器人的运动。

波士顿动力最新升级版Atlas人形机器人

双足行走的运动方式本身不稳定，因此在机器人的制造中实现起来极其困难。 为了设计能够行走更稳定的机器人，设计者经常求助于动物王国，尤其是昆虫。 昆虫有六条腿，它们往往具有非凡的平衡能力，可以适应许多不同的地形。

一些移动机器人是远程控制的，人类可以指导它们在特定时间执行特定任务。 远程控制单元可以使用电缆、无线电或红外信号与机器人进行通信。 远程机器人，通常称为木偶机器人，在探索危险或人类无法进入的环境（例如深海或火山内部）时非常有用。 有些机器人仅部分由遥控器控制。 例如，操作员可能会指示机器人到达特定位置，但不给它一条路线，让它自行寻找路线。

NASA开发遥控太空机器人R2

自主机器人可以自主行动，无需依赖任何人类控制器。 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。 一个极其简单的碰撞响应机器人就是这一原理的一个很好的例子。

机器人有一个碰撞传感器来检测障碍物。 当您启动机器人时，它通常会沿直线蜿蜒前进。 当它撞到障碍物时，冲击力作用在其碰撞传感器上。 每次发生碰撞时，机器人都会被编程为后退、右转，然后继续前进。 按照这种方法，机器人在遇到障碍物时会改变方向。

先进的机器人将以更复杂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，以创造更智能、更有感知力的机器人。 今天的机器人可以在各种环境中蓬勃发展。

更简单的移动机器人使用红外或超声波传感器来感知障碍物。 传感器的工作原理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。 机器人根据信号反射所需的时间计算与障碍物的距离。

更先进的机器人使用立体视觉来观察周围的世界。 两个摄像头为机器人提供深度感知，而图像识别软件则使机器人能够确定物体的位置并识别各种物体。 该机器人还可以使用麦克风和气味传感器来分析周围环境。

一些自主机器人只能在它们熟悉的有限环境中工作。 例如，机器人割草机依靠埋在地下的地标来确定牧场的范围。 用于清洁办公室的机器人需要建筑物的地图才能在不同地点之间移动。

更先进的机器人可以分析和适应陌生的环境，甚至是地形崎岖的地区。 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，漫游机器人使用其视觉传感器生成前方地面的地图。 如果地图显示粗糙的地形图案，机器人就会知道它应该走另一条路径。 这样的系统对于在其他行星上工作的探索机器人很有用。

另一种机器人设计采用更宽松的结构并引入随机化元素。 当机器人被卡住时，它会向各个方向移动其附肢，直到其运动产生效果。 它使用力传感器和执行器紧密配合来完成任务，而不是让计算机通过程序来指挥一切。 这与蚂蚁试图绕过障碍物时类似：蚂蚁在需要通过障碍物时似乎不会快速做出决定，而是不断尝试各种方法，直到绕过障碍物。

3.自制机器人

在本文的最后部分，我们将了解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科学方面取得了长足的进步，但他们并不是唯一的机器人制造者。 几十年来，一小群热情的人一直在世界各地的车库和地下室建造机器人。

自制机器人是一种快速发展的亚文化，对互联网具有相当大的影响力。 业余机器人爱好者用各种商业机器人工具、邮购零件、玩具甚至老式录像机组装自己的作品。

与专业机器人一样，自制机器人也有多种类型。 一些只能在周末工作的机器人爱好者建造了非常复杂的步行机，另一些则为自己设计了家用机器人钢结构设计工具箱，还有一些爱好者热衷于建造竞技机器人。 在竞技机器人中，最熟悉的是遥控机器人战士，就像你在《BattleBots》节目中看到的那样。 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。

更先进的竞技机器人是由计算机控制的。 例如，足球机器人可以在没有任何人类输入的情况下进行一场小型足球比赛。 标准的机器人足球队由多个与中央计算机通信的单独机器人组成。 计算机通过摄像头“看到”整个场地，并根据颜色区分球、球门以及己方和对方球员。 计算机一直在处理这些信息并决定如何指导其团队。

适应性和多功能性

个人计算机革命以其卓越的适应性为标志。 标准化的硬件和编程语言允许计算机工程师和业余程序员为他们的特定目的构建计算机。 电脑零件有点类似于工艺品，用途无数。

迄今为止，大多数机器人更像是厨房用具。 机器人专家构建它们是为了服务于特定目的。 但它们对完全不同的应用场景的适应性并不是很好。

这种情况正在改变。 一家名为 Evolution Robotics 的公司正在开发自适应机器人软件和硬件。 该公司希望通过易于使用的“机器人开发工具包”来开拓自己的利基市场。

该工具包拥有一个开放的软件平台钢结构设计工具箱，旨在提供各种常用的机器人功能。 例如，机器人专家可以轻松地为他们的创造物赋予跟踪目标、遵循语音命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到一个简单的包中。

该套件还配备了一些常见的机器人硬件，可以轻松与软件结合使用。 标准套件提供一些红外传感器、电机、麦克风和摄像机。 机器人专家可以使用加固安装套件组装所有这些部件，其中包括一些铝制车身部件和坚固耐用的轮子。

当然，该套件不适合您制作平庸的作品。 售价超过 700 美元，这绝不是一个便宜的玩具。 尽管如此，这仍然是迈向新型机器人科学的一大步。 在不远的将来，如果你想建造一个新的机器人，可以在你外出时打扫你的房子或照顾你的宠物，你可能只需要编写一个 BASIC 程序来完成它，这将为你节省一大笔钱。

4. 人工智能

人工智能（AI）无疑是机器人领域最令人兴奋的领域，也无疑是最具争议性的领域：每个人都同意机器人可以在流水线上工作，但对于它是否可以具有智能却存在分歧。

就像“机器人”一词本身一样，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造机器。 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。 机器人专家目前还远未达到人工智能的这一水平，但他们在人工智能的有限领域取得了巨大进展。 如今，具有人工智能的机器已经可以模仿某些智能元素。

计算机已经具备解决有限领域问题的能力。 利用人工智能解决问题的执行过程很复杂，但基本原理却很简单。 首先，人工智能机器人或计算机通过传感器（或人类输入）收集有关情况的事实。 计算机将此信息与存储的信息进行比较以确定其含义。 计算机根据收集到的信息计算出各种可能的行动，然后预测哪种行动会产生最好的效果。 当然，计算机只能解决其程序允许它解决的问题； 它不具备一般意义上的分析能力。 国际象棋计算机就是这种机器的一个例子。

一些现代机器人的学习能力也有限。 学习机器人可以识别某个动作（例如以某种方式移动一条腿）是否达到了预期的结果（例如绕过障碍物）。 机器人会存储这些信息，下次遇到相同情况时，它会尝试执行它可以成功处理的操作。 同样，现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。 他们无法像人类一样收集所有类型的信息。 有些机器人可以通过模仿人类动作来学习。 在日本，机器人专家向机器人演示了舞蹈动作，机器人学会了跳舞。

有些机器人具有人际交流能力。 Kismet 是麻省理工学院人工智能实验室打造的机器人，可以识别人体语言和语音音调并做出相应反应。 Kismet 的作者对成人和婴儿如何仅使用语气和视觉信息进行互动感兴趣。 这种低级交互方式可以作为类人学习系统的基础。

天运机器人

Kismet 和麻省理工学院人工智能实验室制造的其他机器人采用了非常规的控制结构。 这些机器人不是由中央计算机控制所有动作，而是由较低级别的计算机控制较低级别的动作。 项目总监罗德尼·布鲁克斯认为这是一个更准确的人类智能模型。 大多数人类行为都是自动做出的，而不是由最高意识水平决定的。

人工智能真正的难题是理解自然智能的工作原理。 开发人工智能与建造人造心脏不同。 科学家们没有一个简单而具体的模型可以参考。 我们知道大脑包含数百亿个神经元，我们的思维和学习是通过在不同神经元之间建立电连接来完成的。 但我们不知道这些连接是如何实现高级推理能力的，甚至不知道低级操作是如何实现的。 大脑的神经网络似乎复杂得难以理解。

因此，人工智能在很大程度上仍处于理论阶段。 科学家提出关于人类如何学习和思考的假设，然后使用机器人来测试他们的想法。

正如机器人的物理设计是理解动物和人体解剖学的便捷工具一样，人工智能的研究可以帮助理解自然智能的工作原理。 对于一些机器人专家来说，这种洞察力是设计机器人的最终目标。 其他人则设想一个人类与智能机器一起生活的世界，使用各种小型机器人进行体力劳动、医疗保健和交流。 许多机器人专家预测，机器人的进化最终将导致我们成为完全的机器人，即人类与机器融合。 有理由相信，未来的人类将把自己的思想植入到强大的机器人中，并活上数千年！

无论如何，未来机器人将在我们的日常生活中发挥重要作用。 未来几十年，机器人将逐渐超越工业和科学领域，进入日常生活，就像 20 世纪 80 年代计算机开始走进家庭一样。

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