很多人听到“机器人”这个词，脑子里就会浮现出“外形酷炫”、“功能强大”、“高端”等词汇，觉得机器人就像科幻电影里的“终结者”一样高端、酷炫。其实不然。在本文中，我们将探讨机器人的基本概念，了解机器人是如何完成任务的。

1. 机器人的组成

从最基本的层面上讲，人体由五个主要部分组成：

车身结构；

肌肉系统，用于移动身体结构；

感觉系统，接收有关身体和周围环境的信息；

能量来源，用于为肌肉和感官提供能量；

处理感觉信息和指挥肌肉运动的大脑系统。

当然，人类也具有一些无形的特征，例如智力和道德，但从纯粹的身体层面来看，这个清单是相当完整的。

机器人的部件与人类的部件非常相似。典型的机器人具有可移动的车身结构、类似马达的装置、传感器系统、电源以及控制所有这些元件的计算机“大脑”。从本质上讲，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

机器人的定义范围很广，从在工厂工作的工业机器人到清洁家庭的机器人。根据目前最广泛的定义，如果某物被许多人视为机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制造机器人的人）威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员使用了更精确的定义。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），可以移动身体。

根据这一定义，机器人与其他移动机器（如汽车）的区别在于其计算机元素。许多新车都配备了车载计算机，但它们只用它来进行细微的调整。驾驶员使用各种机械装置直接控制车辆的大部分部件。机器人与普通计算机的区别在于其物理特性，它们各自连接到一个机体，而普通计算机则没有这种情况。

大多数机器人确实有一些共同的特征

首先，几乎所有机器人都具有可以移动的躯体。有些机器人只有电动轮子，而有些则拥有大量活动部件，通常由金属或塑料制成。与人类骨骼类似，这些单独的部件通过关节连接起来。

机器人的轮子和轴通过某种传动装置连接。有些机器人使用电动机和螺线管作为传动装置；有些使用液压系统；还有一些使用气动系统（由压缩气体驱动的系统）。可以使用上述任何类型的传动装置。

其次，机器人需要电源来驱动这些执行器。大多数机器人使用电池或墙上插座供电。此外，液压机器人需要泵来加压流体，而气动机器人则需要气体压缩机或压缩气罐。

所有执行器都通过电线连接到电路。该电路直接为电动机和螺线管供电，并操作启动液压系统的电子阀。阀门控制加压流体通过机器的路径。例如，如果机器人要移动液压驱动的腿，其控制器会打开从液压泵通向腿中活塞缸的阀门。加压流体推动活塞，使腿向前旋转。使用提供双向推力的活塞，使组件可以双向移动。

机器人的计算机控制连接到电路的所有组件。要使机器人移动，计算机会打开所需的所有电机和阀门。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，你只需要改变一个写入其计算机的新程序。

并非所有机器人都具有感觉系统。很少有机器人能够看到、听到、闻到或尝到。机器人最常见的感觉是运动，即机器人监控自身运动的能力。在标准设计中，机器人的关节配备有带凹槽的轮子。轮子的一侧是发光二极管，它发出的光束穿过凹槽，照射到轮子另一侧的光传感器上。当到达某个关节时，带凹槽的轮子就会转动，从而阻挡光束。

光学传感器读取光束闪烁的模式，并将数据发送到计算机，计算机可以利用该模式精确计算关节旋转的距离。这与计算机鼠标中使用的基本系统相同。

这些是机器人的基本构件。机器人专家有无数种方法可以组合这些元素，从而创造出无限复杂的机器人。最常见的设计之一就是机械臂。

2. 机器人如何工作？

“机器人”一词来自捷克语，通常意为“强迫劳动者”。这个词对大多数机器人来说都相当贴切。世界上大多数机器人都用于执行繁重、重复的制造任务。它们负责那些对人类来说太困难、太危险或太无聊的任务。

最常见的制造机器人是机械臂。

典型的机械臂由七个金属部件组成，通过六个关节连接。计算机通过旋转连接到每个关节的步进电机来控制机器人（一些大型机械臂使用液压或气动系统）。

与普通电机不同，步进电机以精确的增量移动。这使得计算机能够如此精确地移动机器人手臂，使其一遍又一遍地重复完全相同的动作。机器人使用运动传感器来确保它以正确的量移动。

这种六关节工业机器人与人类手臂非常相似，具有相当于肩膀、肘部和手腕的功能。它的“肩膀”通常安装在固定底座结构上（而不是移动底座结构）。这种类型的机器人具有六个自由度，这意味着它可以朝六个不同的方向转动。相比之下，人类手臂有七个自由度。

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，机械臂的目的是移动末端执行器。你可以在机械臂上安装各种适合特定应用场景的末端执行器。常见的末端执行器可以抓取和移动不同的物体，是人类手的简化版本。

机械手通常有内置压力传感器，可以告诉计算机机器人抓握特定物体的力度。这可以防止物体掉落或在机器人手中被压碎。其他末端执行器包括喷灯、钻头和喷漆设备。

工业机器人被设计用于在受控环境中反复执行完全相同的任务。例如，机器人可能负责在花生酱罐子经过装配线时拧紧罐盖。为了教机器人如何完成这项任务，程序员将使用仅手持式控制器来引导机器人手臂完成整个动作。机器人将精确的动作顺序存储在其内存中，然后每次将新罐子交付到装配线上时，它都会重复同一组动作。

大多数工业机器人都在汽车装配线上工作，组装汽车。机器人在完成大量此类工作时比人类效率高得多，因为它们非常精确。无论工作多少小时，它们仍然可以完成相同的工作。制造机器人在计算机行业也发挥着至关重要的作用。它们极其精确的手可以组装微型芯片。

机械臂相对容易制造和编程，因为它们的工作范围有限。如果你想把机器人送往广阔的世界，事情就会变得稍微复杂一些。

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。如果轮子和履带足够宽，它们也可以在较崎岖的地形上使用。机器人设计师通常希望使用腿式结构，因为它们的适应性更强。建造腿式机器人还有助于研究人员获得自然运动学知识，这在生物研究中是一种有用的做法。

机器人的腿通常由液压或气动活塞向前和向后移动。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。要让所有这些活塞以正确的方式协同工作需要付出很大的努力。在婴儿阶段，人类大脑必须弄清楚哪些肌肉需要同时收缩，才能让孩子直立行走而不摔倒。同样，机器人设计师必须弄清楚行走所涉及的正确活塞运动。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动作。

双足行走的运动本质上是不稳定的，因此在机器人制造中极难实现。为了设计出能够更稳定行走的机器人，设计师常常将目光投向动物界，尤其是昆虫。昆虫有六条腿，它们往往具有非凡的平衡能力，能够适应许多不同的地形。

一些移动机器人是远程控制的，允许人类指挥它们在特定时间执行特定任务。遥控器可以使用有线、无线电或红外信号与机器人通信。遥控机器人通常被称为傀儡机器人，它们用于探索。在危险或难以接近的环境中工作时，远程控制非常有用，例如深海或火山内部。有些机器人只是部分远程控制。例如，操作员可能会指示机器人前往特定位置，但不指示它走特定路线。让它自己找到路就行了。

美国宇航局开发遥控太空机器人R2

自主机器人可以自主行动，不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。这个原理最好用一个非常简单的碰撞反应机器人来说明。

这个机器人有一个碰撞传感器，可以检测障碍物。启动机器人时，它会大致沿直线移动，然后曲折前行。当它撞到障碍物时，冲击力会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。这样，机器人每次遇到障碍物时都会改变方向。

先进的机器人将以更复杂的方式运用这一原理。机器人专家将开发新的程序和传感器系统，以制造出更智能、更具有感知能力的机器人。今天的机器人可以展示你的技能。

较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。这些传感器的工作原理类似于动物使用的回声定位系统：机器人发出声学信号（或一束红外光）并检测信号的反射。根据信号反射所需的时间计算它与障碍物之间的距离。

更先进的机器人使用立体视觉来观察周围的世界。两个摄像头赋予机器人深度感知能力，而图像识别软件则使机器人能够确定物体的位置并识别它们。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，割草机器人依靠埋藏的地标来确定草坪的边界。设计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不熟悉的环境，甚至适应地形崎岖的地区。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，探测机器人使用其视觉传感器来生成地面地图。如果地图显示崎岖的地形模式，机器人就会知道它应该走不同的路线。该系统对于在其他星球上工作的探索机器人非常有用。

一种替代机器人设计采用更松散的结构，引入了随机性。当这种机器人被卡住时，它会向各个方向移动其附肢，直到其动作产生效果。它使用力传感器和执行器紧密协作来完成任务，而不是计算机程序指挥一切。这类似于一只试图绕过障碍物的蚂蚁：当蚂蚁需要绕过障碍物时，它似乎不会快速做出决定，而是不断尝试各种方法。重复这个过程，直到绕过障碍物。

3. 自制机器人

在本文的最后几节中，我们将介绍机器人领域最引人注目的领域：人工智能和研究机器人。这些领域的专家多年来在机器人技术方面取得了巨大进步，但它们并不是机器人。几十年来，一小群充满热情的业余爱好者一直在世界各地的车库和地下室建造机器人。

自制机器人是一种新兴的亚文化，在互联网上占有相当大的份额，业余机器人爱好者利用各种商用机器人套件、邮购零件、玩具甚至旧录像机来组装自己的机器人。

和专业机器人一样，自制机器人的种类也非常丰富。一些周末工作的机器人爱好者已经制造出非常精密的行走机器，而另一些人则设计了自己的家用机器人，还有一些爱好者热衷于制造竞技机器人。最熟悉的竞技机器人是你在节目《战斗机器人》中看到的遥控机器人战士。这些机器不被认为是“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机大脑。它们只是加强版的遥控汽车。

更先进的竞技机器人由计算机控制。例如，足球机器人可以在没有任何人工干预的情况下进行小型足球比赛。一个标准的机器人足球队由几个单独的机器人组成，这些机器人与中央计算机进行通信。计算机通过摄像头“看到”整个场地，并通过颜色区分球、球门以及自己和对方的球员。计算机不断处理这些信息并决定如何指挥其团队。

适应性和多功能性

个人电脑革命以其非凡的适应性而著称。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自己的特定目的构建计算机。计算机零件有点像工艺品；它们的用途数不胜数。

迄今为止，大多数机器人更像是厨房用具。机器人专家制造它们是为了完成一项特定的工作。但它们无法很好地适应完全不同的应用。

这种情况正在改变。一家名为 的公司正在开拓适应性机器人硬件和软件领域。该公司希望通过易于使用的“机器人开发工具包”开辟出一片天地。

该工具包拥有一个开放的软件平台，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让他们的作品具备跟踪目标、听取语音命令和绕过障碍物的能力。乍一看，这些功能并不具有革命性，但不同寻常的是，它们被打包成一个简单的包。

该套件还附带一些常见的机器人硬件，可以轻松与软件集成。标准套件提供一些红外传感器、电机、麦克风和摄像头。机器人专家可以使用增强型安装套件将所有这些部件组装在一起，该套件包括一些铝制车身部件和坚固耐用的轮子。

当然，这个套件并不是用来制作平庸作品的。它的价格超过 700 美元，绝对不是一个便宜的玩具。但它是朝着新型机器人迈出的一大步。在不久的将来，如果你想创造一个可以在你外出时打扫房间或照顾宠物的新机器人，你可能只需要编写一个程序就可以做到，这将为你节省一大笔钱。

4.人工智能

人工智能（AI）无疑是机器人技术中最令人兴奋的领域，同时也无疑是最具争议的领域：大家都同意机器人可以在装配线上工作，但对于它是否可以具有智能却存在分歧。

正如“机器人”一词本身一样，“人工智能”也很难定义。终极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、推理、说话和形成意见的能力，机器人专家还远远没有实现，但他们在人工智能的有限领域取得了巨大进展。智能机器已经可以模仿智能的某些特定元素。

计算机已经具备了在有限领域解决问题的能力。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（或人工输入）收集信息。计算机将这些信息与存储的信息进行比较，以确定其含义。计算机根据所收集的信息计算各种可能的行动，然后预测哪种行动会产生最佳效果。计算机只能解决其程序允许其解决的问题，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。

一些现代机器人还具有有限的学习能力。学习型机器人能够识别某个动作（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，它会尝试采取行动，以便成功处理这种情况。同样，现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。它们无法像人类一样收集所有类型的信息。一些机器人可以通过模仿人类动作来学习。在日本，机器人专家通过向机器人展示舞蹈动作来教它跳舞。

有些机器人具备与人类交流的能力，麻省理工学院人工智能实验室制作的机器人可以识别人类的肢体语言和语音语调并做出相应的反应，论文作者认为它们之间的交互仅靠语调和视觉信息就能完成，这种低级交互方式可以作为类人学习系统的基础。

麻省理工学院人工智能实验室制造的机器人和其他机器人采用非常规的控制结构。这些机器人没有中央计算机控制所有动作，而是由低级计算机控制低级动作。丹尼斯·布德克斯认为，这是人类智能的更准确模型，因为大多数人类动作都是自动的，而不是由顶层意识决定的。

人工智能的真正挑战在于理解自然智能是如何运作的。与建造人造心脏不同，科学家们并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，思考和学习是通过在不同神经元之间建立电连接来实现的。然而，我们不知道这些连接如何实现高级推理，甚至不知道低级操作是如何实现的。这似乎复杂得令人难以理解。

因此，人工智能在很大程度上仍然处于理论阶段：科学家们假设人类如何学习和思考，然后使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体解剖学的便捷工具一样，人工智能研究也是了解自然智能如何工作的有用工具。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。有些人想象一个人类与智能机器生活在一起的世界，使用小型机器人进行体力劳动、医疗保健和通信。许多机器人专家预测，机器人的进化最终将使我们完全成为机器人。机器人是与机器融合的人类。有理由相信，未来人类将把自己的思想植入强大的机器人中，并生活数千年！

无论如何，机器人在未来的生活中都会扮演重要的角色，未来几十年，机器人会逐渐超越工业和科学，走进日常生活，就像电脑在上世纪 80 年代逐渐普及到家庭的过程类似。