什么是机器人（机器人的工作原理你知道吗）
很多人一听到“机器人”这三个字脑中就会显现“外形酷炫”、“功效壮大”、“高端”等这些词，以为机器人就和科幻电影里的“终结者”一样高端炫酷。其实不然，在本文中，我们将探讨机器人学的根本概念，并懂得机器人是如何完成它们的义务的。
一、机器人的组成部分
从最根本的层面来看，人体包含五个重要组成部分：
身材构造
肌肉体系，用来移出发体构造
感官体系，用来吸收有关身材和周围环境的信息
能量源，用来给肌肉和感官供给能量
大脑体系，用来处置感官信息和指挥肌肉活动
当然，人类还有一些无形的特点，如智能和道德，但在纯洁的物理层面上，此列表已经相当完备了。
机器人的组成部分与人类极为相似。一个典范的机器人有一套可移动的身材构造、一部相似于马达的装置、一套传感体系、一个电源和一个用来掌握所有这些要素的盘算机“大脑”。从实质上讲，机器人是由人类制作的“动物”，它们是模拟人类和动物行动的机器。
仿生袋鼠机器人
机器人的定义规模很广，大到工厂服务的工业机器人，小到居家扫除机器人。依照目前最宽泛的定义，如果某样东西被许多人以为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制作机器人的人）应用的是一种更为准确的定义。他们规定，机器人应具有可重新编程的大脑（一台盘算机），用来移出发体。
依据这必定义，机器人与其他可移动的机器（如汽车）的不同之处在于它们的盘算机要素。许多新型汽车都有一台车载盘算机，但只是用它来做渺小的调剂。驾驶员通过各种机械装置直接掌握车辆的大多数部件。而机器人在物理特征方面与普通的盘算机不同，它们各自衔接着一个身材，而普通的盘算机则不然。
大多数机器人确切拥有一些共同的特征
首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身材。有些拥有的只是灵活化的轮子，而有些则拥有大批可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼相似，这些独立的部件是用关节衔接起来的。
机器人的轮与轴是用某种传动装置衔接起来的。有些机器人应用马达和螺线管作为传动装置；另一些则应用液压体系；还有一些应用气动体系（由紧缩气体驱动的体系）。机器人可以应用上述任何类型的传动装置。
其次，机器人须要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机器人会应用电池或墙上的电源插座来供电。此外，液压机器人还须要一个泵来为液体加压，而气动机器人则须要气体紧缩机或紧缩气罐。
所有传动装置都通过导线与一块电路相连。该电路直接为电动马达和螺线圈供电，并把持电子阀门来启动液压体系。阀门可以掌握承压流体在机器内流动的路径。比如说，如果机器人要移动一只由液压驱动的腿，它的掌握器会打开一只阀门，这只阀门由液压泵通向腿上的活塞筒。承压流体将推进活塞，使腿部向前旋转。通常，机器人应用可供给双向推力的活塞，以使部件能向两个方向运动。
机器人的盘算机可以掌握与电路相连的所有部件。为了使机器人动起来，盘算机遇打开所有须要的马达和阀门。大多数机器人是可重新编程的。如果要转变某部机器人的行动，您只需将一个新的程序写入它的盘算机即可。
并非所有的机器人都有传感体系。很少有机器人具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人拥有的最常见的一种感到是活动感，也就是它监控自身活动的才能。在尺度设计中，机器人的关节处安装着刻有凹槽的轮子。在轮子的一侧有一个发光二极管，它发出一道光束，穿过凹槽，照在位于轮子另一侧的光传感器上。当机器人移动某个特定的关节时，有凹槽的轮子会转动。在此进程中，凹槽将挡住光束。光学传感器读取光束闪动的模式，并将数据传送给盘算机。盘算机可以依据这一模式精确地盘算出关节已经旋转的距离。盘算机鼠标中应用的根本体系与此雷同。
以上这些是机器人的根本组成部分。机器人专家有无数种办法可以将这些元素组合起来，从而制作出无穷庞杂的机器人。机器臂是最常见的设计之一。
二、机器人是如何工作的
英语里“机器人”(Robot)这个术语来自于捷克语单词robota，通常译作“强迫劳动者”。用它来描写大多数机器人是十分贴切的。世界上的机器人大多用来从事沉重的反复性制作工作。它们负责那些对人类来说非常艰苦、危险或枯燥的义务。
最常见的制作类机器人是机器臂。一部典范的机器臂由七个金属部件构成，它们是用六个关节接起来的。盘算机将旋转与每个关节分离相连的步进式马达，以便掌握机器人（某些大型机器臂应用液压或气动体系）。与普通马达不同，步进式马达会以增量方法准确移动。这使盘算机可以准确地移动机器臂，使机器臂不断反复完整雷同的动作。机器人应用活动传感器来确保自己完整按准确的量移动。
这种带有六个关节的工业机器人与人类的手臂极为类似，它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安装在一个固定的基座构造（而不是移动的身材）上。这种类型的机器人有六个自由度，也就是说，它能向六个不同的方向转动。与之相比，人的手臂有七个自由度。
一个六轴工业机器人的关节
人类手臂的作用是将手移动到不同的地位。相似地，机器臂的作用则是移动末端履行器。您可以在机器臂上安装实用于特定运用场景的各种末端履行器。有一种常见的末端履行器能抓握并移动不同的物品，它是人手的简化版本。机器手往往有内置的压力传感器，用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告知盘算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末端履行器还包含喷灯、钻头和喷漆器。
工业机器人专门用来在受控环境下重复履行完整雷同的工作。例如，某部机器人可百思特网能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持掌握器来引诱机器臂完成整套动作。机器人将动作序列精确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会重复地做这套动作。
机器臂是制作汽车时应用的根本部件之一
大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。在进行大批的此类工作时，机器人的效力比人类高得多，因为它们非常准确。无论它们已经工作了多少小时，它们仍能在雷同的地位钻孔，用雷同的力度拧螺钉。制作类机器人在盘算机产业中也施展着十分主要的作用。它们无比准确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。
机器臂的制作和编程难度相对较低，因为它们只在一个有限的区域内工作。如果您要把机器人送到辽阔的外部世界，事情就变得有些庞杂了。
重要的难题是为机器人供给一个可行的活动体系。如果机器人只须要在平地上移动，轮子或轨道往往是最好的选择。如果轮子和轨道足够宽，它们还实用于较为曲折的地形。但是机器人的设计者往往愿望应用腿状构造，因为它们的适应性更强。制作有腿的机器人还有助于使研讨人员懂得自然活动学的知识，这在生物研讨范畴是有益的实践。
机器人的腿通常是在液压或气动活塞的驱动下前后移动的。各个活塞衔接在不同的腿部部件上，就像不同骨骼上附着的肌肉。若要使所有这些活塞都能以准确的方法协同工作，这无疑是一个难题。在婴儿阶段，人的大脑必需弄清哪些肌肉须要同时压缩能力使得在直立行走时不致摔倒。同理，机器人的设计师必需弄清与行走有关的准确活塞活动组合，并将这一信息编入机器人的盘算机中。许多移动型机器人都有一个内置平衡体系（如一组陀螺仪），该体系会告知盘算机何时须要校订机器人的动作。
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两足行走的活动方法本身是不稳固的，因此在机器人的制作中实现难度极大。为了设计出行走更稳的机器人，设计师们常会将眼力投向动物界，尤其是昆虫。昆虫有六条腿，它们往往具有超凡的平衡才能，对许多不同的地形都能适应自如。
某些移动型机器人是远程掌握的，人类可以指挥它们在特定的时光从事特定的工作。遥控装置可以应用衔接线、无线电或红外信号与机器人通讯。远程机器人常被称为傀儡机器人，它们在摸索充斥危险或人类无法进入的环境（如深海或火山内部）时非常有用。有些机器人只是部分受到遥控。例如，操作人员可能会指导机器人达到某个特定的地点，但不会为它指引路线，而是任由它找到自己百思特网的路。
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主动机器人可以自主行为，无需依附于任何掌握人员。其根本原理是对机器人进行编程，使之能以某种方法对外界刺激做出反响。极其简略的碰撞反响机器人可以很好地诠释这一原理。
这种机器人有一个用来检讨障碍物的碰撞传感器。当您启动机器人后，它大体上是沿一条直线弯曲行进的。当它碰到障碍物时，冲击力会作用在它的碰撞传感器上。每次产生碰撞时，机器人的程序会指导它后退，再向右转，然后持续前进。依照这种办法，机器人只要遇到障碍物就会转变它的方向。
高等机器人会以更精致的方法应用这一原理。机器人专家们将开发新的程序和传感体系，以便制作出智能水平更高、感知才能更强的机器人。如今的机器人可以在各种环境中大展身手。
较为简略的移动型机器人应用红外或超声波传感器来感知障碍物。这些传感器的工作方法相似于动物的回声定位体系：机器人发出一个声音信号（或一束红外光线），并检测信号的反射情形。机器人会依据信号反射所用的时光盘算出它与障碍物之间的距离。
较高等的机器人应用立体视觉来视察周围的世界。两个摄像头可认为机器人供给深度感知，而图像辨认软件则使机器人有才能肯定物体的地位，并识别各种物体。机器人还可以应用麦克风和蔼味传感器来剖析周围的环境。
某些主动机器人只能在它们熟习的有限环境中工作。例如，割草机器人依附埋在地下的界标肯定草场的规模。而用来干净办公室的机器人则须要建筑物的地图能力在不同的地点之间移动。
较高等的机器人可以剖析和适应不熟习的环境，甚至能适应地形曲折的地域。这些机器人可以将特定的地形模式与特定的动作相干联。例如，一个漫游车机器人会应用它的视觉传感器生成前方地面的地图。如果地图上显示的是曲折不平的地形模式，机器人会知道它该走另一条道。这种体系对于在其他行星上工作的摸索型机器人是非常有用的。
有一套备选的机器人设计计划采取了较为松散的构造，引入了随机化因素。当这种机器人被卡住时，它会向各个方向移动附肢，直到它的动作发生后果为止。它通过力传感器和传动装置紧密协作完成义务，而不是由盘算机通进程序指点一切。这和蚂蚁尝试绕过障碍物时有类似之处：蚂蚁在须要通过障碍物时似乎不会当机立断，而是不断尝试各种做法，直到绕过障碍物为止。
三、家庭自制机器人
在本文的最后几部分，我们来看看机器人世界中最引人注视的范畴：人工智能和研讨型机器人。多年来，这些范畴的专家们使机器人科学有了长足的提高，但他们并不是机器人的唯一制作者。几十年中，以此为喜好的人尽管为数很少，但充斥热忱，他们一直在全世界各地的车库和地下室里制作机器人。
家庭自制机器人是一种正在快速发展的亚文化，在互联网上具有相当大的影响力。业余机器人喜好者应用各种商业机器人工具、邮购的零件、玩具甚至老式录像机组装出他们自己的作品。
和专业机器人一样，家庭自制机器人的种类也是五花八门。一些到周末能力工作的机器人喜好者们制作出了非常精致的行走机械，而另一些则为自己设计了家政机器人，还有一些喜好者热衷于制作竞技类机器人。在竞技类机器人中，人们最熟习的是遥控机器人战士，就像您在《战役机器人》(BattleBots)节目中看到的那样。这些机器算不上“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的盘算机大脑。它们只是增强型遥控汽车。
比拟高等的竞技类机器人是由盘算机掌握的。例如，足球机器人在进行小型足球竞赛时完整不须要人类输入信息。尺度的机器人足球队由几个单独的机器人组成，它们与一台中央盘算机进行通讯。这台机算机通过一部摄像机“视察”全部球场，并依据色彩分辩足球、球门以及己方和对方的球员。盘算机随时都在处置此类信息，并决议如何指挥它的球队。
适应性和通用性
个人盘算机革命以其卓著的适应才能为标记。尺度化的硬件和编程语言使盘算机工程师和业余程序员们可以依据其特定目标制作盘算机。盘算机零件与工艺用品有几分类似，它们的用处不计其数。
迄今为止的大多数机器人更像是厨房用具。机器人专家们将它们制作出来以专门用于特定用处。但是它们对完整不同的运用场景的适应才能并不是很好。
这种情形正在转变。一家名叫Evolution Robotics的公司首创了适应型机器人软硬件范畴的先河。该公司愿望凭借一款易用的“机器人开发人员工具包”开辟出自己的利基市场。
这个工具包有一个开放式软件平台，专门供给各种常用的机器人功效。例如，机器人学家可以很容易地将跟踪目的、听从语音指令和绕过障碍物的才能赋予它们的作品。从技巧角度来看，这些功效并不具有革命性的意义，但不同寻常的是，它们集成在一个简略的软件包中。
这个工具包还附带了一些常见的机器人硬件，它们可以很容易地与软件相联合。尺度工具包供给了一些红外传感器、马达、一部麦克风和一台摄像机。机器人专家可以应用一套增强型安装组件将所有这些部件组装起来，这套组件包含一些铝制身材部件和壮实耐用的轮子。
当然，这个工具包不是让您制作平淡的作品的。它的售价超过700美元，绝不是什么便宜的玩具。不过，百思特网它向新型机器人科学迈进了一大步。在不远的将来，如果您要制作一个可以干净房间或在您分开的时候照料宠物的新型机器人，您可能只需编写一段BASIC程序就能做到，这将为您省下一大笔钱。
四、人工智能
人工智能(AI)无疑是机器人学中最令人高兴的范畴，无疑也是最有争议的：所有人都以为，机器人可以在装配线上工作，但对于它是否可以具有智能则存在分歧。
就像“机器人”这个术语本身一样，您同样很难对“人工智能”进行定义。终极的人工智能是对人类思维进程的再现，即一部具有人类智能的人造机器。人工智能包含学习任何知识的才能、推理才能、语言才能和形成自己的观点的才能。目前机器人专家还远远无法实现这种程度的人工智能，但他们已经在有限的人工智能范畴取得了很大进展。如今，具有人工智能的机器已经可以模拟某些特定的智能要素。
盘算机已经具备了在有限范畴内解决问题的才能。用人工智能解决问题的履行进程很庞杂，但根本原理却非常简略。首先，人工智能机器人或盘算机遇通过传感器（或人工输入的方法）来收集关于某个情景的事实。盘算机将此信息与已存储的信息进行比拟，以肯定它的含义。盘算机遇依据收集来的信息盘算各种可能的动作，然后预测哪种动作的后果最好。当然，盘算机只能解决它的程序许可它解决的问题，它不具备一般意义上的剖析才能。象棋盘算机就是此类机器的一个典范。
某些现代机器人还具备有限的学习才能。学习型机器人能够辨认某种动作（如以某种方法移动腿部）是否实现了所需的成果（如绕过障碍物）。机器人存储此类信息，当它下次遇到雷同的情景时，会尝试做出可以胜利应对的动作。同样，现代盘算机只能在非常有限的情景中做到这一点。它们无法像人类那样收集所有类型的信息。一些机器人可以通过模拟人类的动作进行学习。在日本，机器人专家们向一部机器人演示舞蹈动作，让它学会了跳舞。
有些机器人具有人际交换才能。Kismet是麻省理工学院人工智能试验室制造的机器人，它能辨认人类的肢体语言和说话的声调，并做出相应的反响。Kismet的作者们对成人和婴儿之间的交互方法很感兴致，他们之间的交互仅凭语折衷视觉信息就能完成。这种低层次的交互方法可以作为类人学习体系的基本。
Kismet机器人
Kismet和麻省理工学院人工智能试验室制作的其他机器人采取了一种非惯例的掌握构造。这些机器人并不是用一台中央盘算机掌握所有动作，它们的低层次动作由低层次盘算机掌握。项目主管罗德尼布德克斯(Rodney Brooks)信任，这是一种更为精确的人类智能模型。人类的大部分动作是主动做出的，而不是由最高层次的意识来决议做这些动作。
人工智能的真正难题在于懂得自然智能的工作原理。开发人工智能与制作人造心脏不同，科学家手中并没有一个简略而具体的模型可供参考。我们知道，大脑中含有上百亿个神经元，我们的思考和学习是通过在不同的神经元之间树立电子衔接来完成的。但是我们并不知道这些衔接如何实现高等的推理才能，甚至对低层次操作的实现原理也并不知情。大脑神经网络似乎庞杂得不可懂得。
因此，人工智能在很大水平上还只是理论。科学家们针对人类学习和思考的原理提出假说，然后应用机器人来试验他们的想法。
正如机器人的物理设计是懂得动物和人类解剖学的方便工具，对人工智能的研讨也有助于懂得自然智能的工作原理。对于某些机器人专家而言，这种看法是设计机器人的终极目的。其他人则在理想一个人类与智能机器共同生涯的世界，在这个世界里，人类应用各种小型机器人来从事手工劳动、健康护理和通讯。许多机器人专家预言，机器人的进化最终将使我们彻底成为半机器人，即与机器融会的人类。有理由信任，未来的人类会将他们的思想植入强壮的机器人体内，活上几千年的时光！
无论如何，机器人都会在我们未来的日常生涯中扮演主要的角色。在未来的几十年里，机器人将逐渐扩大到工业和科学之外的范畴，进入日常生涯，这与盘算机在20世纪80年代开端逐渐普及到家庭的进程相似。