機器人學是一個跨學科的科學和工程領(lǐng)域，致力于機械機器人的設(shè)計、建造和使用。我們的指南將讓您具體掌握機器人技術(shù)，包括不同類型的機器人以及它們?nèi)绾卧诟鱾€行業(yè)中得到應用。

（1）機器人概述

機器人技術(shù)是一個跨學科領(lǐng)域，專注于創(chuàng)造高效執(zhí)行各種任務的機器。|圖片：SHUTTERSTOCK

什么是機器人？

機器人技術(shù)是科學、工程和技術(shù)的交叉領(lǐng)域，它生產(chǎn)機器，稱為機器人，可以復制或替代人類行為。流行文化一直對機器人著迷——例如 R2-D2、終結(jié)者和 WALL-E。這些過度夸張的人形機器人概念通?？雌饋硐袷菍φ鎸嵤挛锏穆?。但他們是否比我們意識到的更具前瞻性？機器人正在獲得智能和機械能力，這不會使未來類似 R2-D2 的機器遙不可及。

機器人是可以完成任務的可編程機器，而機器人學一詞則描述了專注于開發(fā)機器人和自動化的研究領(lǐng)域。每個機器人都有不同程度的自主性。這些級別的范圍從執(zhí)行任務的人類控制的機器人到執(zhí)行任務的完全自主的機器人，而無需任何外部影響。

隨著技術(shù)的進步，被認為是機器人技術(shù)的范圍也在不斷擴大。2005 年，90% 的機器人可以在汽車工廠組裝汽車。這些機器人主要由機械臂組成，負責焊接或擰緊汽車的某些部件。

今天，我們看到機器人技術(shù)的發(fā)展和擴展定義包括開發(fā)、創(chuàng)建和使用機器人來完成諸如探索地球最惡劣條件、協(xié)助執(zhí)法、簡化外科手術(shù)和執(zhí)行救援任務等任務。

機器人定義

雖然機器人技術(shù)的整體世界正在擴大，但機器人具有一些一致的特征：

●機器人由某種機械結(jié)構(gòu)組成。機器人的機械方面有助于它在其設(shè)計的環(huán)境中完成任務。例如，Mars 2020 Rover 的車輪是單獨機動的，由鈦管制成，有助于牢牢抓住這顆紅色星球的惡劣地形。

●機器人需要控制和驅(qū)動機器的電氣元件。從本質(zhì)上講，需要電流——例如電池——來為絕大多數(shù)機器人供電。

●機器人至少包含一定程度的計算機編程。如果沒有一組代碼告訴它該做什么，機器人將只是另一臺簡單的機器。將程序插入機器人使其能夠知道何時以及如何執(zhí)行任務。

隨著人工智能和軟件也在不斷進步，我們一定會早日看到機器人行業(yè)的前景。在不久的將來，由于這些技術(shù)的進步，機器人將繼續(xù)變得更智能、更靈活和更節(jié)能。他們還將繼續(xù)成為智能工廠的主要焦點，在那里他們將迎接更艱巨的挑戰(zhàn)并幫助確保全球供應鏈的安全。

機器人行業(yè)充滿了科幻小說曾經(jīng)只能夢想的令人欽佩的進步承諾。從我們海洋的最深處到數(shù)千英里的外太空，人們會發(fā)現(xiàn)機器人正在執(zhí)行人類無法單獨完成的任務。

機器人定義的來源

機器人這個詞來源于捷克語robota，意思是“強迫勞動”。這個詞最早出現(xiàn)在 1920 年的戲劇RUR中，指的是該劇中的大量生產(chǎn)的沒有創(chuàng)造性思維的工人。

（2）機器人的類型

機械機器人有各種形狀和大小，可以有效地執(zhí)行它們設(shè)計的任務。所有機器人的設(shè)計、功能和自主程度各不相同。從0.2 毫米長的“RoboBee”到 200 米長的機器人運輸船“Vindskip”，機器人正在興起，以執(zhí)行人類根本無法完成的任務。

有五種不同類型的機器人根據(jù)其能力執(zhí)行任務。以下是這些類型的概述以及它們的作用。

●預編程機器人

預編程的機器人在受控環(huán)境中運行，它們執(zhí)行簡單、單調(diào)的任務。預編程機器人的一個例子是汽車裝配線上的機械臂。手臂有一個功能——焊接一扇門，將某個部件插入發(fā)動機等——它的工作是比人類更長時間、更快、更有效地執(zhí)行這項任務。

●人形機器人

類人機器人是看起來像或模仿人類行為的機器人。這些機器人通常執(zhí)行類似人類的活動（如跑步、跳躍和搬運物體），有時被設(shè)計成看起來像我們，甚至具有人臉和表情。類人機器人最突出的兩個例子是Hanson Robotics 的 Sophia和 Boston Dynamics 的Atlas。

●自主機器人

自主機器人獨立于人類操作員運行。這些機器人通常設(shè)計用于在不需要人工監(jiān)督的開放環(huán)境中執(zhí)行任務。它們非常獨特，因為它們使用傳感器感知周圍的世界，然后使用決策結(jié)構(gòu)（通常是計算機）根據(jù)其數(shù)據(jù)和任務采取最佳下一步。自主機器人的一個例子是 Roomba 真空吸塵器，它使用傳感器在整個家庭中自由漫游。

自主機器人的分類

清潔機器人（例如 Roomba）

草坪修剪機器人

醫(yī)療機器人

自主無人機

醫(yī)療助理機器人

物流機器人

●遙控機器人

遙控機器人是半自主機器人，它使用無線網(wǎng)絡(luò)在安全距離內(nèi)實現(xiàn)人類控制。這些機器人通常在極端的地理條件、天氣和環(huán)境下工作。遙控機器人的例子是用于在 BP 石油泄漏期間修復水下管道泄漏的人工控制的潛艇或用于在戰(zhàn)場上探測地雷的無人機。

●增強現(xiàn)實機器人

增強現(xiàn)實型機器人，也稱為VR 機器人，要么增強當前人類的能力，要么取代人類可能失去的能力。用于人類增強的機器人領(lǐng)域是一個科幻小說很快就會成為現(xiàn)實的領(lǐng)域，機器人能夠通過讓人類變得更快、更強壯來重新定義人類的定義。當前增強機器人的一些例子是用于舉重的機器人假肢或外骨骼。

什么是軟件機器人？

軟件機器人，也稱為機器人，是自主執(zhí)行任務的計算機程序。軟件機器人的一個常見用例是聊天機器人。聊天機器人是一種計算機程序，可以模擬在線和電話對話，通常用于客戶服務場景。聊天機器人可以是通過自動響應回答問題的簡單服務，也可以是從用戶信息中學習的更復雜的數(shù)字助理。

軟件機器人類型

●聊天機器人：通常在客戶服務環(huán)境中進行簡單的對話。

●垃圾郵件機器人：收集電子郵件地址并發(fā)送垃圾郵件。

●下載機器人：自動下載軟件和應用程序。

●搜索引擎爬蟲機器人：掃描網(wǎng)站并使其在搜索引擎上可見。

●監(jiān)控機器人：報告網(wǎng)站速度和狀態(tài)。

軟件機器人僅存在于互聯(lián)網(wǎng)上并且源自計算機，這意味著它們不被視為機器人。為了被視為機器人，設(shè)備必須具有物理形式，例如身體或底盤。

（3）機器人如何工作？

獨立機器人

獨立機器人能夠完全自主地運行并且獨立于人類操作員控制。這些通常需要更密集的編程，但允許機器人在執(zhí)行危險、平凡或其他不可能的任務時取代人類，從炸彈擴散和深海旅行到工廠自動化。事實證明，獨立機器人對社會最具破壞性，因為它們消除了某些工作，但也帶來了新的增長可能性。

依賴型機器人

依賴型機器人是與人類交互以增強和補充其現(xiàn)有動作的非自主機器人。這是一種相對較新的技術(shù)形式，并且正在不斷擴展到新的應用中，但是已經(jīng)實現(xiàn)的一種依賴機器人形式是由人類思維控制的高級假肢。

美國約翰霍普金斯大學 APL 公司于 2018 年為一名肘部以上截肢的患者約翰尼馬西尼創(chuàng)建了一個著名的依賴機器人示例。Matheny 配備了模塊化假肢，因此研究人員可以持續(xù)研究其使用情況。MPL 是通過肌電圖或從控制假肢的截肢發(fā)出的信號來控制的。隨著時間的推移，Matheny 在控制 MPL 方面變得更加高效，從截肢發(fā)出的信號變得更小，變化更少，從而提高了動作的準確性，讓 Matheny 能夠執(zhí)行像彈鋼琴一樣微妙的任務。

機器人的主要部件是什么？

機器人旨在為各種需求提供解決方案并實現(xiàn)多種不同的目的，因此需要各種專門的組件來完成這些任務。

機器人的主要部件有哪些？

控制系統(tǒng)：在高層次上指揮機器人任務的 CPU。

傳感器：提供電信號以允許機器人與世界交互的組件。

執(zhí)行器：負責機器人運動的電機部件。

電源：為機器人供電的電池。

末端執(zhí)行器：機器人完成任務的外部特征。

但是，每個機器人的構(gòu)造都有幾個核心組件，例如電源或中央處理單元。一般來說，機器人組件分為以下五類：

控制系統(tǒng)

計算包括構(gòu)成機器人中央處理單元的所有組件，通常稱為其控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)被編程為告訴機器人如何利用其特定組件，在某些方面類似于人類大腦如何在全身發(fā)送信號，以完成特定任務。這些機器人任務可以包括從微創(chuàng)手術(shù)到裝配線包裝的任何事情。

傳感器

傳感器以電信號的形式為機器人提供刺激，這些刺激由控制器處理并允許機器人與外界交互。機器人中常見的傳感器包括充當眼睛的攝像機、對光做出反應的光敏電阻以及像耳朵一樣工作的麥克風。這些傳感器允許機器人捕捉其周圍環(huán)境并根據(jù)當前時刻處理最合乎邏輯的結(jié)論，并允許控制器將命令中繼到其他組件。

執(zhí)行器

只有具有可移動框架或主體的設(shè)備才能被視為機器人。執(zhí)行器是負責此運動的組件。這些組件由電機組成，這些電機接收來自控制系統(tǒng)的信號并串聯(lián)移動以執(zhí)行完成分配任務所需的運動。執(zhí)行器可以由多種材料制成，例如金屬或彈性材料，通常使用壓縮空氣（氣動執(zhí)行器）或油（液壓執(zhí)行器）進行操作，但有多種形式以最好地發(fā)揮其特殊作用。

電源

就像人體需要食物才能發(fā)揮作用一樣，機器人也需要動力。固定式機器人，例如在工廠中發(fā)現(xiàn)的機器人，可以通過墻壁插座使用交流電源運行，但更常見的是，機器人通過內(nèi)部電池運行。大多數(shù)機器人使用鉛酸電池是因為它們的安全品質(zhì)和較長的保質(zhì)期，而其他機器人可能會使用更緊湊但也更昂貴的銀鎘電池。安全性、重量、可更換性和生命周期都是設(shè)計機器人電源時需要考慮的重要因素。

未來機器人發(fā)展的一些潛在動力還包括壓縮氣體的氣動動力、太陽能、水力動力、通過厭氧消化和核能的飛輪儲能有機垃圾。

末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是物理的，通常是外部組件，允許機器人完成任務。工廠中的機器人通常具有可互換的工具，例如噴漆器和鉆頭，手術(shù)機器人可能配備手術(shù)刀，其他類型的機器人可以用抓爪甚至雙手制造，以完成交付、包裝、炸彈擴散等任務。

（4）機器人技術(shù)應用案例

機器人正在迅速滲透到我們生活的方方面面，包括在家中。|圖片：SHUTTERSTOCK

機器人的用途

機器人有各種各樣的用例，使它們成為未來的理想技術(shù)。很快，我們幾乎會在任何地方看到機器人。我們會在醫(yī)院、酒店甚至道路上看到它們。

機器人技術(shù)的應用；

保護：撲滅森林火災。

制造業(yè)：在工廠工作，在倉庫中尋找和搬運物品。

陪伴：為老年人提供陪伴。

醫(yī)療保健：協(xié)助外科手術(shù)。

交付：完成食品交付和最后一英里的履行。

家庭：吸塵和割草。

救援：承擔自然災害后的搜救任務。

軍事行動：在戰(zhàn)區(qū)探測地雷。

制造業(yè)機器人

制造業(yè)可能是最古老、最知名的機器人用戶。這些機器人和協(xié)作機器人（與人類一起工作的機器人）可以有效地測試和組裝產(chǎn)品，例如汽車和工業(yè)設(shè)備。據(jù)估計，目前有超過 300 萬臺工業(yè)機器人在使用中。

物流機器人

運輸、搬運和質(zhì)量控制機器人正在成為大多數(shù)零售商和物流公司的必備品。因為我們現(xiàn)在希望我們的包裹能夠以極快的速度送達，物流公司在倉庫甚至路上都使用機器人，以幫助最大限度地提高時間效率。現(xiàn)在，有機器人將您的物品從貨架上取下，將它們運送到倉庫地板上并包裝它們。此外，最后一英里機器人（自動將您的包裹送到您家門口的機器人）的興起確保您在不久的將來與物流機器人進行面對面的接觸。

家用機器人

這不再是科幻小說了。機器人隨處可見，幫助我們做家務，提醒我們的日程安排，甚至娛樂我們的孩子。家用機器人最著名的例子是自動吸塵器Roomba。此外，機器人現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到可以做從自動割草到清潔水池的所有事情。

旅行機器人

還有什么比自動駕駛汽車更像科幻小說的嗎？這些自動駕駛汽車不再只是想象。自動駕駛汽車結(jié)合了數(shù)據(jù)科學和機器人技術(shù)，正在風靡全球。特斯拉、福特、Waymo、大眾和寶馬等公司都在致力于下一波旅行，讓我們高枕無憂，享受旅程。拼車公司 Uber 和 Lyft 也在開發(fā)不需要人工操作的自動拼車車輛。

醫(yī)療機器人 

機器人在醫(yī)療保健行業(yè)取得了長足的進步。這些機械奇跡幾乎用于醫(yī)療保健的各個方面，從機器人輔助手術(shù)到幫助人類從物理治療中的損傷中恢復過來的機器人。醫(yī)療保健機器人的例子有豐田的醫(yī)療保健助手，它可以幫助人們恢復行走能力，而 TUG 是一種機器人，設(shè)計用于在醫(yī)院內(nèi)自主行走并提供從藥品到干凈床單的所有物品。

制藥公司已使用機器人來幫助對抗 COVID-19。這些機器人現(xiàn)在被用于填充和密封 COVID-19 測試拭子，一些制造商也使用這些機器人來生產(chǎn) PPE 和呼吸器。

（5） 機器人的歷史

圖片：SHUTTERSTOCK

機器人史

自從古代文明將“思考機器”的神話和信仰融入他們的社會并發(fā)明了水鐘以來，人們就一直在思考機器人。自希臘人、羅馬人和埃及人時代以來，機器人技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，但其歷史悠久。以下是塑造機器人歷史的一些最重要的事件。

1700年代

(1737) Jacques de Vaucanson 制造了第一個有記錄的生物力學自動機。稱為長笛播放器的機械裝置可播放 12 首歌曲。

1920 年代

(1920) “機器人”一詞首次出現(xiàn)在卡雷爾·卡佩克的戲劇《RUR 機器人》中，源自捷克語“robota”，意思是“強迫勞動”。

(1926) 第一個電影機器人出現(xiàn)在大都會。

1930 年代

(1936) Alan Turing 發(fā)表了“關(guān)于可計算數(shù)”的論文，該論文介紹了稱為圖靈機的理論計算機的概念。

1940 年代

(1948)麻省理工學院教授諾伯特·維納 (Norbert Wiener) 出版了《控制論》或《動物中的控制與交流》 。這本書談到了電子、機械和生物系統(tǒng)中的通信和控制的概念。

(1949) 神經(jīng)生理學家和發(fā)明家威廉·格雷·沃爾特介紹了 Elmer 和 Elsie，這是一對看起來像烏龜?shù)碾姵毓╇姍C器人。機器人移動物體，找到光源并找到返回充電站的路。

1950 年代

(1950) 艾薩克·阿西莫夫出版了機器人三定律。

(1950) Alan Turing 發(fā)表論文“計算機與智能”，提出了現(xiàn)在稱為圖靈測試的方法，一種確定機器是否智能的方法。

1960 年代

(1961) 第一個機械臂在通用汽車工廠工作。手臂舉起和堆疊金屬部件，并遵循大約 200 次運動的程序。這只手臂是由喬治·德沃爾和他的搭檔約瑟夫·恩格爾伯格創(chuàng)造的。

(1969) Victor Scheinman 發(fā)明了斯坦福手臂，這是一種具有六個關(guān)節(jié)的機械臂，可以模仿人類手臂的運動。它是最早設(shè)計為由計算機控制的機器人之一。

1970 年代

(1972) 斯坦福研究所的一組工程師創(chuàng)造了第一個使用人工智能的機器人 Shakey。Shakey 通過觀察其環(huán)境并制定計劃來完成任務。機器人使用傳感器、測距儀和觸摸感應設(shè)備來計劃其動作。

(1978) 自動化研究員 Hiroshi Makino 設(shè)計了一個四軸 SCARA 機械臂。被稱為第一個“拾取和放置”機器人，手臂被編程為拾起物體，轉(zhuǎn)動并將其放置在另一個位置。

1980 年代

(1985) 機器人輔助外科手術(shù)的首次記錄使用使用 PUMA 560 機器人手術(shù)臂。

(1985) William Whittaker 制造了兩個遙控機器人，這些機器人被送到三哩島核電站。機器人在受損反應堆大樓的地下室工作，調(diào)查現(xiàn)場，發(fā)回信息并鉆取核心樣本以測量輻射水平。

(1989) 麻省理工學院的研究人員 Rodney Brooks 和 AM Flynn 發(fā)表了《快速、廉價和失控：機器人入侵太陽系》。該論文主張建造許多小型、廉價的機器人，而不是少數(shù)大型、昂貴的機器人。

1990 年代

(1990) 麻省理工學院的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了 Roomba 吸塵器背后的公司 iRobot。

(1992) 麻省理工學院的另一位研究員 Marc Raibert 創(chuàng)立了機器人公司波士頓動力公司。

(1997) 旅居者登陸火星。這輛自由漫游的漫游者向地球發(fā)送了 23 億位數(shù)據(jù)，其中包括 17,000 多張圖像、15 次巖石和土壤的化學分析以及有關(guān)火星天氣的大量數(shù)據(jù)。

(1998) Tiger Electronics開發(fā)的機器人玩具寵物Furby發(fā)布并最終銷售數(shù)千萬臺。Furbys 被預先編程為會說胡言亂語并隨著時間的推移學習其他語言。

(1999) 由人工智能驅(qū)動的機器小狗 Aibo 進入商業(yè)市場。由索尼開發(fā)的機器狗會對聲音做出反應，并具有一些預編程的行為。

2000 年代

(2000) Cynthia Breazeal 創(chuàng)造了一個機器人頭部，通過編程來激發(fā)情緒并對情緒做出反應。這款名為 Kismet 的機器人由 21 個電機、音頻傳感器和算法組成，用于理解人聲。

(2000) 索尼推出了人形機器人索尼夢想機器人，這是一種雙足人形娛樂機器人，它開發(fā)和銷售但從未銷售過。

(2001) iRobot 的 PackBot 在 9 月 11 日之后搜索世界貿(mào)易中心網(wǎng)站。

(2002) iRobot 創(chuàng)建了 Roomba。真空機器人是第一個在商業(yè)領(lǐng)域受到公眾歡迎的機器人。

(2003) Mick Mountz 和 Amazon Robotics（前身為 Kiva Systems）的聯(lián)合創(chuàng)始人發(fā)明了 Kiva 機器人。機器人在倉庫周圍移動并移動貨物。

(2004) 波士頓動力公司推出了 BigDog，這是一種由人類控制的四足機器人。該機器人以比以前的機器人迭代更靈活而聞名，因為它一次只能有兩只腳在地面上。它有 50 個傳感器和一個控制步態(tài)并保持穩(wěn)定的車載計算機。

(2004) 國防部的國防高級研究計劃局設(shè)立了 DARPA 大挑戰(zhàn)。旨在激發(fā)軍用自動駕駛汽車技術(shù)創(chuàng)新的自動駕駛汽車競賽。

(2005) 名為 Stanley 的大眾途銳贏得了第二屆 DARPA 大挑戰(zhàn)賽。這輛車使用根據(jù)現(xiàn)實世界人類駕駛習慣訓練的人工智能和五個激光雷達激光傳感器，在莫哈韋沙漠完成了 131.2 英里的路線。

2010年代

（2011 年）美國宇航局和通用汽車公司合作將機器人 2 號（Robonaut 2），一個人性化的機器人助手，通過發(fā)現(xiàn)號航天飛機送入太空。機器人成為國際空間站的永久居民。

(2013) 波士頓動力公司發(fā)布了 Atlas，這是一種人形雙足機器人，它使用 28 個液壓關(guān)節(jié)來模仿人類運動——包括執(zhí)行后空翻。

(2012) 內(nèi)華達州頒發(fā)了第一張自動駕駛汽車牌照。這輛車是用谷歌開發(fā)的技術(shù)改裝的豐田普銳斯。

(2014) 加拿大研究人員開發(fā)了搭便車機器人，作為社會實驗的一部分，搭便車穿越加拿大和歐洲。

（2016 年）Sophia，一個被稱為第一個機器人公民的人形機器人，由 Hanson Robotics 創(chuàng)建。該機器人能夠進行面部識別、語言交流和面部表情。

2020年代

(2020) 機器人用于分發(fā) COVID-19 測試和疫苗接種。

(2020) 384,000 臺工業(yè)機器人運往全球各地，以執(zhí)行各種制造和倉庫工作。

(2021) 自動駕駛汽車公司 Cruise 在舊金山進行了前兩次自動駕駛出租車測試。