機器人學是一個跨學科的科學和工程領域，致力于機械機器人的設計、建造和使用。我們的指南將讓您具體掌握機器人技術，包括不同類型的機器人以及它們如何在各個行業(yè)中得到應用。

（1）機器人概述

機器人技術是一個跨學科領域，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？

機器人技術是科學、工程和技術的交叉領域，它生產機器，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。

隨著技術的進步，被認為是機器人技術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、協助執(zhí)法、簡化外科手術和執(zhí)行救援任務等任務。

機器人定義

雖然機器人技術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構組成。機器人的機械方面有助于它在其設計的環(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動機器的電氣元件。從本質上講，需要電流——例如電池——來為絕大多數機器人供電。

●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千英里的外太空，人們會發(fā)現機器人正在執(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”。這個詞最早出現在 1920 年的戲劇RUR中，指的是該劇中的大量生產的沒有創(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)行它們設計的任務。所有機器人的設計、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，然后使用決策結構（通常是計算機）根據其數據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，它使用無線網絡在安全距離內實現人類控制。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。

●增強現實機器人

增強現實型機器人，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域是一個科幻小說很快就會成為現實的領域，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：掃描網站并使其在搜索引擎上可見。

●監(jiān)控機器人：報告網站速度和狀態(tài)。

軟件機器人僅存在于互聯網上并且源自計算機，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有動作的非自主機器人。這是一種相對較新的技術形式，并且正在不斷擴展到新的應用中，但是已經實現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：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

計算包括構成機器人中央處理單元的所有組件，通常稱為其控制系統。控制系統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)境并根據當前時刻處理最合乎邏輯的結論，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的信號并串聯移動以執(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，機器人通過內部電池運行。大多數機器人使用鉛酸電池是因為它們的安全品質和較長的保質期，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，手術機器人可能配備手術刀，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。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?。簠f助外科手術。

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品，例如汽車和工業(yè)設備。據估計，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、搬運和質量控制機器人正在成為大多數零售商和物流公司的必備品。因為我們現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，機器人現在已經發(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。自動駕駛汽車結合了數據科學和機器人技術，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，設計用于在醫(yī)院內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 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在大都會。

1930 年代

(1936) Alan Turing 發(fā)表了“關于可計算數”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、機械和生物系統中的通信和控制的概念。

(1949) 神經生理學家和發(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的電池供電機器人。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節(jié)的機械臂，可以模仿人類手臂的運動。它是最早設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備來計劃其動作。

(1978) 自動化研究員 Hiroshi Makino 設計了一個四軸 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的首次記錄使用使用 PUMA 560 機器人手術臂。

(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，調查現場，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 億位數據，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火星天氣的大量數據。

(1998) Tiger Electronics開發(fā)的機器人玩具寵物Furby發(fā)布并最終銷售數千萬臺。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 日之后搜索世界貿易中心網站。

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

(2003) Mick Mountz 和 Amazon Robotics（前身為 Kiva Systems）的聯合創(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立了 DARPA 大挑戰(zhàn)。旨在激發(fā)軍用自動駕駛汽車技術創(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。這輛車使用根據現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 個液壓關節(jié)來模仿人類運動——包括執(zhí)行后空翻。

(2012) 內華達州頒發(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。