機器人到底是什么？很多人會將機器人與科幻電影中的，“變形金剛”“終結者”聯想到一起，是外表酷炫，能力巨大的高科技產物。其實，如果你深入機器人行業，你會發現，機器人其實并不是如此，接下來，這篇文章將教會您一文讀懂機器人！并了解機器人是如何完成任務的。

從本質上講，機器人是由人類制造的“動物”，它們是模仿人類和動物行為的機器。機器人的組成部分與人類極為類似，一個典型的機器人有一套可移動的身體結構、一部類似于馬達的裝置、一套傳感系統、一個電源和一個用來控制所有這些要素的計算機“大腦”。

機器人的定義范圍很廣泛，大到工廠服務的工業機器人，小到居家打掃機器人。按照目前最寬泛的定義，如果某樣東西被許多人認為是機器人，那么它就是機器人。許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種更為精準的定義。他們規定，機器人應具有可重新編程的大腦（一臺計算機）用來移動身體。

根據這一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同之處在于它的計算機要素。機器人在物理特性方面與普通計算機不同，它們各自連接一個身體，而普通計算機則不然。

一、機器人的共同特性

首先，幾乎所有機器人都有一個可移動的身體。有些只是機動化的輪子，有些是大量可移動部件，這些部件一般是由金屬或塑料制成，這些獨立部件是由關節連接的。

機器人的輪與軸是用某種傳動裝置連接起來的。有些機器人使用馬達和螺線管作為傳動裝置；另一些則使用液壓系統；還有一些使用氣動系統（由壓縮氣體驅動的系統）。機器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。

其次，機器人需要一個能量源來驅動這些傳動裝置。大多數機器人會使用電池或墻上的電源插座來供電。此外，液壓機器人還需要一個泵來為液體加壓，而氣動機器人則需要氣體壓縮機或壓縮氣罐。

所有傳動裝置都通過導線與一塊電路相連。該電路直接為電動馬達和螺線圈供電，并操縱電子閥門來啟動液壓系統。閥門可以控制承壓流體在機器內流動的路徑。比如說，如果機器人要移動一只由液壓驅動的腿，它的控制器會打開一只閥門，這只閥門由液壓泵通向腿上的活塞筒。承壓流體將推動活塞，使腿部向前旋轉。通常，機器人使用可提供雙向推力的活塞，以使部件能向兩個方向活動。

機器人的計算機可以控制與電路相連的所有部件。為了使機器人動起來，計算機會打開所有需要的馬達和閥門。大多數機器人是可重新編程的。如果要改變某部機器人的行為，您只需將一個新的程序寫入它的計算機即可。

并非所有的機器人都有傳感系統。很少有機器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺。機器人擁有的最常見的一種感覺是運動感，也就是它監控自身運動的能力。在標準設計中，機器人的關節處安裝著刻有凹槽的輪子。在輪子的一側有一個發光二極管，它發出一道光束，穿過凹槽，照在位于輪子另一側的光傳感器上。當機器人移動某個特定的關節時，有凹槽的輪子會轉動。在此過程中，凹槽將擋住光束。

光學傳感器讀取光束閃動的模式，并將數據傳送給計算機。計算機可以根據這一模式準確地計算出關節已經旋轉的距離。計算機鼠標中使用的基本系統與此相同。

以上這些是機器人的基本組成部分。機器人專家有無數種方法可以將這些元素組合起來，從而制造出無限復雜的機器人。機器臂是最常見的設計之一。

二、機器人是如何工作的

世界上的機器人大多用來從事繁重的重復性制造工作。它們負責那些對人類來說非常困難、危險或枯燥的任務。

最常見的制造業機器人是機械臂

一部典型的機器臂由七個金屬部件構成，它們是用六個關節接起來的。計算機將旋轉與每個關節分別相連的步進式馬達，以便控制機器人（某些大型機器臂使用液壓或氣動系統）。

與普通馬達不同，步進式馬達會以增量方式精確移動。這使計算機可以精確地移動機器臂，使機器臂不斷重復完全相同的動作。機器人利用運動傳感器來確保自己完全按正確的量移動。

這種帶有六個關節的工業機器人與人類的手臂極為相似，它具有相當于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安裝在一個固定的基座結構（而不是移動的身體）上。這種類型的機器人有六個自由度，也就是說，它能向六個不同的方向轉動。與之相比，人的手臂有七個自由度。

工業機器人專門用來在受控環境下反復執行完全相同的工作。例如，某部機器人可能會負責給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工作，程序員會用一只手持控制器來引導機器臂完成整套動作。機器人將動作序列準確地存儲在內存中，此后每當裝配線上有新的罐子傳送過來時，它就會反復地做這套動作。

大多數工業機器人在汽車裝配線上工作，負責組裝汽車。在進行大量的此類工作時，機器人的效率比人類高得多，因為它們非常精確。無論它們已經工作了多少小時，它們仍能在相同的位置鉆孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機器人在計算機產業中也發揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來。

機器臂的制造和編程難度相對較低，因為它們只在一個有限的區域內工作。如果您要把機器人送到廣闊的外部世界，事情就變得有些復雜了。

首要的難題是為機器人提供一個可行的運動系統。如果機器人只需要在平地上移動，輪子或軌道往往是最好的選擇。如果輪子和軌道足夠寬，它們還適用于較為崎嶇的地形。但是機器人的設計者往往希望使用腿狀結構，因為它們的適應性更強。制造有腿的機器人還有助于使研究人員了解自然運動學的知識，這在生物研究領域是有益的實踐。

機器人的腿通常是在液壓或氣動活塞的驅動下前后移動的。各個活塞連接在不同的腿部部件上，就像不同骨骼上附著的肌肉。若要使所有這些活塞都能以正確的方式協同工作，這無疑是一個難題。在嬰兒階段，人的大腦必須弄清哪些肌肉需要同時收縮才能使得在直立行走時不致摔倒。同理，機器人的設計師必須弄清與行走有關的正確活塞運動組合，并將這一信息編入機器人的計算機中。許多移動型機器人都有一個內置平衡系統（如一組陀螺儀），該系統會告訴計算機何時需要校正機器人的動作。

兩足行走的運動方式本身是不穩定的，因此在機器人的制造中實現難度極大。為了設計出行走更穩的機器人，設計師們常會將眼光投向動物界，尤其是昆蟲。昆蟲有六條腿，它們往往具有超凡的平衡能力，對許多不同的地形都能適應自如。

某些移動型機器人是遠程控制的，人類可以指揮它們在特定的時間從事特定的工作。遙控裝置可以使用連接線、無線電或紅外信號與機器人通信。遠程機器人常被稱為傀儡機器人，它們在探索充滿危險或人類無法進入的環境（如深海或火山內部）時非常有用。有些機器人只是部分受到遙控。例如，操作人員可能會指示機器人到達某個特定的地點，但不會為它指引路線，而是任由它找到自己的路。

NASA研發可遠程控制的太空機器人R2

自動機器人可以自主行動，無需依賴于任何控制人員。其基本原理是對機器人進行編程，使之能以某種方式對外界刺激做出反應。極其簡單的碰撞反應機器人可以很好地詮釋這一原理。

這種機器人有一個用來檢查障礙物的碰撞傳感器。當您啟動機器人后，它大體上是沿一條直線曲折行進的。當它碰到障礙物時，沖擊力會作用在它的碰撞傳感器上。每次發生碰撞時，機器人的程序會指示它后退，再向右轉，然后繼續前進。按照這種方法，機器人只要遇到障礙物就會改變它的方向。

高級機器人會以更精巧的方式運用這一原理。機器人專家們將開發新的程序和傳感系統，以便制造出智能程度更高、感知能力更強的機器人。如今的機器人可以在各種環境中大展身手。

較為簡單的移動型機器人使用紅外或超聲波傳感器來感知障礙物。這些傳感器的工作方式類似于動物的回聲定位系統：機器人發出一個聲音信號（或一束紅外光線），并檢測信號的反射情況。機器人會根據信號反射所用的時間計算出它與障礙物之間的距離。

較高級的機器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個攝像頭可以為機器人提供深度感知，而圖像識別軟件則使機器人有能力確定物體的位置，并辨認各種物體。機器人還可以使用麥克風和氣味傳感器來分析周圍的環境。

某些自動機器人只能在它們熟悉的有限環境中工作。例如，割草機器人依靠埋在地下的界標確定草場的范圍。而用來清潔辦公室的機器人則需要建筑物的地圖才能在不同的地點之間移動。

較高級的機器人可以分析和適應不熟悉的環境，甚至能適應地形崎嶇的地區。這些機器人可以將特定的地形模式與特定的動作相關聯。例如，一個漫游車機器人會利用它的視覺傳感器生成前方地面的地圖。如果地圖上顯示的是崎嶇不平的地形模式，機器人會知道它該走另一條道。這種系統對于在其他行星上工作的探索型機器人是非常有用的。

有一套備選的機器人設計方案采用了較為松散的結構，引入了隨機化因素。當這種機器人被卡住時，它會向各個方向移動附肢，直到它的動作產生效果為止。它通過力傳感器和傳動裝置緊密協作完成任務，而不是由計算機通過程序指導一切。這和螞蟻嘗試繞過障礙物時有相似之處：螞蟻在需要通過障礙物時似乎不會當機立斷，而是不斷嘗試各種做法，直到繞過障礙物為止。

三、人工智能

人工智能(AI)無疑是機器人學中最令人興奮的領域，無疑也是最有爭議的：所有人都認為，機器人可以在裝配線上工作，但對于它是否可以具有智能則存在分歧。

終極的人工智能是對人類思維過程的再現，即一部具有人類智能的人造機器。人工智能包括學習任何知識的能力、推理能力、語言能力和形成自己的觀點的能力。目前機器人專家還遠遠無法實現這種水平的人工智能，但他們已經在有限的人工智能領域取得了很大進展。如今，具有人工智能的機器已經可以模仿某些特定的智能要素。

計算機已經具備了在有限領域內解決問題的能力。用人工智能解決問題的執行過程很復雜，但基本原理卻非常簡單。首先，人工智能機器人或計算機會通過傳感器（或人工輸入的方式）來收集關于某個情景的事實。計算機將此信息與已存儲的信息進行比較，以確定它的含義。計算機會根據收集來的信息計算各種可能的動作，然后預測哪種動作的效果最好。當然，計算機只能解決它的程序允許它解決的問題，它不具備一般意義上的分析能力。象棋計算機就是此類機器的一個范例。

某些現代機器人還具備有限的學習能力。學習型機器人能夠識別某種動作（如以某種方式移動腿部）是否實現了所需的結果（如繞過障礙物）。機器人存儲此類信息，當它下次遇到相同的情景時，會嘗試做出可以成功應對的動作。同樣，現代計算機只能在非常有限的情景中做到這一點。它們無法像人類那樣收集所有類型的信息。一些機器人可以通過模仿人類的動作進行學習。

人工智能的真正難題在于理解自然智能的工作原理。開發人工智能與制造人造心臟不同，科學家手中并沒有一個簡單而具體的模型可供參考。我們知道，大腦中含有上百億個神經元，我們的思考和學習是通過在不同的神經元之間建立電子連接來完成的。但是我們并不知道這些連接如何實現高級的推理能力，甚至對低層次操作的實現原理也并不知情。大腦神經網絡似乎復雜得不可理解。

因此，人工智能在很大程度上還只是理論。科學家們針對人類學習和思考的原理提出假說，然后利用機器人來實驗他們的想法。

正如機器人的物理設計是了解動物和人類解剖學的便利工具，對人工智能的研究也有助于理解自然智能的工作原理。對于某些機器人專家而言，這種見解是設計機器人的終極目標。其他人則在幻想一個人類與智能機器共同生活的世界，在這個世界里，人類使用各種小型機器人來從事手工勞動、健康護理和通信。許多機器人專家預言，機器人的進化最終將使我們徹底成為半機器人，即與機器融合的人類。有理由相信，未來的人類會將他們的思想植入強健的機器人體內，活上幾千年的時間！

無論如何，機器人都會在我們未來的日常生活中扮演重要的角色。在未來的幾十年里，機器人將逐漸擴展到工業和科學之外的領域，進入日常生活，這與計算機在20世紀80年代開始逐漸普及到家庭的過程類似。

編輯：黃飛

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