机器人原理及应用，盘点机器人技术的发展趋势

好多人一听到“机器人”这三个字脑中便会闪过“外观设计炫酷”、“功能齐全”、“高档”等这些词，觉得机器人就跟科幻片中的“终极者”一样高档酷炫。其实不是，在本文中，我们将要讨论机器人学的基本要素，并了解机器人是怎样进行它们任务的。

一、机器人的构成部分

从最基本层面来看，身体包含五个关键构成部分：

• 身体构造
• 肌肉系统，用于挪动身体构造
• 感官系统，用于接受相关身体和周边环境的数据
• 能量，用于给肌肉和感观提供能量
• 大脑系统，用于解决感观信息和指引肌肉运动

自然，人们还有一些无形的特点，如智能化和道德，但单纯的mac层表面，此目录已经相当完善了。

机器人的构成部分与人类极其类似。一个最典型的机器人有一套可移动身体构造、一部类似电机装置、一套传感器体系、一个开关电源和一个用于操纵所有这些要素的计算机“人的大脑”。从本质上讲，机器人是通过人们制造出来的“小动物”，它们是效仿人类和动物行为的机器。

仿生技术澳洲袋鼠机器人

机器人的定义范围很广，从大到工厂提供服务的工业生产机器人，小到家居清扫机器人。按照目前最广泛的定义，假如某样东西被许多人认为是机器人，那样它就是机器人。很多机器人权威专家（生产制造机器人得人）应用的是一种更加精确的界定。她们要求，机器人应具有可再次程序编写的大脑（一台计算机），用于挪动身体。

依据这一界定，机器人与其它可移动机器（如车辆）的不同之处取决于它们计算机因素。很多新型汽车都是有一台车载式计算机，但只是用它来做微小的调节。驾驶人员通过一些机械装置直接控制汽车的大部分构件。而机器人在物理特征层面与普通的计算机不一样，他们分别连接着一个身体，而普通计算机则不然。

大部分机器人的确有着一些共同的特点

最先，绝大多数机器人都有一个能够移动的身体。有一些有着的只是机动化的车轮子，而有些则有着很多可移动构件，这种构件一般是由金属材料或塑胶制作而成的。与骨骼类似，这种独立构件要用骨关节相互连接的。

机器人的轮与轴要用某类传动系统相互连接的。有一些机器人应用电机和磁感线做为传动系统；另一些则应用液压传动系统；还有一些应用气动系统（由压缩空气驱动的系统软件）。机器人可以用以上一切类别的传动系统。

次之，机器人需要一个能量来推动这种传动系统。大部分机器人会使用充电电池或墙上的电源插头来供电系统。除此之外，液压机机器人还要一个泵来给液态充压，而气动式机器人则需气体压缩机或压缩气罐。

全部传动系统都通过输电线与一块电源电路相接。该线路立即为电机马达和螺电磁线圈供电系统，并控制电子阀门来运行液压传动系统。闸阀可以控制承受压力液体在机器内流动性的路径。例如，假如机器人要挪动一只由液压驱动的腿，它控制板会开启一只闸阀，这头闸阀由液压油泵通往腿上的活塞筒。承受压力液体将推动活塞杆，使小腿往前转动。一般，机器人应用可提供双重推动力的活塞杆，以便构件能向两个方向主题活动。

机器人的计算机能够控制与电源电路相连的全部构件。为使机器人运动起来，计算机会开启全部所需要的电机和闸阀。大部分机器人是可以再次程序编写的。如果想更改某旅机器人的举动，您只需将一个新的程序流程载入它计算机就可以。

并非所有的机器人都是有传感器系统软件。极少有机器人具备视觉效果、听觉系统、触觉或味蕾。机器人所拥有的最常见的一种感觉运动风格，其实就是它监管本身健身运动能力。在技术标准中，机器人的关节处组装着刻着凹形槽的车轮子。在车轮子的一侧有一个发光二极管，它传出一道光线，越过凹形槽，照在坐落于车轮子另一侧的光线传感器上。当机器人挪动某一特定骨关节时，有凹形槽的车轮子会旋转。在这个过程中，凹形槽将阻挡光线。光学传感器载入光线闪烁的方式，并把数据传送给计算机。计算机也可以根据这一方式清晰地计算出骨关节早已旋转间距。计算机电脑鼠标中使用的基本系统与其同样。

以上这些是机器人的最基本构成部分。机器人权威专家有许多种方法可以把这些元素组合下去，进而创造出无尽繁杂的机器人。机器臂是最常见的设计方案之一。

二、机器人是怎样工作的

英语里“机器人”(Robot)这一专业术语来自于捷克语英语单词robota，一般译者“强制性员工”。用它来叙述大部分机器人是十分贴切的。世界上机器人大多数用于从业繁重的可重复性生产制造工作中。这些承担这些对人类而言很困难、风险或枯燥的每日任务。

最常见生产制造类机器人是机器臂。一部最典型的机器臂由七个金属材料构件组成，他们要用六个骨关节接起来的。计算机将转动与每一个骨关节各自相连的步进式电机，便于操纵机器人（一些大中型机器臂采用液压机或气动系统）。与普通电机不一样，步进式电机便以增加量方法精准挪动。这使计算机能够精确地挪动机器臂，使机器臂不断重复完全相同的姿势。机器人运用运动传感器来保证自己彻底按正确量挪动。

这个含有六个关节的工业生产机器人与人类的手臂极其类似，其具有等同于肩部、手肘和手腕的部位。它“肩部”一般安装于一个固定底座构造（而非移动的身体）上。这种类型的机器人有六个自由度，换句话说，它会向六个不同的方向旋转。与之相比，人的手臂有七个可玩性。

一个六轴工业生产机器人的骨关节

人们胳膊作用是把手移到不同类型的部位。类似地，机器臂的功效乃是挪动末端执行器。您可以在机器臂上组装适用特殊应用领域的各类末端执行器。有一种比较常见的末端执行器能抓物并挪动不同类型的物件，这是每人必备的优化版本号。机器手往往有内嵌的液位传感器，用于将机器人抓物某一特定物件时的力度告知计算机。这使机器人手里的物件不至于爆出或被抠破。别的末端执行器也包括气炉、麻花钻和喷瓷器。

工业生产机器人专门用来在可控条件下不断实行完全相同的工作中。比如，某旅机器人可能承担给装配流水线上传输的番茄酱陶罐拧上外盖。为了能教机器人怎样做此项工作，程序猿用到一只手执控制板来引导机器臂进行全套姿势。机器人将行为编码序列清晰地储存在存储空间中，自此每每装配流水线上有新陶罐传输来时，它就会反复地做这一套姿势。

机器臂是制造汽车时使用的基本上构件之一

大部分工业生产机器人在汽车装配线上工作中，承担组装汽车。在开展大量该类工作的时候，机器人的效率比人们高得多，因为它们十分精准。不管他们早已工作了多少小时，他们依然能在相同位置打孔，用同样的幅度拧螺丝。生产制造类机器人在计算机产业链之中发挥了十分重要的功效。他们极其精确的巧做能将一块极小的小型主板芯片组装起来。

机器臂的制造和程序编写难度系数相对较低，因为它们不在一个有限的区域工作中。如果你要将机器人送至广阔的外部世界，事情就变得有些复杂了。

首要的难题是为机器人提供一个可行的内分泌系统。假如机器人只需在平地挪动，车轮子或路轨通常是最好的选择。假如车轮子和路轨充足宽，这些还适用比较艰险的地形。可是机器人的设计师通常期望应用腿状构造，因为它们的适应能力比较强。生产制造有腿的机器人还有助于使科研人员掌握当然健身运动学的知识，这在生物技术行业是有益的实践活动。

机器人的腿一般是在液压机或气动式活塞杆的驱动下前后左右移动的。不同活塞杆联接在不同脚部构件上，如同不一样人体骨骼上附着的肌肉组织。若使得所有这些活塞杆都能以正确的方法协调工作，这无疑是一个难点。在婴儿阶段，人脑务必搞清什么肌肉组织必须与此同时收拢才可以促使在直立行走时不至于跌倒。同样，机器人的设计师务必搞清与走动相关正确的往复运动组成，并把这一信息内容纳入机器人的计算机中。很多挪动型机器人都有一个内嵌平衡系统（如一组螺仪），该系统将告知计算机什么时候必须校准机器人动作。

波士顿动力全新全新升级的Atlas人型机器人

两足行走的锻炼方式本身是不稳定，所以在机器人的生产制造中实现难度系数巨大。为了能设计出走动更加稳定的机器人，设计师们经常将目光看向动物界，特别是虫类。虫类有六条腿，两者通常具备非凡的平衡能力，对许多不同类型的地貌都可以融入轻松。

某种挪动型机器人是远程操作的，人类可以指引他们在特定时长从业特定工作中。无线遥控可以用电极连接线、无线或红外与机器人通讯。远程控制机器人常被称作傀偶机器人，他们在探索充斥着风险或人们无法进入的生活环境（如海底或活火山内部结构）时非常有用。有一些机器人仅仅一部分遭受遥控器。比如，作业人员可能标示机器人抵达某一特殊的地点，但不会为它引导线路，只是任凭它找到自己的路。

NASA产品研发可远程监控的外太空机器人R2

全自动机器人能够独立行为，不需要依赖一切操纵工作人员。其基本概念应该是机器人开展程序编写，使其能够以某类方法对外界刺激性做出反应。极为简单撞击反映机器人能够很好地阐释这一基本原理。

这类机器人有一个用于查验阻碍物的碰撞传感器。当您运行机器人后，它大致是沿一条直线坎坷行驶的。当它遇到阻碍物时，撞击力会功效在它的碰撞传感器上。每一次发生碰撞时，机器人的程序会提示它倒退，再往右，随后继续前行。依照此方法，机器人只需碰到阻碍物便会更改它方位。

高端机器人会以更精巧的方法应用这一基本原理。机器人专家们将开发的程序和传感器系统软件，便于创造出智能化水平更高一些、感知力更强的机器人。现在的机器人能够在各类自然界中施展才能。

比较简单的移动型机器人应用红外线或超声波测距来认知阻碍物。这种感应器的工作方式类似动物的回声定位系统软件：机器人传出一个声音信号（或一束红外线线），并检测信号的折射状况。机器人会根据信号反射所使用的计算时间出它和阻碍物之间的距离。

高级的机器人利用立体视觉来观察周边世界。两个摄像头能够为机器人给予深度感知，而图像识别软件则使机器人有能力明确物体的部位，并辨别各种各样物件。机器人还能够使用麦克风和味道感应器来分析周围环境。

一些全自动机器人只能在他们熟悉的比较有限环境中工作。比如，锄草机器人借助埋在地下的界桩明确草地的范畴。而用于清理办公室里的机器人则需建筑物地形图才可以在不同地址中间挪动。

高级的机器人能够分析和融入不熟悉的环境，甚至能融入地貌艰险的区域。这种机器人能将特殊的地形方式与特殊动作密切相关。比如，一个数据漫游车机器人会利用它机器视觉系统形成正前方地面地形图。假如地图上显示的是坎坷不平的地形方式，机器人会知道它该走另一条道。这个系统软件针对在其他大行星上工作中的探索型机器人是非常有用的。

有一套候选的机器人方案设计使用了比较松散的构造，引入了动态随机要素。当这类机器人被卡死时，它会往每个方位挪动附肢，直至它姿势造成实际效果才行。它通过测力传感器和传动系统紧密协作达到目标，而非由计算机根据程序流程具体指导一切。你跟蚂蚁试着绕开阻碍物时会共同之处：蚂蚁在必须通过阻碍物时好像不容易临危不惧，反而是不断尝试各种各样作法，直至绕开阻碍物才行。

三、家庭自制机器人

在本文的最后几一部分，我们来看看机器人世界里最引人注目行业：人工智能和科研型机器人。多年以来，这种领域的专家们使机器人科学合理拥有长足的进步，但他们并不是机器人的唯一制作者。几十年中，以此作为爱好的人虽然位数非常少，但充满激情，他们一直在世界上各地的停车库和别墅地下室里生产制造机器人。

家庭自制机器人是一种已经快速发展的二次元文化，在网络上具备相当大的知名度。业余组机器人发烧友利用各种各样商业服务机器人专用工具、网购的零件、儿童玩具乃至旧式摄录机拼装出她们自己的作品。

和专业机器人一样，家庭自制机器人的类型都是五花八门。一些到礼拜天才可以工作的机器人爱好者们生产制造出十分精巧的行走机械，而另一些则给自己制定了家政服务机器人，还有一些发烧友热衷生产制造竞技类机器人。在竞技类机器人中，大家最熟悉的是遥控器机器人战士职业，如同你在《作战机器人》(BattleBots)节目中看到的那般。这种设备谈不上“真正意义上的机器人”，因为它们并没有可再次程序编写的计算机人的大脑。这些仅仅加厚型遥控玩具车。

较为高级的竞技类机器人是通过计算机掌控的。比如，足球队机器人在开展中小型足球赛事时完全不需要人们键入信息。标准的机器人球队由好多个独立的机器人构成，他们与一台中间计算机开展通讯。这两台机算机根据一部监控摄像头“观查”全部足球场，并依据颜色分辨足球队、足球门及其我方和对方的球员。计算机随时都在解决该类信息，并决定如何指挥它足球队。

适应能力和实用性

本人计算机改革因其优异的融入能力为标示。标准化的硬件配置和计算机语言使计算机技术工程师和专业程序猿们可以根据其特殊目地生产制造计算机。计算机零件与加工工艺用具有几分类似，他们的用处数不胜数。

目前为止的大多数机器人更像是厨房用品。机器人专家们将它们生产制造出去以专门用于特殊主要用途。但是它们对完全不同的应用领域的融入能力并不是很好。

这样的事情已经更改。一家名字叫做Evolution Robotics的企业开辟了适应型机器人硬件软件领域内的先例。该公司期待凭着一款实用的“机器人开发者工具箱”发展出自己的目标市场。

这些工具箱有一个敞开式软件系统，专业提供各种常见的机器人作用。比如，机器人学者能够很容易地将目标跟踪、遵从语音命令和绕开阻碍物的能力授予他们的作品。从技术角度来看，这些功能并不具备改革性的意义，但不同寻常的是，他们集成化在一个简单的程序包中。

这些工具箱还附加了一些比较常见的机器人硬件配置，他们能够很容易地与系统紧密结合。规范工具箱带来了一些红外线传感器、电机、一部话筒和一台高清摄像机。机器人权威专家能够利用一套加厚型安装组件把所有这种构件拼装下去，这一套部件包括一些铝质人体构件和牢固耐用的车轮子。

自然，这种工具箱并不是让您生产制造平庸的作品的。它市场价超出700美金，决不是啥廉价的小玩具。但是，它向新式机器人科学合理迈入了一大步。在不远的将来，如果你要生产制造一个可以清洁房间或在您走的时候照顾宠物的新型机器人，您很有可能仅需撰写一段BASIC程序流程就能做到，这将为您省下一大笔钱。

四、人工智能

人工智能(AI)可谓是机器人学中最令人兴奋的行业，毫无疑问也是最有争议的：所有人觉得，机器人还可以在装配流水线上工作中，但是对于它能否具备智能化则存在分歧。

如同“机器人”这种专业术语自身一样，您一样难以对“人工智能”开展界定。最终的人工智能是对人类思想过程的重现，即一部具备人类智能的人造设备。人工智能包含学习培训一切知识能力、逻辑推理能力、语言表达能力和产生自己的想法的能力。现阶段机器人权威专家还远远地无法实现这类水平的人工智能，但他们已经在有限的人工智能行业获得了非常大进度。现如今，具备人工智能的设备已经可以效仿一些特殊的智能因素。

计算机已经具备了在比较有限领域内解决问题能力。用人工智能解决问题执行过程非常复杂，但原理却比较简单。最先，人工智能机器人或计算机可以通过感应器（或人力输入的方法）来整理有关某一场景的事实。计算机将此信息与已储存的信息进行对比，以确定它的含义。计算机会根据搜集来的英文信息测算各种各样可能的姿势，随后预测分析哪一种动作的效果更好。自然，计算机只有处理它程序流程容许它解决问题，它不具有一般意义上的剖析能力。棋牌计算机便是该类机器的一个案例。

一些当代机器人还具备有限的学习培训能力。效能型机器人可以鉴别某类姿势（如果在某类方法挪动脚部）是不是完成了所需要的结论（如绕开阻碍物）。机器人储存该类信息，当它下一次碰到同样的情景时，会来尝试作出能够取得成功应对的姿势。一样，当代计算机只能在非常有限的情景中做到这一点。他们无法像人们那般搜集全部类别的信息。一些机器人能通过效仿人类姿势开展学习。在日本，机器人专家们向一部机器人演试舞蹈基本动作，使它懂得了舞蹈。

有一些机器人具备人际交流能力。Kismet是麻省理工大学人工智能试验室制作出来的机器人，它会鉴别人类身体语言和聊天说话声调，并做出对应的反映。Kismet的创作者们对成年人和宝宝间的交互技术特别感兴趣，他们之间的互动光凭语气和视觉效果信息就能完成。这些基层的交互技术可作为类人学习系统的前提。

Kismet机器人

Kismet和麻省理工大学人工智能试验室制造出来的别的机器人使用了一种非传统的系统结构。这种机器人并不是用一台中间计算机操纵全部姿势，它们基层姿势由基层计算机操纵。项目主管罗德尼·布德克斯(Rodney Brooks)坚信，这是一种更加精确的人们智能模型。人类绝大多数姿势是全自动做出的，而非由最大层次观念来决定做这些动作。

人工智能的真正难点取决于了解当然智能化工作原理。开发设计人工智能与生产制造人造心脏不一样，专家手上并没有一个又简单又具体实体模型可供参考。我们都知道，大脑中带有上百亿元个神经细胞，他们的思考与学习培训是由在不同神经细胞中间创建电子器件联接来实现的。但我们并不了解这种联接如何做到高级的逻辑推理能力，甚至对基层操控的完成基本原理也并不知情。脑神经互联网好像繁杂得不可理解。

因而，人工智能在一定程度上还只是基础理论。专家对于人们学习和思考的原理明确提出假设，随后利用机器人来试验他们的想法。

如同机器人的物理设计是掌握动物和人类人体解剖学的方便专用工具，对人工智能研究也有助于了解当然智能化工作原理。对于某些机器人权威专家来讲，这些看法是设计方案机器人的最终目标。别人即在想象一个人类与智能机器共同生活的全球，在这个世界里，我们运用各种各样中小型机器人来从业手工制做、健康护理和通讯。很多机器人权威专家推测，机器人的演变最终将让我们完全变成半机器人，即与设备结合的人们。有理由坚信，未来的世界会把他的观念嵌入强健的机器人身体内，活上几千年的时长！

不管怎样，机器人都会在大家未来日常日常生活中扮演重要的角色。在未来的几十年里，机器人将慢慢扩展到工业和科学合理以外的行业，进到日常日常生活，这和计算机在20个世纪80时代开始逐渐普及化到家庭的全过程类似。