机器人学是一个跨学科的科学和工程领域，致力于机械机器人的设计、建造和使用。我们的指南将让您具体掌握机器人技术，包括不同类型的机器人以及它们如何在各个行业中得到应用。

（1）机器人概述

机器人技术是一个跨学科领域，专注于创造高效执行各种任务的机器。|图片：SHUTTERSTOCK

什么是机器人？

机器人技术是科学、工程和技术的交叉领域，它生产机器，称为机器人，可以复制或替代人类行为。流行文化一直对机器人着迷——例如 R2-D2、终结者和 WALL-E。这些过度夸张的人形机器人概念通常看起来像是对真实事物的漫画。但他们是否比我们意识到的更具前瞻性？机器人正在获得智能和机械能力，这不会使未来类似 R2-D2 的机器遥不可及。

机器人是可以完成任务的可编程机器，而机器人学一词则描述了专注于开发机器人和自动化的研究领域。每个机器人都有不同程度的自主性。这些级别的范围从执行任务的人类控制的机器人到执行任务的完全自主的机器人，而无需任何外部影响。

随着技术的进步，被认为是机器人技术的范围也在不断扩大。2005 年，90% 的机器人可以在汽车工厂组装汽车。这些机器人主要由机械臂组成，负责焊接或拧紧汽车的某些部件。

今天，我们看到机器人技术的发展和扩展定义包括开发、创建和使用机器人来完成诸如探索地球最恶劣条件、协助执法、简化外科手术和执行救援任务等任务。

机器人定义

虽然机器人技术的整体世界正在扩大，但机器人具有一些一致的特征：

●机器人由某种机械结构组成。机器人的机械方面有助于它在其设计的环境中完成任务。例如，Mars 2020 Rover 的车轮是单独机动的，由钛管制成，有助于牢牢抓住这颗红色星球的恶劣地形。

●机器人需要控制和驱动机器的电气元件。从本质上讲，需要电流——例如电池——来为绝大多数机器人供电。

●机器人至少包含一定程度的计算机编程。如果没有一组代码告诉它该做什么，机器人将只是另一台简单的机器。将程序插入机器人使其能够知道何时以及如何执行任务。

随着人工智能和软件也在不断进步，我们一定会早日看到机器人行业的前景。在不久的将来，由于这些技术的进步，机器人将继续变得更智能、更灵活和更节能。他们还将继续成为智能工厂的主要焦点，在那里他们将迎接更艰巨的挑战并帮助确保全球供应链的安全。

机器人行业充满了科幻小说曾经只能梦想的令人钦佩的进步承诺。从我们海洋的最深处到数千英里的外太空，人们会发现机器人正在执行人类无法单独完成的任务。

机器人定义的来源

机器人这个词来源于捷克语robota，意思是“强迫劳动”。这个词最早出现在 1920 年的戏剧RUR中，指的是该剧中的大量生产的没有创造性思维的工人。

（2）机器人的类型

机械机器人有各种形状和大小，可以有效地执行它们设计的任务。所有机器人的设计、功能和自主程度各不相同。从0.2 毫米长的“RoboBee”到 200 米长的机器人运输船“Vindskip”，机器人正在兴起，以执行人类根本无法完成的任务。

有五种不同类型的机器人根据其能力执行任务。以下是这些类型的概述以及它们的作用。

●预编程机器人

预编程的机器人在受控环境中运行，它们执行简单、单调的任务。预编程机器人的一个例子是汽车装配线上的机械臂。手臂有一个功能——焊接一扇门，将某个部件插入发动机等——它的工作是比人类更长时间、更快、更有效地执行这项任务。

●人形机器人

类人机器人是看起来像或模仿人类行为的机器人。这些机器人通常执行类似人类的活动（如跑步、跳跃和搬运物体），有时被设计成看起来像我们，甚至具有人脸和表情。类人机器人最突出的两个例子是Hanson Robotics 的 Sophia和 Boston Dynamics 的Atlas。

●自主机器人

自主机器人独立于人类操作员运行。这些机器人通常设计用于在不需要人工监督的开放环境中执行任务。它们非常独特，因为它们使用传感器感知周围的世界，然后使用决策结构（通常是计算机）根据其数据和任务采取最佳下一步。自主机器人的一个例子是 Roomba 真空吸尘器，它使用传感器在整个家庭中自由漫游。

自主机器人的分类

清洁机器人（例如 Roomba）

草坪修剪机器人

医疗机器人

自主无人机

医疗助理机器人

物流机器人

●遥控机器人

遥控机器人是半自主机器人，它使用无线网络在安全距离内实现人类控制。这些机器人通常在极端的地理条件、天气和环境下工作。遥控机器人的例子是用于在 BP 石油泄漏期间修复水下管道泄漏的人工控制的潜艇或用于在战场上探测地雷的无人机。

●增强现实机器人

增强现实型机器人，也称为VR 机器人，要么增强当前人类的能力，要么取代人类可能失去的能力。用于人类增强的机器人领域是一个科幻小说很快就会成为现实的领域，机器人能够通过让人类变得更快、更强壮来重新定义人类的定义。当前增强机器人的一些例子是用于举重的机器人假肢或外骨骼。

什么是软件机器人？

软件机器人，也称为机器人，是自主执行任务的计算机程序。软件机器人的一个常见用例是聊天机器人。聊天机器人是一种计算机程序，可以模拟在线和电话对话，通常用于客户服务场景。聊天机器人可以是通过自动响应回答问题的简单服务，也可以是从用户信息中学习的更复杂的数字助理。

软件机器人类型

●聊天机器人：通常在客户服务环境中进行简单的对话。

●垃圾邮件机器人：收集电子邮件地址并发送垃圾邮件。

●下载机器人：自动下载软件和应用程序。

●搜索引擎爬虫机器人：扫描网站并使其在搜索引擎上可见。

●监控机器人：报告网站速度和状态。

软件机器人仅存在于互联网上并且源自计算机，这意味着它们不被视为机器人。为了被视为机器人，设备必须具有物理形式，例如身体或底盘。

（3）机器人如何工作？

独立机器人

独立机器人能够完全自主地运行并且独立于人类操作员控制。这些通常需要更密集的编程，但允许机器人在执行危险、平凡或其他不可能的任务时取代人类，从炸弹扩散和深海旅行到工厂自动化。事实证明，独立机器人对社会最具破坏性，因为它们消除了某些工作，但也带来了新的增长可能性。

依赖型机器人

依赖型机器人是与人类交互以增强和补充其现有动作的非自主机器人。这是一种相对较新的技术形式，并且正在不断扩展到新的应用中，但是已经实现的一种依赖机器人形式是由人类思维控制的高级假肢。

美国约翰霍普金斯大学 APL 公司于 2018 年为一名肘部以上截肢的患者约翰尼马西尼创建了一个著名的依赖机器人示例。Matheny 配备了模块化假肢，因此研究人员可以持续研究其使用情况。MPL 是通过肌电图或从控制假肢的截肢发出的信号来控制的。随着时间的推移，Matheny 在控制 MPL 方面变得更加高效，从截肢发出的信号变得更小，变化更少，从而提高了动作的准确性，让 Matheny 能够执行像弹钢琴一样微妙的任务。

机器人的主要部件是什么？

机器人旨在为各种需求提供解决方案并实现多种不同的目的，因此需要各种专门的组件来完成这些任务。

机器人的主要部件有哪些？

控制系统：在高层次上指挥机器人任务的 CPU。

传感器：提供电信号以允许机器人与世界交互的组件。

执行器：负责机器人运动的电机部件。

电源：为机器人供电的电池。

末端执行器：机器人完成任务的外部特征。

但是，每个机器人的构造都有几个核心组件，例如电源或中央处理单元。一般来说，机器人组件分为以下五类：

控制系统

计算包括构成机器人中央处理单元的所有组件，通常称为其控制系统。控制系统被编程为告诉机器人如何利用其特定组件，在某些方面类似于人类大脑如何在全身发送信号，以完成特定任务。这些机器人任务可以包括从微创手术到装配线包装的任何事情。

传感器

传感器以电信号的形式为机器人提供刺激，这些刺激由控制器处理并允许机器人与外界交互。机器人中常见的传感器包括充当眼睛的摄像机、对光做出反应的光敏电阻以及像耳朵一样工作的麦克风。这些传感器允许机器人捕捉其周围环境并根据当前时刻处理最合乎逻辑的结论，并允许控制器将命令中继到其他组件。

执行器

只有具有可移动框架或主体的设备才能被视为机器人。执行器是负责此运动的组件。这些组件由电机组成，这些电机接收来自控制系统的信号并串联移动以执行完成分配任务所需的运动。执行器可以由多种材料制成，例如金属或弹性材料，通常使用压缩空气（气动执行器）或油（液压执行器）进行操作，但有多种形式以最好地发挥其特殊作用。

电源

就像人体需要食物才能发挥作用一样，机器人也需要动力。固定式机器人，例如在工厂中发现的机器人，可以通过墙壁插座使用交流电源运行，但更常见的是，机器人通过内部电池运行。大多数机器人使用铅酸电池是因为它们的安全品质和较长的保质期，而其他机器人可能会使用更紧凑但也更昂贵的银镉电池。安全性、重量、可更换性和生命周期都是设计机器人电源时需要考虑的重要因素。

未来机器人发展的一些潜在动力还包括压缩气体的气动动力、太阳能、水力动力、通过厌氧消化和核能的飞轮储能有机垃圾。

末端执行器

末端执行器是物理的，通常是外部组件，允许机器人完成任务。工厂中的机器人通常具有可互换的工具，例如喷漆器和钻头，手术机器人可能配备手术刀，其他类型的机器人可以用抓爪甚至双手制造，以完成交付、包装、炸弹扩散等任务。

（4）机器人技术应用案例

机器人正在迅速渗透到我们生活的方方面面，包括在家中。|图片：SHUTTERSTOCK

机器人的用途

机器人有各种各样的用例，使它们成为未来的理想技术。很快，我们几乎会在任何地方看到机器人。我们会在医院、酒店甚至道路上看到它们。

机器人技术的应用；

保护：扑灭森林火灾。

制造业：在工厂工作，在仓库中寻找和搬运物品。

陪伴：为老年人提供陪伴。

医疗保健：协助外科手术。

交付：完成食品交付和最后一英里的履行。

家庭：吸尘和割草。

救援：承担自然灾害后的搜救任务。

军事行动：在战区探测地雷。

制造业机器人

制造业可能是最古老、最知名的机器人用户。这些机器人和协作机器人（与人类一起工作的机器人）可以有效地测试和组装产品，例如汽车和工业设备。据估计，目前有超过 300 万台工业机器人在使用中。

物流机器人

运输、搬运和质量控制机器人正在成为大多数零售商和物流公司的必备品。因为我们现在希望我们的包裹能够以极快的速度送达，物流公司在仓库甚至路上都使用机器人，以帮助最大限度地提高时间效率。现在，有机器人将您的物品从货架上取下，将它们运送到仓库地板上并包装它们。此外，最后一英里机器人（自动将您的包裹送到您家门口的机器人）的兴起确保您在不久的将来与物流机器人进行面对面的接触。

家用机器人

这不再是科幻小说了。机器人随处可见，帮助我们做家务，提醒我们的日程安排，甚至娱乐我们的孩子。家用机器人最著名的例子是自动吸尘器Roomba。此外，机器人现在已经发展到可以做从自动割草到清洁水池的所有事情。

旅行机器人

还有什么比自动驾驶汽车更像科幻小说的吗？这些自动驾驶汽车不再只是想象。自动驾驶汽车结合了数据科学和机器人技术，正在风靡全球。特斯拉、福特、Waymo、大众和宝马等公司都在致力于下一波旅行，让我们高枕无忧，享受旅程。拼车公司 Uber 和 Lyft 也在开发不需要人工操作的自动拼车车辆。

医疗机器人 

机器人在医疗保健行业取得了长足的进步。这些机械奇迹几乎用于医疗保健的各个方面，从机器人辅助手术到帮助人类从物理治疗中的损伤中恢复过来的机器人。医疗保健机器人的例子有丰田的医疗保健助手，它可以帮助人们恢复行走能力，而 TUG 是一种机器人，设计用于在医院内自主行走并提供从药品到干净床单的所有物品。

制药公司已使用机器人来帮助对抗 COVID-19。这些机器人现在被用于填充和密封 COVID-19 测试拭子，一些制造商也使用这些机器人来生产 PPE 和呼吸器。

（5） 机器人的历史

图片：SHUTTERSTOCK

机器人史

自从古代文明将“思考机器”的神话和信仰融入他们的社会并发明了水钟以来，人们就一直在思考机器人。自希腊人、罗马人和埃及人时代以来，机器人技术发生了翻天覆地的变化，但其历史悠久。以下是塑造机器人历史的一些最重要的事件。

1700年代

(1737) Jacques de Vaucanson 制造了第一个有记录的生物力学自动机。称为长笛播放器的机械装置可播放 12 首歌曲。

1920 年代

(1920) “机器人”一词首次出现在卡雷尔·卡佩克的戏剧《RUR 机器人》中，源自捷克语“robota”，意思是“强迫劳动”。

(1926) 第一个电影机器人出现在大都会。

1930 年代

(1936) Alan Turing 发表了“关于可计算数”的论文，该论文介绍了称为图灵机的理论计算机的概念。

1940 年代

(1948)麻省理工学院教授诺伯特·维纳 (Norbert Wiener) 出版了《控制论》或《动物中的控制与交流》 。这本书谈到了电子、机械和生物系统中的通信和控制的概念。

(1949) 神经生理学家和发明家威廉·格雷·沃尔特介绍了 Elmer 和 Elsie，这是一对看起来像乌龟的电池供电机器人。机器人移动物体，找到光源并找到返回充电站的路。

1950 年代

(1950) 艾萨克·阿西莫夫出版了机器人三定律。

(1950) Alan Turing 发表论文“计算机与智能”，提出了现在称为图灵测试的方法，一种确定机器是否智能的方法。

1960 年代

(1961) 第一个机械臂在通用汽车工厂工作。手臂举起和堆叠金属部件，并遵循大约 200 次运动的程序。这只手臂是由乔治·德沃尔和他的搭档约瑟夫·恩格尔伯格创造的。

(1969) Victor Scheinman 发明了斯坦福手臂，这是一种具有六个关节的机械臂，可以模仿人类手臂的运动。它是最早设计为由计算机控制的机器人之一。

1970 年代

(1972) 斯坦福研究所的一组工程师创造了第一个使用人工智能的机器人 Shakey。Shakey 通过观察其环境并制定计划来完成任务。机器人使用传感器、测距仪和触摸感应设备来计划其动作。

(1978) 自动化研究员 Hiroshi Makino 设计了一个四轴 SCARA 机械臂。被称为第一个“拾取和放置”机器人，手臂被编程为拾起物体，转动并将其放置在另一个位置。

1980 年代

(1985) 机器人辅助外科手术的首次记录使用使用 PUMA 560 机器人手术臂。

(1985) William Whittaker 制造了两个遥控机器人，这些机器人被送到三哩岛核电站。机器人在受损反应堆大楼的地下室工作，调查现场，发回信息并钻取核心样本以测量辐射水平。

(1989) 麻省理工学院的研究人员 Rodney Brooks 和 AM Flynn 发表了《快速、廉价和失控：机器人入侵太阳系》。该论文主张建造许多小型、廉价的机器人，而不是少数大型、昂贵的机器人。

1990 年代

(1990) 麻省理工学院的一组研究人员发现了 Roomba 吸尘器背后的公司 iRobot。

(1992) 麻省理工学院的另一位研究员 Marc Raibert 创立了机器人公司波士顿动力公司。

(1997) 旅居者登陆火星。这辆自由漫游的漫游者向地球发送了 23 亿位数据，其中包括 17,000 多张图像、15 次岩石和土壤的化学分析以及有关火星天气的大量数据。

(1998) Tiger Electronics开发的机器人玩具宠物Furby发布并最终销售数千万台。Furbys 被预先编程为会说胡言乱语并随着时间的推移学习其他语言。

(1999) 由人工智能驱动的机器小狗 Aibo 进入商业市场。由索尼开发的机器狗会对声音做出反应，并具有一些预编程的行为。

2000 年代

(2000) Cynthia Breazeal 创造了一个机器人头部，通过编程来激发情绪并对情绪做出反应。这款名为 Kismet 的机器人由 21 个电机、音频传感器和算法组成，用于理解人声。

(2000) 索尼推出了人形机器人索尼梦想机器人，这是一种双足人形娱乐机器人，它开发和销售但从未销售过。

(2001) iRobot 的 PackBot 在 9 月 11 日之后搜索世界贸易中心网站。

(2002) iRobot 创建了 Roomba。真空机器人是第一个在商业领域受到公众欢迎的机器人。

(2003) Mick Mountz 和 Amazon Robotics（前身为 Kiva Systems）的联合创始人发明了 Kiva 机器人。机器人在仓库周围移动并移动货物。

(2004) 波士顿动力公司推出了 BigDog，这是一种由人类控制的四足机器人。该机器人以比以前的机器人迭代更灵活而闻名，因为它一次只能有两只脚在地面上。它有 50 个传感器和一个控制步态并保持稳定的车载计算机。

(2004) 国防部的国防高级研究计划局设立了 DARPA 大挑战。旨在激发军用自动驾驶汽车技术创新的自动驾驶汽车竞赛。

(2005) 名为 Stanley 的大众途锐赢得了第二届 DARPA 大挑战赛。这辆车使用根据现实世界人类驾驶习惯训练的人工智能和五个激光雷达激光传感器，在莫哈韦沙漠完成了 131.2 英里的路线。

2010年代

（2011 年）美国宇航局和通用汽车公司合作将机器人 2 号（Robonaut 2），一个人性化的机器人助手，通过发现号航天飞机送入太空。机器人成为国际空间站的永久居民。

(2013) 波士顿动力公司发布了 Atlas，这是一种人形双足机器人，它使用 28 个液压关节来模仿人类运动——包括执行后空翻。

(2012) 内华达州颁发了第一张自动驾驶汽车牌照。这辆车是用谷歌开发的技术改装的丰田普锐斯。

(2014) 加拿大研究人员开发了搭便车机器人，作为社会实验的一部分，搭便车穿越加拿大和欧洲。

（2016 年）Sophia，一个被称为第一个机器人公民的人形机器人，由 Hanson Robotics 创建。该机器人能够进行面部识别、语言交流和面部表情。

2020年代

(2020) 机器人用于分发 COVID-19 测试和疫苗接种。

(2020) 384,000 台工业机器人运往全球各地，以执行各种制造和仓库工作。

(2021) 自动驾驶汽车公司 Cruise 在旧金山进行了前两次自动驾驶出租车测试。