R2-D2(左)和C-3PO出席2015年在加州好莱坞举行的《星球大战：原力觉醒》首映礼。对于许多人来说，这两个数字代表了机器人的样子。

　　在最基本的层面上，人类由五个主要组成部分组成：

　　身体结构

　　一个 肌肉系统 移动车身结构

　　接收有关身体和周围环境信息的感觉系统

　　激活肌肉和传感器的动力源

　　一个 大脑系统 处理感官信息并告诉肌肉该做什么

　　当然，我们也有一些无形的属性，比如智力和道德，但在纯粹的物理层面上，上面的列表涵盖了它。

　　机器人由完全相同的组件组成。一个基本的典型机器人具有可移动的物理结构，即 发动机 某种意义上的，一个传感器系统，一个电源和一个控制所有这些元素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是动物生活的人造版本——它们是复制人类和动物行为的机器。

　　约瑟夫·英格尔伯格，工业机器人的先驱， 曾经说过，“我不知道如何定义一个，但当我看到一个时，我就知道一个!” 如果你考虑人们称之为机器人的所有不同机器，你可以看到几乎不可能提出一个全面的定义。每个人对机器人的构成都有不同的想法。

　　您可能听说过其中几个著名的机器人：

　　R2-D2 和 C-3PO：《星球大战》电影中充满个性的智能、会说话的机器人

　　索尼的 爱博：通过人类互动学习的机器狗

　　本田的 阿西莫：可以像人一样用两条腿走路的机器人

　　工业机器人：在装配线上工作的自动化机器

　　中校数据：《星际迷航》中近乎人类的机器人

　　战斗机器人：长期播出的电视节目中的遥控战斗机

　　拆弹机器人

　　美国宇航局的火星探测器

　　哈尔：该 船舶计算机 在斯坦利·库布里克的《2001：太空漫游》中

　　鲁姆巴： 吸尘机器人 来自 iRobot

　　机器人 参演电视剧《迷失太空》

　　头脑风暴: 乐高 流行的机器人套件

　　所有这些东西都被认为是机器人，至少被一些人认为是这样。但你可以说，大多数人将机器人定义为他们所认为的机器人。大多数机器人专家(制造机器人的人)使用更精确的定义。他们指定机器人有一个可重新编程的大脑(计算机)来移动身体。

　　根据这个定义，机器人与其他可移动机器(如拖拉机拖车)不同，因为它们具有计算机元素。即使考虑到复杂的车载电子设备，驾驶员也通过各种机械设备直接控制大多数元件。机器人在物理性质上与普通计算机不同——普通计算机没有附着的物理身体。

　　在下一节中，我们将介绍当今大多数机器人中发现的主要元素。

　　机器人基础知识

　　2022 年消费电子展 (CES) 的一位与会者将一根手指放在 Yukai 工程公司的 Amagami Ham Ham(一个咬人的猫机器人)的嘴里。 帕特里克·T·法伦/法新社通过盖蒂图片社

　　大多数机器人都有可移动的身体。有些只有电动轮，有些则有几十个可移动的段，通常由金属或塑料制成。就像你身体的骨骼一样，各个部分连接在一起 关节.

　　机器人旋转轮子和枢轴连接段 某种 驱动器.一些机器人使用 电动机 和 螺线管 作为执行器;有些使用 液压系统;有些使用气动系统(由压缩气体驱动的系统)。机器人可以使用所有这些执行器类型的组合。

　　机器人需要一个电源来驱动这些执行器。大多数机器人都有 电池 或插入墙壁。 有些可能会使用 太阳能或燃料电池。液压机器人还需要一个泵来加压液压油，气动机器人需要一个空气压缩机或压缩空气罐。

　　执行器全部连接到 电路.电路直接为电动机和电磁阀供电，并通过操纵电气来激活液压系统 阀.阀门确定加压流体通过机器的路径。例如，为了移动液压腿，机器人的控制器将打开从流体泵到流体泵的阀门 活塞气缸 附在那条腿上。加压流体将伸出活塞，使腿向前旋转。通常，为了在两个方向上移动它们的段，机器人使用可以双向推动的活塞。

　　机器人的计算机控制连接到电路的所有东西。为了移动机器人，计算机打开所有必要的电机和阀门。许多机器人是 可重新编程 — 要更改机器人的行为，您需要更新或更改为机器人提供指令的软件。

　　并非所有机器人都有感官系统，很少有人能看到、听到、闻到。 或味道.最常见的机器人感官是运动感——机器人监控自身运动的能力。一种方法是使用机器人底部的激光照亮地板，同时摄像头测量行进的距离和速度。这与 中使用的基本系统相同 电脑鼠标.Roomba 吸尘器 使用红外光 检测其路径中的物体，光电电池测量光的变化。

　　这些是机器人的基本细节。机器人专家可以以无数种方式组合这些元素，创造出无限复杂的机器人。

　　机械臂

　　11月，机械臂在智能车间生产洗碗机。 2021年12日，中国安徽省合肥市。 陈三虎/VCG通过盖蒂图片社

　　机器人一词来自 捷克语单词 机器人，一般翻译为“强迫劳动”。 这很好地描述了大多数机器人。世界上大多数机器人都是为繁重、重复的制造工作而设计的。他们处理对人类来说困难、危险或无聊的任务。

　　例如， 机械臂 经常用于制造角色。典型的机械臂由七个金属段组成，由六个关节连接。计算机通过旋转单个来控制机器人 步进电机 连接到每个关节(一些较大的臂使用液压或气动)。与普通电机不同，步进电机 以精确的增量移动.这允许计算机非常精确地移动手臂，一遍又一遍地执行相同的运动。机器人使用运动传感器来确保它移动恰到好处的量。

　　具有六个关节的工业机器人与人类手臂非常相似 - 它相当于肩膀，肘部和手腕。通常，肩部安装在固定的基础结构上，而不是安装在可移动的主体上。这种类型的机器人有六个 自由度，这意味着它可以以六种不同的方式旋转。相比之下，人类的手臂有七个自由度。

　　手臂的工作是将手从一个地方移动到另一个地方。同样，机械臂的工作是移动 末端执行器 从一个地方到另一个地方。您可以为机械臂配备各种适合特定应用的末端执行器。一种常见的末端执行器是手的简化版本，它可以抓取和携带不同的物体。机器人手通常具有内置 压力传感器 告诉计算机机器人抓取特定物体的力度。这可以防止机器人掉落或破坏它携带的任何东西。其他末端执行器包括喷灯、钻头和喷漆器。

　　工业机器人被设计成做同样的事情。例如，机器人可能会将盖子拧到流水线上的花生酱罐上。为了教机器人如何完成工作，程序员使用手持控制器引导手臂完成动作。机器人将确切的运动顺序存储在其内存中，并在每次有新单元下线时再次执行。

　　大多数工业机器人在汽车装配线上工作，将汽车组装在一起。机器人可以比人类更有效地完成很多工作，因为它们非常精确。他们总是在同一个地方钻孔，无论他们工作了多少小时，他们总是以相同的力拧紧螺栓。制造机器人在计算机行业中也非常重要。它需要非常精确的手来组装一个微小的微芯片。

　　您可能会发现机器人与建筑工人一起工作， 抹灰墙 比人类更准确、更快。 机器人辅助 在水下探索中。 外科医生使用机器人 处理精细的手术。 他们甚至处理 在厨房里翻转汉堡。这些机器人都有一种机械臂的形式。

　　机械臂在太空探索中很重要。 美国宇航局使用手臂 有七个自由度——就像我们自己的手臂一样——来捕获维修设备或抓住小行星。7英尺(2米)的机器人 毅力号火星车上的手臂 在探索火星表面时使用几种特殊工具。相机帮助科学家看到正在发生的事情来引导手臂。还有一个用于研磨岩石样品的磨损工具，取芯钻可以收集样品以 储存在金属管中 它落在地表，以便在未来的任务中返回地球。X射线 名为 PIXL 的设备 (X射线石化行星仪器的缩写)有一个六足位移台，有六个小机械腿，用于调整X射线以获得最佳角度。

　　使用拉曼和发光扫描可居住环境，用于有机物和化学品(又名夏洛克数据库) 识别矿物 顺便说一下，光线从他们身上散射。用于操作和eNgineering的广角地形传感器(又名 - 你猜对了 - 沃森)然后为地球上的科学家拍摄特写照片。他们使用这两个设备来创建红色星球表面的矿物图。

　　关于机器人的文章

　　捷克剧作家卡雷尔·恰佩克(Karel Capek)开创了这个词 机器人 在他1920年的戏剧“R.U.R.”中。 在剧中，当科学家赋予他们情感时，机器工人推翻了他们的人类创造者。多年来，数十位作家和电影制作人重新审视了这种情况。艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在几部小说和短篇小说中采取了更为乐观的观点。在他的作品中，机器人是良性的、乐于助人的生物，它们被编程为遵守对人类的非暴力准则—— “机器人法则。”

　　波士顿动力公司的机器狗 Spot 在拉斯维加斯举行的全球最大的年度消费技术贸易展 CES 2022 上展出。 TAYFUN COSKUN/ANADOLU AGENCY通过GETTY IMAGES

　　机械臂相对容易构建和编程，因为它们只能在有限的区域内运行。当你把一个机器人送到这个世界时，事情会变得更加棘手。

　　首先，机器人需要一个有效的运动系统。如果机器人只需要在光滑的地面上移动，轮子通常是最佳选择。车轮和履带也可以在崎岖的地形上工作。但机器人设计师通常会关注腿，因为它们的适应性更强。建造有腿机器人也有助于研究人员了解自然运动——这是一项有用的练习。 在生物学研究中.

　　通常，液压或气动活塞移动机器人腿。活塞连接到不同的腿段，就像 肌肉 附着在不同的骨骼上。让所有这些活塞正常工作是一个真正的技巧。作为一个婴儿，你的大脑必须弄清楚肌肉收缩的正确组合，才能直立行走而不会摔倒。同样，机器人设计师必须找出行走中涉及的活塞运动的正确组合，并将这些信息编程到机器人的计算机中。许多移动机器人都有内置的 平衡系统 (集合 陀螺，例如)，告诉计算机何时需要纠正其运动。

　　设计师通常从动物世界中寻找机器人运动的想法。六足昆虫的平衡性非常好，并且 他们适应得很好 到各种各样的地形。四足机器人，如波士顿动力公司的Spot。 看起来像狗，以及相似性 品种比较 当他们从事危险的工作时 如施工检查.两条腿的机器人很难正确平衡，但人类通过练习变得更好。波士顿动力公司的地图集 甚至可以做跑酷.

　　空中机器人也受到现实世界示例的启发。尽管许多人使用机翼，就像我们在飞机上看到的那样，但研究人员也开发了使用 类似飞翼的软致动器.现在大多数人都熟悉螺旋桨动力无人机，它可以为娱乐、体育赛事和监控提供令人惊叹的相机拍摄。其中一些悬停机器人也可以联网在一起，以创建成群的机器人，例如在 东京夏季奥运会 在 2021 年。

　　在水下，机器人可能会穿过海底。一个例子是银牌2， 一个像螃蟹一样的机器人 旨在查找和清理塑料垃圾。这 底栖漫游者二号 改用胎面。蛇形机器人，当然，它们的名字来自它们复制运动的动物， 可以在水下操作 在陆地上。它们甚至在人体中工作得很好，他们可以 进行手术修复.

　　一些移动机器人由遥控器控制——人类告诉他们该做什么以及何时做。遥控器可以通过连接的电线与机器人通信，或者使用 收音机 或 红外信号.远程机器人可用于探索危险或难以进入的环境，例如深海或内部 火山.一些机器人仅部分由遥控器控制。例如，操作员可能会指示机器人去某个地方，但机器人不是在那里引导它，而是找到自己的路。

　　移动机器人的用途

　　移动机器人以多种方式代替人类。有些人探索地球上的其他行星或荒凉地区，收集地质样本。其他人寻找 地雷 在以前的战场上。警方有时会使用移动机器人来搜索炸弹，甚至逮捕嫌疑人。移动机器人也适用于家庭和企业。医院可能会使用机器人来运输药物。一些博物馆使用机器人在夜间巡逻他们的画廊，监测空气质量和湿度水平。

　　自主机器人

　　约翰迪尔 8R 全自动拖拉机将于 2022 年 1 月 4 日在拉斯维加斯举行的 CES 之前展出。约翰迪尔和农业机器人初创公司Naio结合了流行的8R拖拉机，犁，GPS和360度摄像头，创造了农民可以通过智能手机控制的机器。 帕特里克·T·法伦/法新社通过盖蒂图片社

　　自主机器人 自行行动。人类对机器人进行编程，使其对外部刺激做出反应。非常简单 碰撞机器人 很好地说明了它是如何工作的。

　　这种机器人有一个保险杠传感器来检测障碍物。当您打开机器人时，它会沿直线滑动。当它最终撞到障碍物时，撞击会触发其保险杠传感器。机器人的编程告诉它后退，向右转并再次向前移动，以响应每一次颠簸。这样，机器人在遇到障碍物时随时都会改变方向。

　　一些自主机器人只能在熟悉的受限环境中工作。例如，割草机器人依靠埋藏的边界标记来定义院子的界限。办公室清洁机器人可能需要建筑物的地图，以便从一个点到另一个点进行机动。亚马逊的仓库机器人 使用彩色磁带 在仓库地板上帮助他们导航。除其他工作外，在线零售商还使用机器人将物品交付给人类，让他们的员工专注于包装订单，而不是搜索仓库货架。

　　移动机器人通常使用红外或超声波传感器来观察障碍物。这些传感器的工作方式与 动物回声定位：机器人发出声音信号或一束红外光，并检测信号的反射。机器人根据信号反弹所需的时间来定位到障碍物的距离。更复杂的机器人可能配备光检测和测距(lidar)设备，该设备使用光而不是声音来帮助机器人 确定其位置 在其环境中。

　　甚至是现成的机器人吸尘器 使用多种方法 在你的客厅里找到他们的路。除了碰撞传感器，他们还有悬崖传感器(它即将掉下来吗?)，墙壁传感器(前面是什么?)和光学编码器(它走了多远?)。以这种方式使用多个传感器创建地图称为 同步定位和映射 (SLAM).

　　一些机器人使用 立体视觉 看看他们周围的世界。两个摄像头为这些机器人提供深度感知，图像识别软件使它们能够定位和分类各种物体。机器人也可能使用 麦克风 和 气味 传感器来分析周围的世界。波士顿动力公司的Spot狗状机器人配备了360度全景相机，但该公司还提供平移 - 倾斜 - 变焦和红外辐射相机。这使美国海军陆战队能够测试机器人的能力。 环顾四周 在冒险进入开阔地带之前找到敌人。

　　更先进的机器人 分析和调整 到不熟悉的环境，甚至到地形崎岖的地区。这些机器人可以将某些地形模式与某些动作相关联。例如，漫游车机器人可能会根据其视觉传感器构建其前方土地的地图。如果地图显示一个非常颠簸的地形模式，机器人知道要走另一条路。美国宇航局的毅力号火星车就是一个例子。

　　跟随机器人 从观察中学习。自主农业 机器人制造商Burro 使用摄像头和GPS的组合来四处走动，但机器人的人工智能系统通过跟随人类来学习它的工作。比亚乔快进的吉塔机器人 跟随他们的人类领袖 同时携带他们的东西。该设备甚至可以在您骑自行车时尾随您。它的最高速度为每小时 35 英里(每小时 56 公里)。

　　自制机器人

　　在最后几节中，我们研究了机器人世界中最突出的领域——工业机器人和研究机器人。多年来，这些领域的专业人士在机器人技术方面取得了大部分重大进展，但他们并不是唯一制造机器人的人。几十年来，一小群充满激情的业余爱好者一直在世界各地的车库和地下室创造机器人。

　　自制机器人是一种快速扩张的亚文化，拥有相当大的网络存在。业余机器人专家可以使用手头的任何东西(例如旧玩具)将他们的作品拼凑在一起， 录像机 和其他随机剩余的小工具，但制造商运动 让它变得容易 寻找组件，分享想法并教育他人有关DIY电子产品的知识。

　　机器人只是创客运动的一部分，但许多DIY工具可用于广泛的应用。廉价的单板计算机足够强大，可以进行更复杂的项目。像这样的网站 可指导材料 和 Thingiverse 让制作者彼此共享计划。学校、大学、图书馆甚至 在社区 让人们在创作自己的作品时借用工具并相互学习。许多都有3D打印机可用于根据您的自定义规格打印机器人零件。

　　自制机器人与专业机器人一样多种多样。一些周末机器人专家修补精心设计的步行机器，一些设计自己的服务机器人，另一些人创造有竞争力的机器人。最熟悉的竞技机器人是遥控战斗机，就像你可能在”战斗机器人有些人可能不认为战斗机器人是“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机大脑。他们基本上是加了 遥控车.

　　更先进的竞技机器人由计算机控制。例如，足球机器人， 踢足球 完全没有人工输入。一个标准的足球机器人团队包括几个与中央计算机通信的单独机器人。计算机“看到”整个足球场 摄像机 并根据自己的颜色识别自己的团队成员、对手的成员、球和球门。计算机使用此信息来决定如何指导其团队。

　　日常生活，就像计算机在1980年代传播到家庭一样。

　　机器人和人工智能

　　人形机器人Ameca (使用人工智能)于 2022 年 1 月 5 日在拉斯维加斯举行的 CES 上进行了演示。Ameca 被设计为人机交互的研究平台。 伊桑·米勒/盖蒂图片社

　　人工智能 (AI)可以说是机器人技术中最令人兴奋的领域。这当然是最有争议的：每个人都同意机器人可以在装配线上工作，但对于机器人是否可以智能还没有达成共识。

　　就像“机器人”一词本身一样，人工智能很难定义。最终 .AI 将是人类思维过程的再现——一台具有我们智力的人造机器。这将包括学习任何东西的能力，推理能力，使用语言的能力以及形成原创想法的能力。机器人专家远未达到这种人工智能水平，但他们在更有限的人工智能方面取得了很大进展。今天的人工智能机器可以复制智力的一些特定元素。

　　计算机已经可以在有限的领域解决问题。人工智能解决问题的基本思想很简单，尽管它的执行很复杂。首先，人工智能机器人或计算机通过传感器或人工输入收集有关情况的事实。计算机将此信息与存储的数据进行比较，并决定信息的含义。计算机运行各种可能的操作，并根据收集的信息预测哪个操作最成功。在大多数情况下，计算机只能解决它被编程解决的问题——它没有任何通用的分析能力。 国际象棋计算机 是这种机器的一个例子。

　　一些现代机器人也可以在有限的能力下学习。学习机器人识别某个动作(例如以某种方式移动它的腿)是否达到了预期的结果(导航障碍物)。机器人存储此信息，并在下次遇到相同情况时尝试成功操作。机器人吸尘器学习房间的布局，但它们是为吸尘而建造的，没有别的。

　　一些机器人可以 社交互动. 命运，1998年创建的机器人 麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL)，识别人类肢体语言和语音变化并做出适当的反应。从那时起，交互式机器人已经商业化，有些被用作老年人的伴侣。虽然机器人有助于清洁和移动辅助，但增加交互性会有所帮助 减少老年人的社会孤立.

　　人工智能的真正挑战是了解自然程度 情报 工程。开发人工智能并不像建造人造心脏——科学家没有一个简单、具体的模型可供使用。我们确实知道 脑 包含数十亿个神经元，我们通过在不同神经元之间建立电连接来思考和学习。但我们并不确切知道所有这些联系是如何加起来的，甚至是低层次的推理。复杂的电路似乎难以理解。

　　正因为如此，人工智能研究在很大程度上是理论性的。科学家们假设我们如何以及为什么学习和思考，他们用机器人来试验他们的想法。麻省理工学院CSAIL的研究人员专注于人形机器人，因为他们觉得能够像人类一样体验世界 是必不可少的 发展类似人类的智能。它还使人们更容易与机器人互动，这可能会使机器人更容易学习。

　　正如物理机器人设计是理解动物和人体解剖学的便捷工具一样，人工智能研究对于理解自然智能的工作原理也很有用。对于一些机器人专家来说，这种洞察力是设计机器人的最终目标。其他人则设想了一个世界，我们与智能机器并肩生活，并使用各种较小的机器人进行体力劳动，医疗保健和通信。一些 机器人专家预测 机器人的进化最终将把我们变成半机械人——人类与机器的整合。可以想象，未来的人们可以将他们的思想装入一个坚固的机器人中，并活上数千年!

　　无论如何，机器人在未来的日常生活中肯定会发挥更大的作用。在接下来的几十年里，机器人将逐渐走出工业和科学世界，进入日常生活，就像计算机在1980年代传播到家庭一样。