機(jī)器人一詞來(lái)自捷克語(yǔ)robota，通常翻譯為“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。世界上大多數(shù)機(jī)器人都是為繁重的重復(fù)制造工作而設(shè)計(jì)的。他們處理艱巨，危險(xiǎn)或無(wú)聊的任務(wù)。
最常見(jiàn)的制造機(jī)器人是機(jī)械臂。 典型的機(jī)械臂由七個(gè)金屬段組成，并由六個(gè)關(guān)節(jié)相連。計(jì)算機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接到每個(gè)關(guān)節(jié)的單個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制機(jī)器人（某些較大的臂使用液壓或氣動(dòng)裝置）。與普通電動(dòng)機(jī)不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以精確的增量運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)器人。這使計(jì)算機(jī)可以非常精確地移動(dòng)手臂，一次又一次地重復(fù)相同的動(dòng)作。機(jī)器人使用運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)確保其可以按照指令進(jìn)行工作。
具有六個(gè)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人非常類(lèi)似于人的手臂，它相當(dāng)于肩膀，肘部和手腕。通常，肩部被安裝到固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。這種類(lèi)型的機(jī)器人具有六個(gè)自由度，這意味著它可以以六種不同方式樞轉(zhuǎn)。相比之下，人的手臂有七個(gè)自由度。
手臂的工作是將手從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。同樣，機(jī)械臂的工作是將末端執(zhí)行器從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。您可以為機(jī)械臂配備各種適合特定應(yīng)用的末端執(zhí)行器。一種常見(jiàn)的末端執(zhí)行器是類(lèi)似于手的簡(jiǎn)化版本，可以抓握和攜帶不同的對(duì)象。機(jī)器人手通常具有內(nèi)置的壓力傳感器，這些壓力傳感器可告訴機(jī)器人抓握特定物體的力度。這樣可以防止機(jī)器人掉落或破壞所攜帶的物品。其他末端執(zhí)行器包括噴燈，鉆和噴涂機(jī)。
工業(yè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)為在一遍又一遍地在受控環(huán)境中做完全相同的事情。例如，機(jī)器人可能會(huì)將瓶蓋擰到沿裝配線(xiàn)下降的花生醬罐上。為了教機(jī)器人如何完成工作，程序員使用手持控制器引導(dǎo)手臂完成動(dòng)作。機(jī)器人將精確的運(yùn)動(dòng)順序存儲(chǔ)在其內(nèi)存中，并在每次有新單元從裝配線(xiàn)下來(lái)時(shí)并一次又一次地執(zhí)行。
大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都在汽車(chē)裝配線(xiàn)上工作，將汽車(chē)組裝在一起。機(jī)器人比人類(lèi)能更有效地完成許多工作，因?yàn)樗鼈兪侨绱司_。他們總是在完全相同的位置鉆孔，無(wú)論工作了多少小時(shí)，他們總是以相同的力擰緊螺栓。制造機(jī)器人在計(jì)算機(jī)行業(yè)中也非常重要。組裝一個(gè)微小的芯片需要非常精確的計(jì)算。
艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在幾本小說(shuō)和短篇小說(shuō)中持較為樂(lè)觀的態(tài)度。在他的作品中，機(jī)器人是善良，樂(lè)于助人的生物，遵循對(duì)人類(lèi)非暴力的規(guī)范- “機(jī)器人法則”。
絕大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)具有幾個(gè)共同點(diǎn)。
首先，幾乎所有的機(jī)器人都具有可移動(dòng)的主體。一些僅具有電動(dòng)輪，而另一些則具有數(shù)十個(gè)通常由金屬或塑料制成的可移動(dòng)段。就像您身體中的骨頭一樣，各個(gè)節(jié)段通過(guò)關(guān)節(jié)連接在一起。
機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪子并用某種致動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)節(jié)。一些機(jī)器人使用電動(dòng)機(jī)和螺線(xiàn)管作為執(zhí)行器。有些使用液壓系統(tǒng) ; 有些使用氣動(dòng)系統(tǒng)（由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)）。機(jī)器人可以使用所有這些執(zhí)行器類(lèi)型。
機(jī)器人需要電源來(lái)驅(qū)動(dòng)這些執(zhí)行器。大多數(shù)機(jī)器人要么有電池，要么插入墻壁。液壓機(jī)器人還需要用泵對(duì)液壓流體加壓，而氣動(dòng)機(jī)器人則需要空氣壓縮機(jī)或壓縮空氣罐。
執(zhí)行器全部連接到電路。該電路直接為電動(dòng)馬達(dá)和螺線(xiàn)管供電，并通過(guò)操縱電動(dòng)閥來(lái)激活液壓系統(tǒng)。閥門(mén)確定加壓流體通過(guò)機(jī)器的路徑。例如，要移動(dòng)液壓支腳，機(jī)器人的控制器將打開(kāi)從流體泵到連接到該支腳的活塞缸的閥。加壓的流體將使活塞伸出，使支腿向前旋轉(zhuǎn)。通常，為了在兩個(gè)方向上移動(dòng)其段，機(jī)器人使用可以雙向推動(dòng)的活塞。
機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制連接到電路的所有物體。要移動(dòng)機(jī)器人，計(jì)算機(jī)會(huì)打開(kāi)所有必需的電動(dòng)機(jī)和閥門(mén)。大多數(shù)機(jī)器人都是可重新編程的 -要更改機(jī)器人的行為，只需將新程序?qū)懭肫溆?jì)算機(jī)即可。
并非所有的機(jī)器人都具有感官系統(tǒng)，并且很少有機(jī)器人能夠看到，聽(tīng)到，聞到或嘗到味道。機(jī)器人最常見(jiàn)的感覺(jué)是運(yùn)動(dòng)感，即機(jī)器人監(jiān)視自身運(yùn)動(dòng)的能力。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)使用附在機(jī)器人關(guān)節(jié)上的開(kāi)槽輪。車(chē)輪一側(cè)的LED通過(guò)插槽發(fā)出光束，照射到車(chē)輪另一側(cè)的光傳感器。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)特定的關(guān)節(jié)時(shí)，帶槽的車(chē)輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，狹縫會(huì)破壞光束。光傳感器讀取閃爍的光并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)此模式準(zhǔn)確分辨出關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)了多遠(yuǎn)。這與計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中使用的基本原理是相同的。
這些是機(jī)器人技術(shù)的基本要素。機(jī)器人專(zhuān)家可以無(wú)限多種方式組合這些要素，以創(chuàng)建無(wú)限復(fù)雜的機(jī)器人。
具有六個(gè)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人非常類(lèi)似于人的手臂，它相當(dāng)于肩膀，肘部和手腕。通常，肩部被安裝到固定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而不是可移動(dòng)的主體。這種類(lèi)型的機(jī)器人具有六個(gè)自由度，這意味著它可以以六種不同方式樞轉(zhuǎn)。相比之下，人的手臂有七個(gè)自由度。
手臂的工作是將手從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。同樣，機(jī)械臂的工作是將末端執(zhí)行器從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。您可以為機(jī)械臂配備各種適合特定應(yīng)用的末端執(zhí)行器。機(jī)器人手通常具有內(nèi)置的壓力傳感器，這些壓力傳感器可告訴計(jì)算機(jī)機(jī)器人抓握特定物體的力度。這樣可以防止機(jī)器人掉落或破壞所攜帶的物品。其他末端執(zhí)行器包括噴燈，鉆和噴涂機(jī)。
如果機(jī)器人只需要在光滑的地面上移動(dòng)，則最好選擇輪子或履帶。如果車(chē)輪和履帶足夠大，它們也可以在較粗糙的地形上工作。但是，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員通常會(huì)改用腿，因?yàn)樗鼈兏哌m應(yīng)性。建造有腿的機(jī)器人還可以幫助研究人員了解自然運(yùn)動(dòng)-這在生物學(xué)研究中是一項(xiàng)有用的練習(xí)。
通常，液壓或氣動(dòng)活塞可前后移動(dòng)機(jī)器人的腿。活塞附著在不同的腿部上，就像肌肉附著在不同的骨骼上一樣。讓所有這些活塞正確協(xié)同工作是一個(gè)真正的技巧。作為嬰兒，您的大腦必須找出正確的肌肉收縮組合才能直立行走而不會(huì)跌倒。同樣，機(jī)器人設(shè)計(jì)者必須找出與行走有關(guān)的活塞運(yùn)動(dòng)的正確組合，并將此信息編程到機(jī)器人的計(jì)算機(jī)中。許多移動(dòng)機(jī)器人都具有內(nèi)置的平衡系統(tǒng)（例如陀螺儀集合），可以告訴計(jì)算機(jī)何時(shí)需要校正其運(yùn)動(dòng)。
雙足運(yùn)動(dòng)（兩條腿走路）天生就不穩(wěn)定，這使得它很難在機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)。為了創(chuàng)造出更穩(wěn)定的機(jī)器人助行器，設(shè)計(jì)師通常會(huì)著眼于動(dòng)物世界，尤其是昆蟲(chóng)。六足昆蟲(chóng)具有出色的平衡性，并且可以很好地適應(yīng)各種地形。
一些移動(dòng)機(jī)器人由遙控器控制-有人告訴他們做什么和何時(shí)做。遙控器可能通過(guò)連接的電線(xiàn)或使用無(wú)線(xiàn)電或紅外信號(hào)與機(jī)器人進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程機(jī)器人（通常稱(chēng)為木偶機(jī)器人）對(duì)于探索危險(xiǎn)或人跡罕至的環(huán)境（例如深海或火山內(nèi)部）非常有用。有些機(jī)器人僅部分受遙控器控制。例如，操作員可能會(huì)指示機(jī)器人去某個(gè)地方，但不能將其引導(dǎo)到那里-機(jī)器人會(huì)找到自己的方式。
自主機(jī)器人可以獨(dú)立于任何控制器獨(dú)立發(fā)揮作用。基本思想是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使其對(duì)外界刺激做出某種反應(yīng)。非常簡(jiǎn)單的即走即走機(jī)器人很好地說(shuō)明了其工作原理。
這種機(jī)器人具有保險(xiǎn)杠傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物。當(dāng)您打開(kāi)機(jī)器人時(shí)，它會(huì)沿直線(xiàn)滑動(dòng)。當(dāng)它最終撞到障礙物時(shí)，沖擊力推入其保險(xiǎn)杠傳感器。機(jī)器人的編程告訴它后退，向右轉(zhuǎn)并再次向前移動(dòng)，以應(yīng)對(duì)每個(gè)碰撞。這樣，機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)會(huì)隨時(shí)改變方向。
先進(jìn)的機(jī)器人使用這種想法的更詳盡的版本。機(jī)器人專(zhuān)家創(chuàng)建了新的程序和傳感器系統(tǒng)，以使機(jī)器人更智能，更具感知力。如今，機(jī)器人可以有效地在各種環(huán)境中導(dǎo)航。
較簡(jiǎn)單的移動(dòng)機(jī)器人使用紅外或超聲波傳感器來(lái)查看障礙物。這些傳感器的工作方式與動(dòng)物回聲定位相同：機(jī)器人發(fā)出聲音信號(hào)或紅外光束，并檢測(cè)信號(hào)的反射。機(jī)器人根據(jù)信號(hào)反彈所需的時(shí)間來(lái)確定到障礙物的距離。
更先進(jìn)的機(jī)器人使用立體視覺(jué)來(lái)觀察周?chē)氖澜纭膳_(tái)攝像機(jī)使這些機(jī)器人具有深度感知能力，而圖像識(shí)別軟件使他們能夠?qū)Ω鞣N物體進(jìn)行定位和分類(lèi)。機(jī)器人可能還會(huì)使用麥克風(fēng)和氣味傳感器來(lái)分析周?chē)沫h(huán)境。
一些自主機(jī)器人只能在熟悉的受限環(huán)境中工作。例如，割草機(jī)器人依靠掩埋的邊界標(biāo)記來(lái)定義其院子的范圍。辦公清潔機(jī)器人可能需要建筑物的地圖才能進(jìn)行逐點(diǎn)操作。
更高級(jí)的機(jī)器人可以分析并適應(yīng)陌生的環(huán)境，甚至適用于崎rough的地形。這些機(jī)器人可以將某些地形模式與某些動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。例如，一個(gè)漫游者機(jī)器人可能會(huì)根據(jù)其視覺(jué)傳感器在其前方構(gòu)建土地地圖。如果地圖顯示非常崎bump的地形圖案，則機(jī)器人會(huì)知道以其他方式行駛。這種系統(tǒng)對(duì)于在其他行星上運(yùn)行的探索性機(jī)器人非常有用（請(qǐng)查看JPL Robotics了解更多信息）。
另一種機(jī)器人設(shè)計(jì)采用的是結(jié)構(gòu)化程度較低的方法- 隨機(jī)性。當(dāng)這種類(lèi)型的機(jī)器人卡住時(shí)，它會(huì)沿每種方式移動(dòng)其附件，直到有東西起作用為止。力傳感器與執(zhí)行器緊密配合，而不是由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序控制一切。這就像一只螞蟻試圖越過(guò)障礙物-當(dāng)它需要越過(guò)障礙物時(shí)似乎并沒(méi)有做出決定，它只是不斷地嘗試直到克服它為止。
人工智能（AI）可以說(shuō)是機(jī)器人技術(shù)中最令人興奮的領(lǐng)域。當(dāng)然，這是最有爭(zhēng)議的：每個(gè)人都同意機(jī)器人可以在裝配線(xiàn)中工作，但是對(duì)于機(jī)器人是否能夠智能化尚無(wú)共識(shí)。
就像術(shù)語(yǔ)“機(jī)器人”本身一樣，人工智能也很難定義。終極AI將重現(xiàn)人類(lèi)思維過(guò)程-具有我們智力能力的人造機(jī)器。這將包括學(xué)習(xí)幾乎所有東西的能力，推理的能力，使用語(yǔ)言的能力以及提出原創(chuàng)思想的能力。機(jī)器人專(zhuān)家距離實(shí)現(xiàn)這一人工智能水平還遙遙無(wú)期，但他們?cè)谟邢薜腁I方面取得了很大進(jìn)步。如今的AI機(jī)器可以復(fù)制某些特定的智力能力。
計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以在有限的領(lǐng)域內(nèi)解決問(wèn)題。解決問(wèn)題的基本思想很簡(jiǎn)單，盡管執(zhí)行起來(lái)很復(fù)雜。首先，AI機(jī)器人或計(jì)算機(jī)通過(guò)傳感器或人工輸入來(lái)收集有關(guān)情況的事實(shí)。計(jì)算機(jī)將該信息與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并確定該信息表示什么。計(jì)算機(jī)會(huì)執(zhí)行各種可能的操作，并根據(jù)收集到的信息預(yù)測(cè)哪個(gè)操作最成功。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)只能解決其編程要解決的問(wèn)題-它沒(méi)有任何通用的分析能力。象棋計(jì)算機(jī)就是這種機(jī)器的一個(gè)例子。
一些現(xiàn)代機(jī)器人也有能力以有限的能力進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)型機(jī)器人會(huì)識(shí)別某種動(dòng)作（例如，以某種方式移動(dòng)其腿部）是否達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果（導(dǎo)航障礙物）。機(jī)器人會(huì)存儲(chǔ)此信息，并在下次遇到相同情況時(shí)嘗試成功執(zhí)行操作。同樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只能在非常有限的情況下執(zhí)行此操作。他們無(wú)法像人類(lèi)一樣吸收任何類(lèi)型的信息。有些機(jī)器人可以通過(guò)模仿人類(lèi)的動(dòng)作來(lái)學(xué)習(xí)。在日本，機(jī)器人手教機(jī)器人通過(guò)演示動(dòng)作來(lái)跳舞。
一些機(jī)器人可以進(jìn)行社交互動(dòng)。麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人Kismet可以識(shí)別人體語(yǔ)言和語(yǔ)音變化，并做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。Kismet的創(chuàng)作者僅根據(jù)語(yǔ)氣和視覺(jué)提示對(duì)人與嬰兒的互動(dòng)方式感興趣。這種低層次的互動(dòng)可能是類(lèi)似人類(lèi)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
麻省理工學(xué)院AI實(shí)驗(yàn)室的Kismet和其他類(lèi)人機(jī)器人使用非常規(guī)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作。機(jī)器人沒(méi)有使用中央計(jì)算機(jī)來(lái)指揮每個(gè)動(dòng)作，而是使用較低級(jí)別的計(jì)算機(jī)控制較低級(jí)別的動(dòng)作。該計(jì)劃的主任羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks）認(rèn)為，這是一種更準(zhǔn)確的人類(lèi)智能模型。我們自動(dòng)完成大多數(shù)事情；我們不決定以最高的意識(shí)水平去做。
人工智能的真正挑戰(zhàn)是了解自然智能的工作原理。開(kāi)發(fā)AI并不像建立人造心臟-科學(xué)家沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單，具體的模型可以工作。我們確實(shí)知道大腦包含數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元，并且我們通過(guò)在不同神經(jīng)元之間建立電連接來(lái)思考和學(xué)習(xí)。但是我們不確切知道所有這些連接是如何加在一起進(jìn)行高級(jí)推理甚至是低級(jí)操作的。復(fù)雜的電路似乎難以理解。
因此，人工智能研究在很大程度上是理論上的。科學(xué)家對(duì)我們學(xué)習(xí)和思考的方式和原因進(jìn)行了假設(shè)，并使用機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。Brooks和他的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于類(lèi)人機(jī)器人，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為能夠像人一樣體驗(yàn)世界對(duì)開(kāi)發(fā)類(lèi)人智力至關(guān)重要。這也使人們更容易與機(jī)器人進(jìn)行交互，從而有可能使機(jī)器人更容易學(xué)習(xí)。
正如機(jī)械機(jī)器人設(shè)計(jì)是了解動(dòng)物和人體解剖結(jié)構(gòu)一樣，人工智能研究對(duì)于理解自然情報(bào)的工作原理也非常有用。對(duì)于某些機(jī)器人專(zhuān)家而言，這是設(shè)計(jì)機(jī)器人的終極目標(biāo)。其他人則設(shè)想了一個(gè)世界，我們將與智能機(jī)器并存，并使用各種小型機(jī)器人進(jìn)行體力勞動(dòng)，醫(yī)療保健和交流。許多機(jī)器人專(zhuān)家預(yù)測(cè)，機(jī)器人的進(jìn)化最終將使我們成為半機(jī)械人的人類(lèi)。可以想象，未來(lái)的人們可以將他們的思想裝入堅(jiān)固的機(jī)器人中，并可以生存數(shù)千年！
