智能机器人方案原理（深度解析机器人工作原理）
智能机器人方案原理（深度解析机器人工作原理）所有这些东西都被认为是机器人，至少有些人是这么认为的。最宽泛的定义是，机器人是指许多人认为是机器人的任何东西。大多数机器人专家(制造机器人的人)使用更精确的定义。他们定义的机器人有一个能驱动身体且可重复编程的大脑(电脑)。你可能听说过这些著名的机器人:在这篇文章中，我们将探索机器人的基本概念，并找出机器人是如何做他们所做的事情的。工业机器人领域的先驱约瑟夫•恩格尔伯格(Joseph Engelberger)曾说过：“我不能定义一个机器人，但当我看到它时，我就知道了。”如果你考虑所有不同的机器人们称之为机器人，你会发现几乎不可能得出一个全面的定义。每个人对机器人的构成都有不同的看法。本田的ASIMO：可以像人一样用两条腿走路的机器人
美国国家航空航天局的城市机器人URBIE采用软件控制的摄像头和传感器，可以在各种地形中自主运行。URBIE检查出对人类研究者构成潜在风险的区域。
组成在最基本的层面上，人类由五个主要组成部分组成:
- 身体结构
- 一种移动身体结构的肌肉系统
- 接收身体和周围环境信息的感觉系统
- 激活肌肉和传感器的电源
- 一个处理感觉信息并告诉肌肉该做什么的大脑系统
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，上面的清单基本能够涵盖的。
机器人由完全相同的部件组成。一个典型的机器人有一个可移动的物理结构，一个某种类型的马达，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”。本质上，机器人是自然界动物的人造版本——它们是复制人类和动物行为的机器。
在这篇文章中，我们将探索机器人的基本概念，并找出机器人是如何做他们所做的事情的。
机器人的定义工业机器人领域的先驱约瑟夫•恩格尔伯格(Joseph Engelberger)曾说过：“我不能定义一个机器人，但当我看到它时，我就知道了。”如果你考虑所有不同的机器人们称之为机器人，你会发现几乎不可能得出一个全面的定义。每个人对机器人的构成都有不同的看法。
本田的ASIMO：可以像人一样用两条腿走路的机器人
你可能听说过这些著名的机器人:
- R2D2和C-3PO：在《星球大战》电影中拥有大量个性的智能机器人。
- 索尼的AIBO：是一种通过人际互动学习的机器狗
- 本田的ASIMO：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
- Data：《星际迷航》中的人类机器人
- 战斗机器人：美国大片中经常出现的遥控战士。
- 拆弹机器人
- 美国宇航局的火星探测器
- HAL：斯坦利·库布里克的《2001：太空漫游》中的电脑
- Robomower：来自友好机器人公司的割草机器人
- 电视连续剧《迷失太空》中的机器人
- 头脑风暴：乐高流行的机器人工具包
所有这些东西都被认为是机器人，至少有些人是这么认为的。最宽泛的定义是，机器人是指许多人认为是机器人的任何东西。大多数机器人专家(制造机器人的人)使用更精确的定义。他们定义的机器人有一个能驱动身体且可重复编程的大脑(电脑)。
根据这个定义，机器人与其他可移动机器(如汽车)的区别在于它们的计算机元素。很多新车都有车载电脑，但这只是为了做一些小小的调整。你通过各种机械装置直接控制汽车的大部分部件。机器人在其物理性质上与普通计算机不同——普通计算机没有与之相连的物理实体。
机器人的组成
由美国国家航空航天局开发的机器人手由微型电机驱动的金属部分组成。手是机器人设计中最困难的结构之一。
绝大多数机器人都有几个共同的特点。首先，几乎所有的机器人都有一个可移动的身体。有些只有电动轮子，有些则有几十个可移动的部件，通常是由金属或塑料制成的。就像你身体里的骨头一样，各个部分与关节相连。
机器人用某种执行机构旋转轮子和旋转关节。有些机器人用电动机和螺线管作为执行机构；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)；有些机器人甚至可能使用所有这些执行机构类型。
机器人需要一个动力源来驱动这些执行器。大多数机器人要么有电池，要么就插在墙上。液压机器人也需要一个泵来给液压流体加压，而气动机器人需要一个空压机或压缩空气罐。
驱动器都与电路连接。该电路直接为电动机和电磁阀提供动力，并通过操纵阀门激活液压系统。这些阀门决定了加压流体通过机器的路径。例如，为了移动一个液压支架，机器人的控制器会打开阀门，将该阀门从流体泵连接到该支架上的活塞缸。加压的流体将延长活塞，旋转腿向前。通常情况下，为了使它们的线段向两个方向移动，机器人会使用活塞来推动两种方向。
机器人的电脑控制着所有连接到电路的东西。为了移动机器人，电脑会打开所有必要的马达和阀门。大多数机器人都是可重新编程的——为了改变机器人的行为，你只需在它的电脑上写一个新程序。
并不是所有的机器人都有感觉系统，很少的机器人设计有视觉、听觉、嗅觉或味觉的能力。最常见的机器人感觉是运动的感觉——机器人监控自己运动的能力。一个标准的设计使用连接到机器人关节的槽轮。在轮子的一边，一个LED灯会把一束光从槽口照射到轮子另一边的一个光传感器上。当机器人移动一个特定的关节时，槽轮转动，槽就会挡住光束。光传感器读取闪烁的光的模式，并将数据传输到计算机。计算机基于这种模式可以精确地判断出这个关节旋转了多远。这也是在计算机鼠标中使用的基本原理。
这些是机器人的基本构件。机器人专家可以用无数种方式将这些元素组合在一起，创造出无限复杂的机器人。
机器人如何工作
机器人手臂是汽车制造业的重要组成部分
“机器人”一词来源于捷克语robota，一般译为“强迫劳工”。这描述了绝大多数的机器人。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。他们处理那些对人类来说困难、危险或无聊的任务。
最常见的制造机器人是机械臂。一个典型的机械臂由七个金属部分组成，六个关节相连。计算机通过旋转连接到每个关节的单个步进电机来控制机器人（一些较大的手臂使用液压或气动）。与普通的电动机不同，步进电动机的运动是完全递增的。这使得计算机能够非常精确地移动手臂，反复重复同样的动作。这个机器人使用运动传感器来确保它的移动量是正确的。
汽车制造业中的机器人手臂正在工作
一个有六个关节的工业机器人很像人的手臂，它有一个肩膀、一个肘和一个手腕。通常，肩膀被安装在一个固定的基础结构而不是一个可移动的身体。这种机器人有6个自由度，这意味着它可以以6种不同的方式旋转。相比之下，人的手臂有7个自由度。
你手臂的工作就是把你的手从一个地方移动到另一个地方。类似地，机械臂的工作是将末端执行器从一个地方移动到另一个地方。你可以给机器手臂安装各种末端执行器，它们适合于特定的应用。一种常见的末端执行器是简化版的手，它可以抓取和搬运不同的物体。机械手通常有内置的压力传感器，可以告诉电脑机器人抓住特定物体的力度。这样机器人就不会掉落或损坏它所携带的任何东西。其他末端效应器包括喷灯、电钻和喷漆。
工业机器人被设计成在受控的环境中反复做同样的事情。例如，一个机器人可能会把瓶盖拧到流水线上的花生酱罐子上。为了教会机器人如何工作，程序员用手持控制器引导手臂的运动。机器人将精确的动作序列存储在它的记忆中，并且每当一个新部件从装配线上下来时，它就会反复地这样做。
大多数工业机器人在汽车装配线上工作，把汽车组装在一起。机器人能比人类更有效地完成这些工作，因为它们非常精确。他们总是在完全相同的地方钻孔，而且他们总是用同样的力度拧紧螺栓，不管他们工作了多少小时。制造机器人在计算机工业中也很重要。制作一个微型芯片需要非常精确的手。
美国宇航局的FIDO Rover是专为火星探测而设计的。
机器人手臂相对容易建造和编程，因为它们只在一个封闭的区域内操作。当你把一个机器人放到现实世界上时，事情就变得有点棘手了。
第一个障碍是给机器人一个能稳定工作的运动系统。如果机器人只需要在光滑的地面上移动，轮子或轨道是最好的选择。如果车轮和履带足够大的话，也可以在崎岖的地形上工作。但机器人设计师通常会把目光放在腿上，因为它们的适应性更强。制造有腿的机器人还能帮助研究人员了解自然运动——这是生物学研究中的一项有益的练习。
从太空探索到地雷探测，移动机器人被广泛应用。图示为富士通的HOAP-1机器人。
通常，用液压或气动活塞前后移动机器人的腿。活塞附着在不同的腿上，就像肌肉附着在不同的骨头上一样。这是一个真正的技巧，让所有的活塞都能正常工作。作为一个婴儿，你的大脑必须找到正确的肌肉收缩组合才能直立行走而不跌倒。类似地，机器人设计师必须找到与行走相关的活塞运动的正确组合，并将这些信息输入到机器人的计算机中。许多移动机器人都有一个内置的平衡系统(例如，一个陀螺仪的集合)，它可以告诉计算机何时需要纠正它的运动。
NASA的蛙型机器人使用弹簧、连杆和马达从一个地方跳到另一个地方。
两足行走（两条腿走路）天生就不稳定，这使得机器人很难实现。为了创造出更稳定的机器人步行者，设计师们通常会观察动物世界，特别是昆虫。六条腿的昆虫有非常好的平衡能力，它们能很好地适应各种地形。
一些移动机器人由遥控器控制，由一个人通过遥控器告诉他们该做什么，什么时候做。遥控器可以通过附加的电线与机器人通信，或者使用无线电或红外信号。远程机器人，通常被称为傀儡机器人，在探索危险或难以接近的环境时很有用，比如深海或火山内部。有些机器人仅由遥控器部分控制。例如，操作者可以引导机器人到某个特定的地点，而不是在那里操控——机器人会找到自己的路。
Urbie 自主设计用于各种城市作业，包括军事侦察和救援行动。
自动机器人可以独立于任何控制器，独立自主行动。其基本思想是对机器人进行编程，使其对外界刺激做出某种反应。这个非常简单的“碰撞-前进”机器人很好地说明了它是如何工作的。
这种机器人有一个碰撞传感器来检测障碍物。当你把机器人打开时，它会沿着一条直线向前移动。当它最终遇到障碍物时，碰撞会触发碰撞传感器。机器人的程序告诉它后退，向右转，再次向前移动，以响应每一次碰撞。这样，只要遇到障碍物，机器人就会改变方向。
先进的机器人使用更复杂的版本。机器人学家创造了新的程序和传感器系统，使机器人更聪明、更有洞察力。今天，机器人可以有效地驾驭各种环境。
更简单的移动机器人使用红外线或超声波传感器来观察障碍物。这些传感器的工作原理与动物回声定位相同：机器人发出声音信号或一束红外线，并检测信号的反射。机器人根据信号反弹的时间来定位障碍物的距离。
立体视觉机器人通过不同的摄像头获取物体距离信息，这个图就非常明显的标识出不同物体的距离，这个距离信息用不同颜色标识出来。
更先进的机器人使用立体视觉来观察周围的世界。两个摄像头赋予这些机器人深度感知能力，图像识别软件赋予它们定位和分类各种物体的能力。机器人也可以使用麦克风和嗅觉传感器来分析周围的世界。
有些自动机器人只能在熟悉的、受限的环境中工作。例如，修剪草坪的机器人依靠埋在地下的边界标记来确定院子的界限。一个清洁办公室的机器人可能需要一张大楼的地图才能从一个地方移动到另一个地方。
更先进的机器人可以分析和适应不熟悉的环境，甚至可以适应地形崎岖的地区。这些机器人可以将某些地形图案与某些动作联系起来。举个例子，一个漫游者机器人可能会根据它的视觉传感器来绘制前方陆地的地图。如果地图显示了一个非常崎岖的地形，机器人就知道要走另一条路。这种系统对于在其他星球上运行的探索性机器人非常有用。
另一种机器人设计采用了一种不那么结构化的方法——随机性。当这类机器人被卡住时，它会四处移动它的附件，直到有东西能工作。力传感器与执行器的工作非常密切，而不是计算机根据一个程序指导一切。这就像一只蚂蚁试图克服一个障碍，当它需要克服一个障碍时，它似乎不会做出决定，它只是不断地尝试，直到它克服它。
自制的机器人
自制机器人
前面我们关注了机器人世界中最著名的领域——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领域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，世界各地的车库和地下室里都有一小群热爱机器人的爱好者。
自制机器人学是一种迅速发展的亚文化，具有相当规模的网络应用。业余机器人学家们用商业机器人工具包、邮购组件、玩具甚至老式录像机将他们的作品拼凑在一起。
自制机器人和专业机器人一样多种多样。一些周末机器人专家摆弄着精巧的步行机器人，一些人设计自己的服务机器人，另一些人创造出竞争机器人。最常见的竞争机器人是远程控制战斗机，就像你在《太空堡垒》中看到的那样。这些机器不被认为是“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机大脑。他们基本上都是改装过的遥控车。
更先进的竞争机器人由计算机控制。例如，足球机器人在没有人工输入的情况下进行小型的足球运动。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独立机器人。计算机用摄像机“看到”整个足球场，然后根据颜色选择自己的队员、对手的队员、球和球门。计算机每秒钟处理这些信息，并决定如何指导自己的团队。
适应性和普遍性
三菱重工生产的人形机器人“牛若丸”
个人计算机革命的特点是具有非凡的适应性。标准化的硬件和编程语言使计算机工程师和业余程序员能够根据自己的特殊目的来设计计算机。电脑组件有点像艺术用品——它们有无限的用途。
迄今为止，大多数机器人更像是厨房用具。机器人专家们为了一个特定的目的而从头开始构建它们。它们不能很好地适应全新的应用程序。
这种情况可能正在改变。一家名为“进化机器人学”的公司正在开创适应性机器人所依赖的硬件和软件世界。该公司希望通过易于使用的“机器人开发工具包”为自己开拓一片天地。
机器人开发工具包
这些工具包有一个开放的软件平台，专门针对一系列常见的机器人功能。例如，机器人专家可以很容易地让他们的创造物有能力跟踪目标，听语音指令和绕过障碍物。从技术的角度来看，这些功能都不是革命性的，但是在一个简单的开发包中就能使用它们是很不寻常的。
这些工具包还附带了通用的机器人硬件，可以轻松地与软件连接。标准的组件配有红外传感器、马达、麦克风和摄像机。机器人专家把所有这些部件与一个增强的安装装置放在一起——一个铝车身件和坚固的轮子的集合。
当然，这些套件并不是你的普通建筑套装。售价超过700美元的玩具并不便宜。但它们是迈向新型机器人的重要一步。在不久的将来，创造一个新的机器人来清洁你的房子，或者在你不在的时候照顾你的宠物，这可能就像编写一个基本的程序来平衡你的开支一样简单。
机器人的高级阶段——人工智能人工智能可以说是机器人领域中最令人兴奋的领域。这无疑是最具争议性的：每个人都同意机器人可以在装配线上工作，但在机器人是否能变得智能这一问题上没有达成共识。
就像“机器人”这个词本身一样，人工智能很难定义。终极人工智能将是人类思维过程的再创造——一个拥有我们智力的人造机器。这将包括学习任何东西的能力、推理的能力、使用语言的能力以及表达原创思想的能力。机器人专家远未达到人工智能的水平，但他们已经在更有限的人工智能上取得了很大的进步。今天的人工智能机器可以复制智力能力的某些特定元素。
计算机已经可以在有限的范围内解决问题。人工智能解决问题的基本思想非常简单，尽管它的执行是复杂的。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。计算机将这些信息与存储的数据进行比较，并决定这些信息的含义。计算机运行各种可能的操作，并根据收集到的信息预测哪个操作最成功。当然，计算机只能解决编程要解决的问题——它没有任何广义的分析能力。国际象棋计算机就是这种机器的一个例子。
一些现代机器人也有有限的学习能力。学习机器人能识别某个动作（例如，以某种方式移动腿）是否达到了预期的效果（在障碍物上导航）。机器人将这些信息存储起来，并在下次遇到相同情况时尝试成功的操作。同样，现代计算机只能在非常有限的情况下做到这一点。他们不能像人类一样吸收任何信息。有些机器人可以通过模仿人类的动作来学习。在日本，机器人学家通过展示机器人的动作来教机器人跳舞。有些机器人可以进行社交互动。
Kismet机器人是世界上第一个社交机器人
有些机器人可以进行社交互动。M.I.T人工智能实验室机器人的一款机器人Kismet， 能够识别人体语言和声音的变化，并做出适当的反应。Kismet的创造者们对人类和婴儿的互动方式很感兴趣，仅仅是基于说话的语调和视觉线索。这种低层次的互动可能是类人学习系统的基础。
在麻省理工学院人工智能实验室，Kismet和其他类人机器人使用一种非传统的控制结构进行操作。机器人不是用中央计算机来指挥每一个动作，而是用低级别的计算机控制较低级别的动作。该项目的负责人罗德尼布鲁克斯(Rodney Brooks)认为，这是一个更准确的人类智能模型。我们大多数事情都是自动完成的；我们不决定在意识的最高层次做这些事。
人工智能的真正挑战是理解自然智能是如何工作的。开发人工智能并不像建造人造心脏——科学家没有一个简单的、具体的模型来工作。我们知道大脑中有数十亿的神经元，我们通过建立不同神经元之间的电连接来思考和学习。但是我们不知道所有这些联系是如何形成更高的推理，甚至是低层次的操作的。复杂的电路似乎难以理解。
因此，人工智能研究在很大程度上是理论性的。科学家们假设我们是如何以及为什么学习和思考的，他们用机器人来试验他们的想法。布鲁克斯和他的团队专注于类人机器人，因为他们认为能够像人类一样体验世界是开发类人智能的关键。这也使得人们更容易与机器人互动，这可能会让机器人更容易学习。
就像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是如何工作的也很有用。对于一些机器人学家来说，这种洞察力是设计机器人的终极目标。另一些人设想一个我们与智能机器并肩生活的世界，并使用各种小机器人来进行体力劳动、医疗保健和通讯。许多机器人专家预测，机器人进化最终将把我们变成半机械人——人类与机器融合在一起。可以想象的是，未来的人们可以把他们的思想装进一个坚固的机器人里，然后活上千年!
无论如何，未来的机器人必将在我们的日常生活中扮演更重要的角色。在未来的几十年里，机器人将逐渐走出工业和科学的世界，进入日常生活，就像80年代电脑进入家庭一样。
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