很多人一聽到“機器人”這(zhè)三個字腦中就會浮現“外形酷炫”、“功能(néng)強大”、“高端”等這(zhè)些詞，認爲機器人就和科幻電影裡(lǐ)的“終結者”一樣(yàng)高端炫酷。其實不然，在本文中，我們將(jiāng)探讨機器人學(xué)的基本概念，并了解機器人是如何完成(chéng)它們的任務的。

1 機器人的組成(chéng)部分

從最基本的層面(miàn)來看，人體包括五個主要組成(chéng)部分：

·身體結構

·肌肉系統，用來移動身體結構

·感官系統，用來接收有關身體和周圍環境的信息

·能(néng)量源，用來給肌肉和感官提供能(néng)量

·大腦系統，用來處理感官信息和指揮肌肉運動

當然，人類還(hái)有一些無形的特征，如智能(néng)和道(dào)德，但在純粹的物理層面(miàn)上，此列表已經(jīng)相當完備了。

機器人的組成(chéng)部分與人類極爲類似。一個典型的機器人有一套可移動的身體結構、一部類似于馬達的裝置、一套傳感系統、一個電源和一個用來控制所有這(zhè)些要素的計算機“大腦”。從本質上講，機器人是由人類制造的“動物”，它們是模仿人類和動物行爲的機器。

仿生袋鼠機器人

機器人的定義範圍很廣，大到工廠服務的工業機器人，小到居家打掃機器人。按照目前最寬泛的定義，如果某樣(yàng)東西被(bèi)許多人認爲是機器人，那麼(me)它就是機器人。許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種(zhǒng)更爲精确的定義。他們規定，機器人應具有可重新編程的大腦（一台計算機），用來移動身體。

根據這(zhè)一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同之處在于它們的計算機要素。許多新型汽車都(dōu)有一台車載計算機，但隻是用它來做微小的調整。駕駛員通過(guò)各種(zhǒng)機械裝置直接控制車輛的大多數部件。而機器人在物理特性方面(miàn)與普通的計算機不同，它們各自連接著(zhe)一個身體，而普通的計算機則不然。

大多數機器人确實擁有一些共同的特性

首先，幾乎所有機器人都(dōu)有一個可以移動的身體。有些擁有的隻是機動化的輪子，而有些則擁有大量可移動的部件，這(zhè)些部件一般是由金屬或塑料制成(chéng)的。與人體骨骼類似，這(zhè)些獨立的部件是用關節連接起(qǐ)來的。

機器人的輪與軸是用某種(zhǒng)傳動裝置連接起(qǐ)來的。有些機器人使用馬達和螺線管作爲傳動裝置；另一些則使用液壓系統；還(hái)有一些使用氣動系統（由壓縮氣體驅動的系統）。機器人可以使用上述任何類型的傳動裝置。金屬加工真不錯。

其次，機器人需要一個能(néng)量源來驅動這(zhè)些傳動裝置。大多數機器人會使用電池或牆上的電源插座來供電。此外，液壓機器人還(hái)需要一個泵來爲液體加壓，而氣動機器人則需要氣體壓縮機或壓縮氣罐。

所有傳動裝置都(dōu)通過(guò)導線與一塊電路相連。該電路直接爲電動馬達和螺線圈供電，并操縱電子閥門來啓動液壓系統。閥門可以控制承壓流體在機器内流動的路徑。比如說，如果機器人要移動一隻由液壓驅動的腿，它的控制器會打開(kāi)一隻閥門，這(zhè)隻閥門由液壓泵通向(xiàng)腿上的活塞筒。承壓流體將(jiāng)推動活塞，使腿部向(xiàng)前旋轉。通常，機器人使用可提供雙向(xiàng)推力的活塞，以使部件能(néng)向(xiàng)兩(liǎng)個方向(xiàng)活動。

機器人的計算機可以控制與電路相連的所有部件。爲了使機器人動起(qǐ)來，計算機會打開(kāi)所有需要的馬達和閥門。大多數機器人是可重新編程的。如果要改變某部機器人的行爲，您隻需將(jiāng)一個新的程序寫入它的計算機即可。

并非所有的機器人都(dōu)有傳感系統。很少有機器人具有視覺、聽覺、嗅覺或味覺。機器人擁有的最常見的一種(zhǒng)感覺是運動感，也就是它監控自身運動的能(néng)力。在标準設計中，機器人的關節處安裝著(zhe)刻有凹槽的輪子。

在輪子的一側有一個發(fā)光二極管，它發(fā)出一道(dào)光束，穿過(guò)凹槽，照在位于輪子另一側的光傳感器上。當機器人移動某個特定的關節時，有凹槽的輪子會轉動。在此過(guò)程中，凹槽將(jiāng)擋住光束。光學(xué)傳感器讀取光束閃動的模式，并將(jiāng)數據傳送給計算機。計算機可以根據這(zhè)一模式準确地計算出關節已經(jīng)旋轉的距離。計算機鼠标中使用的基本系統與此相同。

以上這(zhè)些是機器人的基本組成(chéng)部分。機器人專家有無數種(zhǒng)方法可以將(jiāng)這(zhè)些元素組合起(qǐ)來，從而制造出無限複雜的機器人。機器臂是最常見的設計之一。

2 機器人是如何工作的

英語裡(lǐ)“機器人”(Robot)這(zhè)個術語來自于捷克語單詞robota，通常譯作“強制勞動者”。用它來描述大多數機器人是十分貼切的。世界上的機器人大多用來從事(shì)繁重的重複性制造工作。它們負責那些對(duì)人類來說非常困難、危險或枯燥的任務。

最常見的制造類機器人是機器臂。一部典型的機器臂由七個金屬部件構成(chéng)，它們是用六個關節接起(qǐ)來的。計算機將(jiāng)旋轉與每個關節分别相連的步進(jìn)式馬達，以便控制機器人（某些大型機器臂使用液壓或氣動系統）。與普通馬達不同，步進(jìn)式馬達會以增量方式精确移動。這(zhè)使計算機可以精确地移動機器臂，使機器臂不斷重複完全相同的動作。機器人利用運動傳感器來确保自己完全按正确的量移動。

這(zhè)種(zhǒng)帶有六個關節的工業機器人與人類的手臂極爲相似，它具有相當于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安裝在一個固定的基座結構（而不是移動的身體）上。這(zhè)種(zhǒng)類型的機器人有六個自由度，也就是說，它能(néng)向(xiàng)六個不同的方向(xiàng)轉動。與之相比，人的手臂有七個自由度。

一個六軸工業機器人的關節

人類手臂的作用是將(jiāng)手移動到不同的位置。類似地，機器臂的作用則是移動末端執行器。您可以在機器臂上安裝适用于特定應用場景的各種(zhǒng)末端執行器。有一種(zhǒng)常見的末端執行器能(néng)抓握并移動不同的物品，它是人手的簡化版本。機器手往往有内置的壓力傳感器，用來將(jiāng)機器人抓握某一特定物體時的力度告訴計算機。這(zhè)使機器人手中的物體不緻掉落或被(bèi)擠破。其他末端執行器還(hái)包括噴燈、鑽頭和噴漆器。

工業機器人專門用來在受控環境下反複執行完全相同的工作。例如，某部機器人可能(néng)會負責給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。爲了教機器人如何做這(zhè)項工作，程序員會用一隻手持控制器來引導機器臂完成(chéng)整套動作。機器人將(jiāng)動作序列準确地存儲在内存中，此後(hòu)每當裝配線上有新的罐子傳送過(guò)來時，它就會反複地做這(zhè)套動作。

機器臂是制造汽車時使用的基本部件之一

大多數工業機器人在汽車裝配線上工作，負責組裝汽車。在進(jìn)行大量的此類工作時，機器人的效率比人類高得多，因爲它們非常精确。無論它們已經(jīng)工作了多少小時，它們仍能(néng)在相同的位置鑽孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機器人在計算機産業中也發(fā)揮著(zhe)十分重要的作用。它們無比精确的巧手可以將(jiāng)一塊極小的微型芯片組裝起(qǐ)來。

機器臂的制造和編程難度相對(duì)較低，因爲它們隻在一個有限的區域内工作。如果您要把機器人送到廣闊的外部世界，事(shì)情就變得有些複雜了。

首要的難題是爲機器人提供一個可行的運動系統。如果機器人隻需要在平地上移動，輪子或軌道(dào)往往是最好(hǎo)的選擇。如果輪子和軌道(dào)足夠寬，它們還(hái)适用于較爲崎岖的地形。但是機器人的設計者往往希望使用腿狀結構，因爲它們的适應性更強。制造有腿的機器人還(hái)有助于使研究人員了解自然運動學(xué)的知識，這(zhè)在生物研究領域是有益的實踐。

機器人的腿通常是在液壓或氣動活塞的驅動下前後(hòu)移動的。各個活塞連接在不同的腿部部件上，就像不同骨骼上附著(zhe)的肌肉。若要使所有這(zhè)些活塞都(dōu)能(néng)以正确的方式協同工作，這(zhè)無疑是一個難題。在嬰兒階段，人的大腦必須弄清哪些肌肉需要同時收縮才能(néng)使得在直立行走時不緻摔倒。

同理，機器人的設計師必須弄清與行走有關的正确活塞運動組合，并將(jiāng)這(zhè)一信息編入機器人的計算機中。許多移動型機器人都(dōu)有一個内置平衡系統（如一組陀螺儀），該系統會告訴計算機何時需要校正機器人的動作。

波士頓動力最新升級版的Atlas人形機器人

兩(liǎng)足行走的運動方式本身是不穩定的，因此在機器人的制造中實現難度極大。爲了設計出行走更穩的機器人，設計師們常會將(jiāng)眼光投向(xiàng)動物界，尤其是昆蟲。昆蟲有六條腿，它們往往具有超凡的平衡能(néng)力，對(duì)許多不同的地形都(dōu)能(néng)适應自如。

某些移動型機器人是遠程控制的，人類可以指揮它們在特定的時間從事(shì)特定的工作。遙控裝置可以使用連接線、無線電或紅外信号與機器人通信。金屬加工真不錯。遠程機器人常被(bèi)稱爲傀儡機器人，它們在探索充滿危險或人類無法進(jìn)入的環境（如深海或火山内部）時非常有用。有些機器人隻是部分受到遙控。例如，操作人員可能(néng)會指示機器人到達某個特定的地點，但不會爲它指引路線，而是任由它找到自己的路。

NASA研發(fā)可遠程控制的太空機器人R2

自動機器人可以自主行動，無需依賴于任何控制人員。其基本原理是對(duì)機器人進(jìn)行編程，使之能(néng)以某種(zhǒng)方式對(duì)外界刺激做出反應。極其簡單的碰撞反應機器人可以很好(hǎo)地诠釋這(zhè)一原理。

這(zhè)種(zhǒng)機器人有一個用來檢查障礙物的碰撞傳感器。當您啓動機器人後(hòu)，它大體上是沿一條直線曲折行進(jìn)的。當它碰到障礙物時，沖擊力會作用在它的碰撞傳感器上。每次發(fā)生碰撞時，機器人的程序會指示它後(hòu)退，再向(xiàng)右轉，然後(hòu)繼續前進(jìn)。按照這(zhè)種(zhǒng)方法，機器人隻要遇到障礙物就會改變它的方向(xiàng)。

高級機器人會以更精巧的方式運用這(zhè)一原理。機器人專家們將(jiāng)開(kāi)發(fā)新的程序和傳感系統，以便制造出智能(néng)程度更高、感知能(néng)力更強的機器人。如今的機器人可以在各種(zhǒng)環境中大展身手。

較爲簡單的移動型機器人使用紅外或超聲波傳感器來感知障礙物。這(zhè)些傳感器的工作方式類似于動物的回聲定位系統：機器人發(fā)出一個聲音信号（或一束紅外光線），并檢測信号的反射情況。機器人會根據信号反射所用的時間計算出它與障礙物之間的距離。

較高級的機器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩(liǎng)個攝像頭可以爲機器人提供深度感知，而圖像識别軟件則使機器人有能(néng)力确定物體的位置，并辨認各種(zhǒng)物體。機器人還(hái)可以使用麥克風和氣味傳感器來分析周圍的環境。

某些自動機器人隻能(néng)在它們熟悉的有限環境中工作。例如，割草機器人依靠埋在地下的界标确定草場的範圍。而用來清潔辦公室的機器人則需要建築物的地圖才能(néng)在不同的地點之間移動。

較高級的機器人可以分析和适應不熟悉的環境，甚至能(néng)适應地形崎岖的地區。這(zhè)些機器人可以將(jiāng)特定的地形模式與特定的動作相關聯。例如，一個漫遊車機器人會利用它的視覺傳感器生成(chéng)前方地面(miàn)的地圖。如果地圖上顯示的是崎岖不平的地形模式，機器人會知道(dào)它該走另一條道(dào)。這(zhè)種(zhǒng)系統對(duì)于在其他行星上工作的探索型機器人是非常有用的。

有一套備選的機器人設計方案采用了較爲松散的結構，引入了随機化因素。當這(zhè)種(zhǒng)機器人被(bèi)卡住時，它會向(xiàng)各個方向(xiàng)移動附肢，直到它的動作産生效果爲止。它通過(guò)力傳感器和傳動裝置緊密協作完成(chéng)任務，而不是由計算機通過(guò)程序指導一切。這(zhè)和螞蟻嘗試繞過(guò)障礙物時有相似之處：螞蟻在需要通過(guò)障礙物時似乎不會當機立斷，而是不斷嘗試各種(zhǒng)做法，直到繞過(guò)障礙物爲止。

3 家庭自制機器人

在本文的最後(hòu)幾部分，我們來看看機器人世界中最引人注目的領域：人工智能(néng)和研究型機器人。多年來，這(zhè)些領域的專家們使機器人科學(xué)有了長(cháng)足的進(jìn)步，但他們并不是機器人的唯一制造者。幾十年中，以此爲愛好(hǎo)的人盡管爲數很少，但充滿熱情，他們一直在全世界各地的車庫和地下室裡(lǐ)制造機器人。

家庭自制機器人是一種(zhǒng)正在迅速發(fā)展的亞文化，在互聯網上具有相當大的影響力。業餘機器人愛好(hǎo)者利用各種(zhǒng)商業機器人工具、郵購的零件、玩具甚至老式錄像機組裝出他們自己的作品。

和專業機器人一樣(yàng)，家庭自制機器人的種(zhǒng)類也是五花八門。一些到周末才能(néng)工作的機器人愛好(hǎo)者們制造出了非常精巧的行走機械，而另一些則爲自己設計了家政機器人，還(hái)有一些愛好(hǎo)者熱衷于制造競技類機器人。在競技類機器人中，人們最熟悉的是遙控機器人戰士，就像您在《戰鬥機器人》(BattleBots)節目中看到的那樣(yàng)。這(zhè)些機器算不上“真正的機器人”，因爲它們沒(méi)有可重新編程的計算機大腦。它們隻是加強型遙控汽車。

比較高級的競技類機器人是由計算機控制的。例如，足球機器人在進(jìn)行小型足球比賽時完全不需要人類輸入信息。标準的機器人足球隊由幾個單獨的機器人組成(chéng)，它們與一台中央計算機進(jìn)行通信。這(zhè)台機算機通過(guò)一部攝像機“觀察”整個球場，并根據顔色分辨足球、球門以及己方和對(duì)方的球員。計算機随時都(dōu)在處理此類信息，并決定如何指揮它的球隊。

适應性和通用性

個人計算機革命以其卓越的适應能(néng)力爲标志。标準化的硬件和編程語言使計算機工程師和業餘程序員們可以根據其特定目的制造計算機。計算機零件與工藝用品有幾分相似，它們的用途不計其數。

迄今爲止的大多數機器人更像是廚房用具。機器人專家們將(jiāng)它們制造出來以專門用于特定用途。但是它們對(duì)完全不同的應用場景的适應能(néng)力并不是很好(hǎo)。

這(zhè)種(zhǒng)情況正在改變。一家名叫(jiào)Evolution Robotics的公司開(kāi)創了适應型機器人軟硬件領域的先河。該公司希望憑借一款易用的“機器人開(kāi)發(fā)人員工具包”開(kāi)拓出自己的利基市場。

這(zhè)個工具包有一個開(kāi)放式軟件平台，專門提供各種(zhǒng)常用的機器人功能(néng)。例如，機器人學(xué)家可以很容易地將(jiāng)跟蹤目标、聽從語音指令和繞過(guò)障礙物的能(néng)力賦予它們的作品。從技術角度來看，這(zhè)些功能(néng)并不具有革命性的意義，但不同尋常的是，它們集成(chéng)在一個簡單的軟件包中。

這(zhè)個工具包還(hái)附帶了一些常見的機器人硬件，它們可以很容易地與軟件相結合。标準工具包提供了一些紅外傳感器、馬達、一部麥克風和一台攝像機。機器人專家可以利用一套加強型安裝組件將(jiāng)所有這(zhè)些部件組裝起(qǐ)來，這(zhè)套組件包括一些鋁制身體部件和結實耐用的輪子。

當然，這(zhè)個工具包不是讓您制造平庸的作品的。它的售價超過(guò)700美元，絕不是什麼(me)廉價的玩具。不過(guò)，它向(xiàng)新型機器人科學(xué)邁進(jìn)了一大步。在不遠的將(jiāng)來，如果您要制造一個可以清潔房間或在您離開(kāi)的時候照顧寵物的新型機器人，您可能(néng)隻需編寫一段BASIC程序就能(néng)做到，這(zhè)將(jiāng)爲您省下一大筆錢。

4 人工智能(néng)

人工智能(néng)(AI)無疑是機器人學(xué)中最令人興奮的領域，無疑也是最有争議的：所有人都(dōu)認爲，機器人可以在裝配線上工作，但對(duì)于它是否可以具有智能(néng)則存在分歧。

就像“機器人”這(zhè)個術語本身一樣(yàng)，您同樣(yàng)很難對(duì)“人工智能(néng)”進(jìn)行定義。終極的人工智能(néng)是對(duì)人類思維過(guò)程的再現，即一部具有人類智能(néng)的人造機器。人工智能(néng)包括學(xué)習任何知識的能(néng)力、推理能(néng)力、語言能(néng)力和形成(chéng)自己的觀點的能(néng)力。目前機器人專家還(hái)遠遠無法實現這(zhè)種(zhǒng)水平的人工智能(néng)，但他們已經(jīng)在有限的人工智能(néng)領域取得了很大進(jìn)展。如今，具有人工智能(néng)的機器已經(jīng)可以模仿某些特定的智能(néng)要素。

計算機已經(jīng)具備了在有限領域内解決問題的能(néng)力。用人工智能(néng)解決問題的執行過(guò)程很複雜，但基本原理卻非常簡單。首先，人工智能(néng)機器人或計算機會通過(guò)傳感器（或人工輸入的方式）來收集關于某個情景的事(shì)實。計算機將(jiāng)此信息與已存儲的信息進(jìn)行比較，以确定它的含義。計算機會根據收集來的信息計算各種(zhǒng)可能(néng)的動作，然後(hòu)預測哪種(zhǒng)動作的效果最好(hǎo)。當然，計算機隻能(néng)解決它的程序允許它解決的問題，它不具備一般意義上的分析能(néng)力。象棋計算機就是此類機器的一個範例。

某些現代機器人還(hái)具備有限的學(xué)習能(néng)力。學(xué)習型機器人能(néng)夠識别某種(zhǒng)動作（如以某種(zhǒng)方式移動腿部）是否實現了所需的結果（如繞過(guò)障礙物）。機器人存儲此類信息，當它下次遇到相同的情景時，會嘗試做出可以成(chéng)功應對(duì)的動作。同樣(yàng)，現代計算機隻能(néng)在非常有限的情景中做到這(zhè)一點。它們無法像人類那樣(yàng)收集所有類型的信息。一些機器人可以通過(guò)模仿人類的動作進(jìn)行學(xué)習。在日本，機器人專家們向(xiàng)一部機器人演示舞蹈動作，讓它學(xué)會了跳舞。

有些機器人具有人際交流能(néng)力。Kismet是麻省理工學(xué)院人工智能(néng)實驗室制作的機器人，它能(néng)識别人類的肢體語言和說話的音調，并做出相應的反應。Kismet的作者們對(duì)成(chéng)人和嬰兒之間的交互方式很感興趣，他們之間的交互僅憑語調和視覺信息就能(néng)完成(chéng)。這(zhè)種(zhǒng)低層次的交互方式可以作爲類人學(xué)習系統的基礎。

Kismet機器人

Kismet和麻省理工學(xué)院人工智能(néng)實驗室制造的其他機器人采用了一種(zhǒng)非常規的控制結構。這(zhè)些機器人并不是用一台中央計算機控制所有動作，它們的低層次動作由低層次計算機控制。項目主管羅德尼·布德克斯(Rodney Brooks)相信，這(zhè)是一種(zhǒng)更爲準确的人類智能(néng)模型。人類的大部分動作是自動做出的，而不是由最高層次的意識來決定做這(zhè)些動作。

人工智能(néng)的真正難題在于理解自然智能(néng)的工作原理。開(kāi)發(fā)人工智能(néng)與制造人造心髒不同，科學(xué)家手中并沒(méi)有一個簡單而具體的模型可供參考。我們知道(dào)，大腦中含有上百億個神經(jīng)元，我們的思考和學(xué)習是通過(guò)在不同的神經(jīng)元之間建立電子連接來完成(chéng)的。但是我們并不知道(dào)這(zhè)些連接如何實現高級的推理能(néng)力，甚至對(duì)低層次操作的實現原理也并不知情。大腦神經(jīng)網絡似乎複雜得不可理解。

因此，人工智能(néng)在很大程度上還(hái)隻是理論。科學(xué)家們針對(duì)人類學(xué)習和思考的原理提出假說，然後(hòu)利用機器人來實驗他們的想法。

正如機器人的物理設計是了解動物和人類解剖學(xué)的便利工具，對(duì)人工智能(néng)的研究也有助于理解自然智能(néng)的工作原理。對(duì)于某些機器人專家而言，這(zhè)種(zhǒng)見解是設計機器人的終極目标。其他人則在幻想一個人類與智能(néng)機器共同生活的世界，在這(zhè)個世界裡(lǐ)，人類使用各種(zhǒng)小型機器人來從事(shì)手工勞動、健康護理和通信。許多機器人專家預言，機器人的進(jìn)化最終將(jiāng)使我們徹底成(chéng)爲半機器人，即與機器融合的人類。有理由相信，未來的人類會將(jiāng)他們的思想植入強健的機器人體内，活上幾千年的時間！

無論如何，機器人都(dōu)會在我們未來的日常生活中扮演重要的角色。在未來的幾十年裡(lǐ)，機器人將(jiāng)逐漸擴展到工業和科學(xué)之外的領域，進(jìn)入日常生活，這(zhè)與計算機在20世紀80年代開(kāi)始逐漸普及到家庭的過(guò)程類似。