美國國家航空航天局的城市機器人URBIE採用軟件控制的攝像頭和傳感器，可以在各種地形中自主運行。URBIE檢查出對人類研究者構成潛在風險的區域。
組成
在最基本的層面上，人類由五個主要組成部分組成:
- 身體結構
- 一種移動身體結構的肌肉系統
- 接收身體和周圍環境信息的感覺系統
- 激活肌肉和傳感器的電源
- 一個處理感覺信息並告訴肌肉該做什麼的大腦系統
當然，我們也有一些無形的屬性，比如智力和道德，但在純粹的物理層面上，上面的清單基本能夠涵蓋的。
機器人由完全相同的部件組成。一個典型的機器人有一個可移動的物理結構，一個某種類型的馬達，一個傳感器系統，一個電源和一個控制所有這些元素的計算機“大腦”。 本質上，機器人是自然界動物的人造版本——它們是複製人類和動物行為的機器。
在這篇文章中，我們將探索機器人的基本概念，並找出機器人是如何做他們所做的事情的。
機器人的定義
工業機器人領域的先驅約瑟夫•恩格爾伯格(Joseph Engelberger)曾說過：“我不能定義一個機器人，但當我看到它時，我就知道了。”如果你考慮所有不同的機器人們稱之為機器人，你會發現幾乎不可能得出一個全面的定義。每個人對機器人的構成都有不同的看法。
索尼的AIBO：是一種通過人際互動學習的機器狗
本田的ASIMO：可以像人一樣用兩條腿走路的機器人
你可能聽說過這些著名的機器人:
- R2D2和C-3PO：在《星球大戰》電影中擁有大量個性的智能機器人。
- 索尼的AIBO：是一種通過人際互動學習的機器狗
- 本田的ASIMO：可以像人一樣用兩條腿走路的機器人
- 工業機器人：在裝配線上工作的自動化機器
- Data：《星際迷航》中的人類機器人
- 戰鬥機器人：美國大片中經常出現的遙控戰士。
- 拆彈機器人
- 美國宇航局的火星探測器
- HAL：斯坦利·庫布里克的《2001：太空漫遊》中的電腦
- Robomower：來自友好機器人公司的割草機器人
- 電視連續劇《迷失太空》中的機器人
- 頭腦風暴：樂高流行的機器人工具包
所有這些東西都被認為是機器人，至少有些人是這麼認為的。最寬泛的定義是，機器人是指許多人認為是機器人的任何東西。大多數機器人專家(製造機器人的人)使用更精確的定義。他們定義的機器人有一個能驅動身體且可重複編程的大腦(電腦)。
根據這個定義，機器人與其他可移動機器(如汽車)的區別在於它們的計算機元素。很多新車都有車載電腦，但這只是為了做一些小小的調整。你通過各種機械裝置直接控制汽車的大部分部件。機器人在其物理性質上與普通計算機不同——普通計算機沒有與之相連的物理實體。
機器人的組成
由美國國家航空航天局開發的機器人手由微型電機驅動的金屬部分組成。手是機器人設計中最困難的結構之一。
絕大多數機器人都有幾個共同的特點。首先，幾乎所有的機器人都有一個可移動的身體。有些只有電動輪子，有些則有幾十個可移動的部件，通常是由金屬或塑料製成的。就像你身體裡的骨頭一樣，各個部分與關節相連。
機器人用某種執行機構旋轉輪子和旋轉關節。有些機器人用電動機和螺線管作為執行機構；有些使用液壓系統；有些使用氣動系統(由壓縮氣體驅動的系統)；有些機器人甚至可能使用所有這些執行機構類型。
機器人需要一個動力源來驅動這些執行器。大多數機器人要麼有電池，要麼就插在牆上。液壓機器人也需要一個泵來給液壓流體加壓，而氣動機器人需要一個空壓機或壓縮空氣罐。
驅動器都與電路連接。該電路直接為電動機和電磁閥提供動力，並通過操縱閥門激活液壓系統。這些閥門決定了加壓流體通過機器的路徑。例如，為了移動一個液壓支架，機器人的控制器會打開閥門，將該閥門從流體泵連接到該支架上的活塞缸。加壓的流體將延長活塞，旋轉腿向前。通常情況下，為了使它們的線段向兩個方向移動，機器人會使用活塞來推動兩種方向。
機器人的電腦控制著所有連接到電路的東西。為了移動機器人，電腦會打開所有必要的馬達和閥門。大多數機器人都是可重新編程的——為了改變機器人的行為，你只需在它的電腦上寫一個新程序。
並不是所有的機器人都有感覺系統，很少的機器人設計有視覺、聽覺、嗅覺或味覺的能力。最常見的機器人感覺是運動的感覺——機器人監控自己運動的能力。一個標準的設計使用連接到機器人關節的槽輪。在輪子的一邊，一個LED燈會把一束光從槽口照射到輪子另一邊的一個光傳感器上。當機器人移動一個特定的關節時，槽輪轉動，槽就會擋住光束。光傳感器讀取閃爍的光的模式，並將數據傳輸到計算機。計算機基於這種模式可以精確地判斷出這個關節旋轉了多遠。這也是在計算機鼠標中使用的基本原理。
這些是機器人的基本構件。機器人專家可以用無數種方式將這些元素組合在一起，創造出無限複雜的機器人。
機器人如何工作
機器人手臂是汽車製造業的重要組成部分
“機器人”一詞來源於捷克語robota，一般譯為“強迫勞工”。這描述了絕大多數的機器人。世界上大多數機器人都是為繁重、重複的製造工作而設計的。他們處理那些對人類來說困難、危險或無聊的任務。
最常見的製造機器人是機械臂。一個典型的機械臂由七個金屬部分組成，六個關節相連。計算機通過旋轉連接到每個關節的單個步進電機來控制機器人（一些較大的手臂使用液壓或氣動）。
與普通的電動機不同，步進電動機的運動是完全遞增的。這使得計算機能夠非常精確地移動手臂，反覆重複同樣的動作。這個機器人使用運動傳感器來確保它的移動量是正確的。
汽車製造業中的機器人手臂正在工作
一個有六個關節的工業機器人很像人的手臂，它有一個肩膀、一個肘和一個手腕。通常，肩膀被安裝在一個固定的基礎結構而不是一個可移動的身體。這種機器人有6個自由度，這意味著它可以以6種不同的方式旋轉。相比之下，人的手臂有7個自由度。
你手臂的工作就是把你的手從一個地方移動到另一個地方。類似地，機械臂的工作是將末端執行器從一個地方移動到另一個地方。你可以給機器手臂安裝各種末端執行器，它們適合於特定的應用。一種常見的末端執行器是簡化版的手，它可以抓取和搬運不同的物體。機械手通常有內置的壓力傳感器，可以告訴電腦機器人抓住特定物體的力度。這樣機器人就不會掉落或損壞它所攜帶的任何東西。其他末端效應器包括噴燈、電鑽和噴漆。
工業機器人被設計成在受控的環境中反覆做同樣的事情。例如，一個機器人可能會把瓶蓋擰到流水線上的花生醬罐子上。為了教會機器人如何工作，程序員用手持控制器引導手臂的運動。機器人將精確的動作序列存儲在它的記憶中，並且每當一個新部件從裝配線上下來時，它就會反覆地這樣做。
大多數工業機器人在汽車裝配線上工作，把汽車組裝在一起。機器人能比人類更有效地完成這些工作，因為它們非常精確。他們總是在完全相同的地方鑽孔，而且他們總是用同樣的力度擰緊螺栓，不管他們工作了多少小時。製造機器人在計算機工業中也很重要。製作一個微型芯片需要非常精確的手。
美國宇航局的FIDO Rover是專為火星探測而設計的。
機器人手臂相對容易建造和編程，因為它們只在一個封閉的區域內操作。當你把一個機器人放到現實世界上時，事情就變得有點棘手了。
第一個障礙是給機器人一個能穩定工作的運動系統。如果機器人只需要在光滑的地面上移動，輪子或軌道是最好的選擇。如果車輪和履帶足夠大的話，也可以在崎嶇的地形上工作。但機器人設計師通常會把目光放在腿上，因為它們的適應性更強。製造有腿的機器人還能幫助研究人員瞭解自然運動——這是生物學研究中的一項有益的練習。
從太空探索到地雷探測，移動機器人被廣泛應用。圖示為富士通的HOAP-1機器人。
通常，用液壓或氣動活塞前後移動機器人的腿。活塞附著在不同的腿上，就像肌肉附著在不同的骨頭上一樣。這是一個真正的技巧，讓所有的活塞都能正常工作。作為一個嬰兒，你的大腦必須找到正確的肌肉收縮組合才能直立行走而不跌倒。類似地，機器人設計師必須找到與行走相關的活塞運動的正確組合，並將這些信息輸入到機器人的計算機中。許多移動機器人都有一個內置的平衡系統(例如，一個陀螺儀的集合)，它可以告訴計算機何時需要糾正它的運動。
NASA的蛙型機器人使用彈簧、連桿和馬達從一個地方跳到另一個地方。
兩足行走（兩條腿走路）天生就不穩定，這使得機器人很難實現。為了創造出更穩定的機器人步行者，設計師們通常會觀察動物世界，特別是昆蟲。六條腿的昆蟲有非常好的平衡能力，它們能很好地適應各種地形。
一些移動機器人由遙控器控制，由一個人通過遙控器告訴他們該做什麼，什麼時候做。遙控器可以通過附加的電線與機器人通信，或者使用無線電或紅外信號。
遠程機器人，通常被稱為傀儡機器人，在探索危險或難以接近的環境時很有用，比如深海或火山內部。有些機器人僅由遙控器部分控制。例如，操作者可以引導機器人到某個特定的地點，而不是在那裡操控——機器人會找到自己的路。
Urbie 自主設計用於各種城市作業，包括軍事偵察和救援行動。
自動機器人可以獨立於任何控制器，獨立自主行動。 其基本思想是對機器人進行編程，使其對外界刺激做出某種反應。這個非常簡單的“碰撞-前進”機器人很好地說明了它是如何工作的。
這種機器人有一個碰撞傳感器來檢測障礙物。當你把機器人打開時，它會沿著一條直線向前移動。當它最終遇到障礙物時，碰撞會觸發碰撞傳感器。機器人的程序告訴它後退，向右轉，再次向前移動，以響應每一次碰撞。這樣，只要遇到障礙物，機器人就會改變方向。
先進的機器人使用更復雜的版本。機器人學家創造了新的程序和傳感器系統，使機器人更聰明、更有洞察力。今天，機器人可以有效地駕馭各種環境。
更簡單的移動機器人使用紅外線或超聲波傳感器來觀察障礙物。這些傳感器的工作原理與動物回聲定位相同：機器人發出聲音信號或一束紅外線，並檢測信號的反射。機器人根據信號反彈的時間來定位障礙物的距離。
立體視覺機器人通過不同的攝像頭獲取物體距離信息，這個圖就非常明顯的標識出不同物體的距離，這個距離信息用不同顏色標識出來。
更先進的機器人使用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個攝像頭賦予這些機器人深度感知能力，圖像識別軟件賦予它們定位和分類各種物體的能力。機器人也可以使用麥克風和嗅覺傳感器來分析周圍的世界。
有些自動機器人只能在熟悉的、受限的環境中工作。例如，修剪草坪的機器人依靠埋在地下的邊界標記來確定院子的界限。一個清潔辦公室的機器人可能需要一張大樓的地圖才能從一個地方移動到另一個地方。
更先進的機器人可以分析和適應不熟悉的環境，甚至可以適應地形崎嶇的地區。這些機器人可以將某些地形圖案與某些動作聯繫起來。舉個例子，一個漫遊者機器人可能會根據它的視覺傳感器來繪製前方陸地的地圖。如果地圖顯示了一個非常崎嶇的地形，機器人就知道要走另一條路。這種系統對於在其他星球上運行的探索性機器人非常有用。
另一種機器人設計採用了一種不那麼結構化的方法——隨機性。當這類機器人被卡住時，它會四處移動它的附件，直到有東西能工作。力傳感器與執行器的工作非常密切，而不是計算機根據一個程序指導一切。這就像一隻螞蟻試圖克服一個障礙，當它需要克服一個障礙時，它似乎不會做出決定，它只是不斷地嘗試，直到它克服它。
自制的機器人
自制機器人
前面我們關注了機器人世界中最著名的領域——工業機器人和研究機器人。多年來，這些領域的專業人士在機器人領域取得了大部分重大進展，但他們並不是唯一製造機器人的人。幾十年來，世界各地的車庫和地下室裡都有一小群熱愛機器人的愛好者。
自制機器人學是一種迅速發展的亞文化，具有相當規模的網絡應用。業餘機器人學家們用商業機器人工具包、郵購組件、玩具甚至老式錄像機將他們的作品拼湊在一起。
自制機器人和專業機器人一樣多種多樣。一些週末機器人專家擺弄著精巧的步行機器人，一些人設計自己的服務機器人，另一些人創造出競爭機器人。最常見的競爭機器人是遠程控制戰鬥機，就像你在《太空堡壘》中看到的那樣。這些機器不被認為是“真正的機器人”，因為它們沒有可重新編程的計算機大腦。他們基本上都是改裝過的遙控車。
更先進的競爭機器人由計算機控制。 例如，足球機器人在沒有人工輸入的情況下進行小型的足球運動。一個標準的足球機器人團隊包括幾個與中央計算機通信的獨立機器人。計算機用攝像機“看到”整個足球場，然後根據顏色選擇自己的隊員、對手的隊員、球和球門。計算機每秒鐘處理這些信息，並決定如何指導自己的團隊。
適應性和普遍性
三菱重工生產的人形機器人“牛若丸”
個人計算機革命的特點是具有非凡的適應性。標準化的硬件和編程語言使計算機工程師和業餘程序員能夠根據自己的特殊目的來設計計算機。電腦組件有點像藝術用品——它們有無限的用途。
迄今為止，大多數機器人更像是廚房用具。機器人專家們為了一個特定的目的而從頭開始構建它們。它們不能很好地適應全新的應用程序。
這種情況可能正在改變。一家名為“進化機器人學”的公司正在開創適應性機器人所依賴的硬件和軟件世界。該公司希望通過易於使用的“機器人開發工具包”為自己開拓一片天地。
機器人開發工具包
這些工具包有一個開放的軟件平臺，專門針對一系列常見的機器人功能。例如，機器人專家可以很容易地讓他們的創造物有能力跟蹤目標，聽語音指令和繞過障礙物。從技術的角度來看，這些功能都不是革命性的，但是在一個簡單的開發包中就能使用它們是很不尋常的。
這些工具包還附帶了通用的機器人硬件，可以輕鬆地與軟件連接。標準的組件配有紅外傳感器、馬達、麥克風和攝像機。機器人專家把所有這些部件與一個增強的安裝裝置放在一起——一個鋁車身件和堅固的輪子的集合。
當然，這些套件並不是你的普通建築套裝。售價超過700美元的玩具並不便宜。但它們是邁向新型機器人的重要一步。在不久的將來，創造一個新的機器人來清潔你的房子，或者在你不在的時候照顧你的寵物，這可能就像編寫一個基本的程序來平衡你的開支一樣簡單。
機器人的高級階段——人工智能
人工智能可以說是機器人領域中最令人興奮的領域。這無疑是最具爭議性的：每個人都同意機器人可以在裝配線上工作，但在機器人是否能變得智能這一問題上沒有達成共識。
就像“機器人”這個詞本身一樣，人工智能很難定義。終極人工智能將是人類思維過程的再創造——一個擁有我們智力的人造機器。這將包括學習任何東西的能力、推理的能力、使用語言的能力以及表達原創思想的能力。機器人專家遠未達到人工智能的水平，但他們已經在更有限的人工智能上取得了很大的進步。今天的人工智能機器可以複製智力能力的某些特定元素。
計算機已經可以在有限的範圍內解決問題。人工智能解決問題的基本思想非常簡單，儘管它的執行是複雜的。首先，人工智能機器人或計算機通過傳感器或人工輸入收集有關情況的事實。計算機將這些信息與存儲的數據進行比較，並決定這些信息的含義。計算機運行各種可能的操作，並根據收集到的信息預測哪個操作最成功。當然，計算機只能解決編程要解決的問題——它沒有任何廣義的分析能力。國際象棋計算機就是這種機器的一個例子。
一些現代機器人也有有限的學習能力。學習機器人能識別某個動作（例如，以某種方式移動腿）是否達到了預期的效果（在障礙物上導航）。機器人將這些信息存儲起來，並在下次遇到相同情況時嘗試成功的操作。同樣，現代計算機只能在非常有限的情況下做到這一點。他們不能像人類一樣吸收任何信息。有些機器人可以通過模仿人類的動作來學習。在日本，機器人學家通過展示機器人的動作來教機器人跳舞。有些機器人可以進行社交互動。
Kismet機器人是世界上第一個社交機器人
有些機器人可以進行社交互動。M.I.T人工智能實驗室機器人的一款機器人Kismet， 能夠識別人體語言和聲音的變化，並做出適當的反應。Kismet的創造者們對人類和嬰兒的互動方式很感興趣，僅僅是基於說話的語調和視覺線索。這種低層次的互動可能是類人學習系統的基礎。
在麻省理工學院人工智能實驗室，Kismet和其他類人機器人使用一種非傳統的控制結構進行操作。
機器人不是用中央計算機來指揮每一個動作，而是用低級別的計算機控制較低級別的動作。該項目的負責人羅德尼布魯克斯(Rodney Brooks)認為，這是一個更準確的人類智能模型。我們大多數事情都是自動完成的；我們不決定在意識的最高層次做這些事。
人工智能的真正挑戰是理解自然智能是如何工作的。開發人工智能並不像建造人造心臟——科學家沒有一個簡單的、具體的模型來工作。我們知道大腦中有數十億的神經元，我們通過建立不同神經元之間的電連接來思考和學習。但是我們不知道所有這些聯繫是如何形成更高的推理，甚至是低層次的操作的。複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性的。科學家們假設我們是如何以及為什麼學習和思考的，他們用機器人來試驗他們的想法。布魯克斯和他的團隊專注於類人機器人，因為他們認為能夠像人類一樣體驗世界是開發類人智能的關鍵。這也使得人們更容易與機器人互動，這可能會讓機器人更容易學習。
就像物理機器人設計是理解動物和人體解剖學的便捷工具一樣，人工智能研究對於理解自然智能是如何工作的也很有用。對於一些機器人學家來說，這種洞察力是設計機器人的終極目標。另一些人設想一個我們與智能機器並肩生活的世界，並使用各種小機器人來進行體力勞動、醫療保健和通訊。許多機器人專家預測，機器人進化最終將把我們變成半機械人——人類與機器融合在一起。可以想象的是，未來的人們可以把他們的思想裝進一個堅固的機器人裡，然後活上千年!
無論如何，未來的機器人必將在我們的日常生活中扮演更重要的角色。在未來的幾十年裡，機器人將逐漸走出工業和科學的世界，進入日常生活，就像80年代電腦進入家庭一樣。
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