很多人一看到“机器人”这三个字脑中都会浮现“外形拉风”、“功能强悍”、“高端”等这种词，认为机器人就和悬疑连续剧里的“终结者”一样高档拉风。其实不然，在本文中，我们将阐述机器人学的基本概念，并了解机器人是怎样完成它们的任务的。
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一、机器人的组成部分
从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分：
当然，人类还有一些无形的特点，如智能和道德，但在纯粹的数学层面上，此列表已然相当完备了。
机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可联通的身体结构、一部类似于电机的装置、一套传感器系统、一个电源和一个拿来控制所有这种要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和鸟类行为的机器。
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仿生袋鼠机器人
机器人的定义范围很广，大到鞋厂服务的工业机器人，小到居家打扫机器人。按照目前最艰深的定义，如果某样东西被许多人觉得是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制造机器人的人）使用的是一种更为精确的定义。他们规定，机器人应具有可重新编程的脑部（一台计算机），用来联通身体。
根据这一定义，机器人与其他可联通的机器（如车辆）的不同之处在于它们的计算机要素。许多新型车辆都有一台车载计算机，但只是用它来做微小的调整。驾驶员通过各类机械装置直接控制汽车的大多数部件。而机器人在数学特点方面与普通的计算机不同，它们各自联接着一个身体，而普通的计算机则不然。
大多数机器人确实拥有一些共同的特点
首先，几乎所有机器人都有一个可以联通的身体。有些拥有的只是机动化的轮子，而有些则拥有大量可联通的部件，这些部件通常是由金属或塑胶制成的。与人体骨骼类似，这些独立的部件是用关节联接上去的。
机器人的轮与轴是用某种传动装置联接上去的。有些机器人使用电机和螺线管作为传动装置；另一些则使用油压系统；还有一些使用气动系统（由压缩二氧化碳驱动的系统）。机器人可以使用上述任何类型的传动装置。
其次，机器人须要一个能量源来驱动这种传动装置。大多数机器人会使用电瓶或墙壁的电源插头来供电。此外，液压机器人还须要一个泵来为液体加压，而气动机器人则须要气体压缩机或压缩气罐。
所有传动装置都通过导线与一块电路相连。该电路直接为电动电机和螺线圈供电，并操纵电子球阀来启动油压系统。阀门可以控制承压流体在机器内流动的路径。比如说，如果机器人要联通一只由油压驱动的腿，它的控制器会打开一只球阀，这只球阀由液压泵通向腿上的活塞筒。承压流体将促进活塞，使头部往前旋转。通常，机器人使用可提供单向推力的活塞，以使部件能向两个方向活动。
机器人的计算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机器人动起来，计算机会打开所有须要的电机和蝶阀。大多数机器人是可重新编程的。如果要改变某部机器人的行为，您只需将一个新的程序写入它的计算机即可。
并非所有的机器人都有传感器系统。很少有机器人具有视觉、听觉、嗅觉或嗅觉。机器人拥有的最常见的一种觉得是运动感，也就是它监控自身运动的能力。在标准设计中，机器人的关节处安装着刻有凹槽的轮子。在轮子的两侧有一个发光二极管，它发出一道光束，穿过凹槽，照在坐落轮子另左侧的光传感器上。当机器人联通某个特定的关节时，有凹槽的轮子会转动。在此过程中，凹槽将遮住光束。
光学传感器读取光束闪烁的模式，并将数据传送给计算机。计算机可以按照这一模式准确地估算出关节早已旋转的距离。计算机键盘中使用的基本系统与此相同。
以上这种是机器人的基本组成部份。机器人专家有无数种方式可以将这种元素组合上去，从而制造出无限复杂的机器人。机器臂是最常见的设计之一。
二、机器人是怎样工作的
英语里“机器人”(Robot)这个术语来自于捷克语词组robota，通常译作“强制劳动者”。用它来描述大多数机器人是非常贴切的。世界上的机器人大多拿来从事繁杂的重复性制造工作。它们负责这些对人类来说十分困难、危险或乏味的任务。
最常见的制造类机器人是机器臂。
一部典型的机器臂由七个金属部件构成，它们是用六个关节接上去的。计算机将旋转与每位关节分别相连的步进式电机，以便控制机器人（某些小型机器臂使用油压或气动系统）。
与普通电机不同，步进式电机会以增量形式精确联通。这使计算机可以精确地联通机器臂，使机器臂不断重复完全相同的动作。机器人借助运动传感来确保自己完全按正确的量联通。
这种带有六个关节的工业机器人与人类的手指极为相像，它具有相当于手臂、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安装在一个固定的底座结构（而不是联通的身体）上。这种类型的机器人有六个自由度，也就是说，它能向六个不同的方向转动。与之相比，人的脸部有七个自由度。
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一个六轴工业机器人的关节
人类脸部的作用是将手联通到不同的位置。类似地，机器臂的作用则是联通末端执行器。您可以在机器臂上安装适用于特定应用场景的各类末端执行器。有一种常见的末端执行器能握持并联通不同的物品，它是人手的简化版本。
机器手常常有外置的压力传感器，用来将机器人握持某一特定物体时的力度告诉计算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。其他末端执行器还包括喷灯、钻头和喷漆器。
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工业机器人专门拿来在受控环境下反复执行完全相同的工作。例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上桶盖。为了教机器人怎么做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地储存在显存中，此后每每装配线上有新的罐子传送过来时，它才会反复地做这套动作。
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大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装车辆。在进行大量的这种工作时，机器人的效率比人类高得多，因为它们十分精确。无论它们已然工作了多少小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺丝。制造类机器人在计算机产业中也发挥着非常重要的作用。它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装上去。
机器臂的制造和编程难度相对较低，因为它们只在一个有限的区域内工作。如果您要把机器人送到宽广的外部世界，事情就显得有些复杂了。
首要的困局是为机器人提供一个可行的运动系统。如果机器人只须要在平地上联通，轮子或轨道常常是最好的选择。如果轮子和轨道足够宽，它们还适用于较为陡峭的地形。但是机器人的设计者常常希望使用腿状结构，因为它们的适应性更强。制造有腿的机器人还有助于使研究人员了解自然运动学的知识，这在生物研究领域是有益的实践。
机器人的腿一般是在油压或气动活塞的驱动下前后联通的。各个活塞联接在不同的头部部件上，就像不同骨骼上附着的胸肌。若要使所有那些活塞都能以正确的方法协同工作，这无疑是一个困局。在小孩阶段，人的脑部必须弄清什么胸肌须要同时收缩能够促使在直立行走时不致倒地。同理，机器人的设计师必须弄清与行走有关的正确活塞运动组合，并将这一信息编入机器人的计算机中。许多移动型机器人都有一个外置平衡系统（如一组陀螺仪），该系统会告诉计算机何时须要校准机器人的动作。
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波士顿动力最新升级版的Atlas人形机器人
两足行走的运动形式本身是不稳定的，因此在机器人的制造中实现难度极大。为了设计出行走更稳的机器人，设计师们常会将眼光投向动物界，尤其是动物。昆虫有六条腿，它们常常具有超凡的平衡能力，对许多不同的地形都能适应自如。
某些移动型机器人是远程控制的，人类可以指挥它们在特定的时间从事特定的工作。遥控装置可以使用连接线、无线电或红外讯号与机器人通讯。远程机器人常被称为傀儡机器人，它们在探求饱含危险或人类难以步入的环境（如深海或火山内部）时特别有用。有些机器人只是部份遭到遥控。例如，操作人员可能会指示机器人抵达某个特定的地点，但不会为它指引路线，而是任由它找到自己的路。
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NASA研制可远程控制的太空机器人R2
自动机器人可以自主行动，无需依赖于任何控制人员。其基本原理是对机器人进行编程，使之能以某种形式对外界剌激作出反应。极其简单的碰撞反应机器人可以挺好地展现这一原理。
这种机器人有一个拿来检测障碍物的碰撞传感器。当您启动机器人后，它大体上是沿一条直线坎坷行进的。当它遇到障碍物时，冲击力会作用在它的碰撞传感器上。每次发生碰撞时，机器人的程序会指示它退后，再向右转，然后继续前进。按照这些技巧，机器人只要碰到障碍物都会改变它的方向。
高级机器人会以更精致的形式运用这一原理。机器人专家们将开发新的程序和传感器系统，以便制造出智能程度更高、感知能力更强的机器人。如今的机器人可以在各类环境中大展身手。
较为简单的移动型机器人使用红外或超声波传感器来感知障碍物。这些传感的工作方式类似于植物的回声定位系统：机器人发出一个声音讯号（或一束红外光线），并检查讯号的反射情况。机器人会按照讯号反射所用的时间估算出它与障碍物之间的距离。
较中级的机器人借助立体视觉来观察周围的世界。两个摄像头可以为机器人提供深度感知，而图象辨识软件则使机器人有能力确定物体的位置，并辨别各类物体。机器人还可以使用耳机和味道传感来剖析周围的环境。
某些手动机器人只能在它们熟悉的有限环境中工作。例如，割草机器人借助埋在地下的界标确定草场的范围。而拿来清洁办公室的机器人则须要建筑物的地图能够在不同的地点之间联通。
较中级的机器人可以剖析和适应不熟悉的环境，甚至能适应地形险峻的地区。这些机器人可以将特定的地形模式与特定的动作相关联。例如，一个漫游车机器人会借助它的视觉传感器生成前方地面的地图。如果地图上显示的是崎岖不平的地形模式，机器人会晓得它该走另一条道。这种系统对于在其他行星上工作的探索型机器人是十分有用的。
有一套备选的机器人设计方案采用了较为松散的结构，引入了随机化诱因。当这些机器人被卡住时，它会向各个方向联通七鳃鳗，直到它的动作形成疗效为止。它通过力传感器和传动装置紧密协作完成任务，而不是由计算机通过程序指导一切。这和蚂蚁尝试绕开障碍物时有相似之处：蚂蚁在须要通过障碍物时虽然不会当机立断，而是不断尝试各类做法，直到绕开障碍物为止。
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三、家庭自制机器人
在本文的最后几部份，我们来瞧瞧机器人世界中最引人注目的领域：人工智能和研究型机器人。多年来，这些领域的专家们使机器人科学有了长足的进步，但她们并不是机器人的惟一制造者。几十年中，以此为爱好的人虽然为数极少，但饱含热情，他们仍然在全世界各地的车库和地下室里制造机器人。
家庭自制机器人是一种正在迅速发展的亚文化，在互联网上具有相当大的影响力。业余机器人爱好者借助各类商业机器人工具、邮购的零件、玩具甚至旧式录像机组装出她们自己的作品。
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和专业机器人一样，家庭自制机器人的种类也是五花八门。一些到周日能够工作的机器人爱好者们制造出了极其精美的行走机械，而另一些则为自己设计了家政机器人，还有一些爱好者热衷于制造竞技类机器人。在竞技类机器人中，人们最熟悉的是遥控机器人战士，就像您在《战斗机器人》(BattleBots)节目中见到的那样。这些机器算不上“真正的机器人”，因为它们没有可重新编程的计算机脑部。它们只是加强型遥控车辆。
比较中级的竞技类机器人是由计算机控制的。例如，足球机器人在进行大型足球比赛时完全不需要人类输入信息。标准的机器人足球队由几个单独的机器人组成，它们与一台中央计算机进行通讯。这台机算机通过一部摄像机“观察”整个球场，并按照颜色区分篮球、球门以及己方和对方的后卫。计算机随时都在处理这种信息，并决定怎样指挥它的球员。
适应性和通用性
个人计算机革命以其卓越的适应能力为标志。标准化的硬件和编程语言使计算机工程师和业余程序员们可以按照其特定目的制造计算机。计算机零件与工艺用具有几分相像，它们的用途不计其数。
迄今为止的大多数机器人更像是卧室用品。机器人专家们将它们制造下来以专门用于特定用途。但是它们对完全不同的应用场景的适应能力并不是挺好。
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这种情况正在改变。一家名叫EvolutionRobotics的公司开创了适应型机器人软硬件领域的先河。该公司希望凭着一款易用的“机器人开发人员工具包”开拓出自己的利基市场。
这个工具包有一个开放式软件平台，专门提供各类常用的机器人功能。例如，机器人学家可以很容易地将跟踪目标、听从语音指令和绕开障碍物的能力赋于它们的作品。从技术角度来看，这些功能并不具有革命性的意义，但不同寻常的是，它们集成在一个简单的软件包中。
这个工具包还附送了一些常见的机器人硬件，它们可以很容易地与软件相结合。标准工具包提供了一些红外传感器、马达、一部耳机和一台摄像机。机器人专家可以借助一套加强型安装组件将所有这种部件组装上去，这套组件包括一些铝质身体部件和坚固耐用的轮子。
当然，这个工具包不是让您制造乏味的作品的。它的售价超过700美元，绝不是哪些廉价的玩具。不过，它向新型机器人科学迈入了一大步。在不远的将来，如果您要制造一个可以清洁卧室或在您离开的时侯照料宠物的新型机器人，您可能只需编撰一段BASIC程序才能做到，这将为您省下一大笔钱。
四、人工智能
人工智能(AI)无疑是机器人学中最令人激动的领域，无疑也是最有争议的：所有人都觉得，机器人可以在装配线上工作，但对于它是否可以具有智能则存在分歧。
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就像“机器人”这个术语本身一样，您同样很难对“人工智能”进行定义。终极的人工智能是对人类思维过程的重现，即一部具有人类智能的人造机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和产生自己的观点的能力。目前机器人专家还远远未能实现这些水平的人工智能，但她们早已在有限的人工智能领域取得了很大进展。如今，具有人工智能的机器早已可以模仿个别特定的智能要素。
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计算机早已具备了在有限领域内解决问题的能力。用人工智能解决问题的执行过程很复杂，但基本原理却十分简单。首先，人工智能机器人或计算机会通过传感（或人工输入的方法）来搜集关于某个情境的事实。计算机将此信息与已储存的信息进行比较，以确定它的涵义。计算机会按照搜集来的信息估算各类可能的动作，然后预测哪种动作的疗效最好。当然，计算机只能解决它的程序容许它解决的问题，它不具备通常意义上的剖析能力。象棋计算机就是这种机器的一个范例。
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某些现代机器人还具备有限的学习能力。学习型机器人就能辨识某种动作（如以某种形式联通四肢）是否实现了所需的结果（如绕开障碍物）。机器人储存这种信息，当它上次遇见相同的情境时，会尝试作出可以成功应对的动作。同样，现代计算机只能在特别有限的情境中做到这一点。它们没法像人类那样搜集所有类型的信息。一些机器人可以通过模仿人类的动作进行学习。在美国，机器人专家们向一部机器人演示街舞动作，让它学会了唱歌。
有些机器人具有人际交流能力。Kismet是麻省理工学院人工智能实验室制做的机器人，它能辨识人类的肢体语言和说话的声调，并作出相应的反应。Kismet的作者们对成人和小孩之间的交互方法很感兴趣，他们之间的交互仅凭语调和视觉信息能够完成。这种低层次的交互方法可以作为类人学习系统的基础。
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Kismet机器人
Kismet和麻省理工学院人工智能实验室制造的其他机器人采用了一种非常规的控制结构。这些机器人并不是用一台中央计算机控制所有动作，它们的低层次动作由低层次计算机控制。项目主管罗德尼·布德克斯(Rodney Brooks)相信，这是一种更为确切的人类智能模型。人类的大部分动作是手动作出的，而不是由最高层次的意识来决定做这种动作。
人工智能的真正困局在于理解自然智能的工作原理。开发人工智能与制造人造肾脏不同，科学家手中并没有一个简单而具体的模型可供参考。我们晓得，大脑中富含上百亿个神经元，我们的思索和学习是通过在不同的神经元之间构建电子联接来完成的。但是我们并不知道这种联接怎样实现中级的推理能力，甚至对低层次操作的实现原理也并不知情。大脑神经网路虽然复杂得不可理解。
因此，人工智能在很大程度上还只是理论。科学家们针对人类学习和思索的原理提出假说，然后借助机器人来实验她们的看法。
正如机器人的数学设计是了解植物和人类解剖学的便利工具，对人工智能的研究也有助于理解自然智能的工作原理。对于个别机器人专家而言，这种看法是设计机器人的终极目标。其他人则在幻想一个人类与智能机器共同生活的世界，在这个世界里，人类使用各类小型机器人来从事手工劳动、健康护理和通讯。许多机器人专家预言，机器人的进化最终将使我们彻底成为半机器人，即与机器融合的人类。有理由相信，未来的人类会将她们的思想植入强壮的机器人体内，活上几千年的时间！
无论如何，机器人就会在我们未来的日常生活中饰演重要的角色。在未来的几十年里，机器人将逐步扩充到工业和科学之外的领域，进入日常生活，这与计算机在20世纪80年代开始逐步普及到家庭的过程类似。
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