-
--熱烈祝賀我會聯(lián)辦的科普活動被中國科協(xié)評為--優(yōu)秀科普活動
12月21日，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會辦公廳印發(fā)《關(guān)于對2020年全國科普日有關(guān)組織單位和活動予以表揚(yáng)的通知》（科協(xié)辦函普字【2020】158號），江蘇省機(jī)械工程學(xué)會、南京工程學(xué)會和江蘇省學(xué)會服務(wù)中心聯(lián)辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動，被評為優(yōu)秀科普活動。
關(guān)于學(xué)會
學(xué)術(shù)科普
機(jī)器人是如何工作的？人工智能機(jī)器人的未來是怎樣的？
時間：2020/8/27 11:11:19 瀏覽次數(shù)：3109
字體：大
中
小
最常見的制造機(jī)器人是機(jī)械臂。 典型的機(jī)械臂由七個金屬段組成，并由六個關(guān)節(jié)相連。計算機(jī)通過旋轉(zhuǎn)連接到每個關(guān)節(jié)的單個步進(jìn)電動機(jī)來控制機(jī)器人（某些較大的臂使用液壓或氣動裝置）。與普通電動機(jī)不同，步進(jìn)電動機(jī)以精確的增量運(yùn)動來控制機(jī)器人。這使計算機(jī)可以非常精確地移動手臂，一次又一次地重復(fù)相同的動作。機(jī)器人使用運(yùn)動傳感器來確保其可以按照指令進(jìn)行工作。
具有六個關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人非常類似于人的手臂，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。這種類型的機(jī)器人具有六個自由度，這意味著它可以以六種不同方式樞轉(zhuǎn)。相比之下，人的手臂有七個自由度。
手臂的工作是將手從一個地方移到另一個地方。同樣，機(jī)械臂的工作是將末端執(zhí)行器從一個地方移到另一個地方。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。一種常見的末端執(zhí)行器是類似于手的簡化版本，可以抓握和攜帶不同的對象。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)器人可能會將瓶蓋擰到沿裝配線下降的花生醬罐上。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)手臂完成動作。機(jī)器人將精確的運(yùn)動順序存儲在其內(nèi)存中，并在每次有新單元從裝配線下來時并一次又一次地執(zhí)行。
大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都在汽車裝配線上工作，將汽車組裝在一起。機(jī)器人比人類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，無論工作了多少小時，他們總是以相同的力擰緊螺栓。制造機(jī)器人在計算機(jī)行業(yè)中也非常重要。組裝一個微小的芯片需要非常精確的計算。
艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在幾本小說和短篇小說中持較為樂觀的態(tài)度。在他的作品中，機(jī)器人是善良，樂于助人的生物，遵循對人類非暴力的規(guī)范- “機(jī)器人法則”。
絕大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)具有幾個共同點(diǎn)。
首先，幾乎所有的機(jī)器人都具有可移動的主體。一些僅具有電動輪，而另一些則具有數(shù)十個通常由金屬或塑料制成的可移動段。就像您身體中的骨頭一樣，各個節(jié)段通過關(guān)節(jié)連接在一起。
機(jī)器人旋轉(zhuǎn)輪子并用某種致動器轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)節(jié)。一些機(jī)器人使用電動機(jī)和螺線管作為執(zhí)行器。有些使用液壓系統(tǒng) ; 有些使用氣動系統(tǒng)（由壓縮氣體驅(qū)動的系統(tǒng)）。機(jī)器人可以使用所有這些執(zhí)行器類型。
機(jī)器人需要電源來驅(qū)動這些執(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)器人還需要用泵對液壓流體加壓，而氣動機(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。該電路直接為電動馬達(dá)和螺線管供電，并通過操縱電動閥來激活液壓系統(tǒng)。閥門確定加壓流體通過機(jī)器的路徑。例如，要移動液壓支腳，機(jī)器人的控制器將打開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，為了在兩個方向上移動其段，機(jī)器人使用可以雙向推動的活塞。
機(jī)器人的計算機(jī)控制連接到電路的所有物體。要移動機(jī)器人，計算機(jī)會打開所有必需的電動機(jī)和閥門。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)懭肫溆嬎銠C(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，聽到，聞到或嘗到味道。機(jī)器人最常見的感覺是運(yùn)動感，即機(jī)器人監(jiān)視自身運(yùn)動的能力。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計使用附在機(jī)器人關(guān)節(jié)上的開槽輪。車輪一側(cè)的LED通過插槽發(fā)出光束，照射到車輪另一側(cè)的光傳感器。當(dāng)機(jī)器人移動特定的關(guān)節(jié)時，帶槽的車輪會轉(zhuǎn)動。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時，狹縫會破壞光束。光傳感器讀取閃爍的光并將其傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。計算機(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)器人專家可以無限多種方式組合這些要素，以創(chuàng)建無限復(fù)雜的機(jī)器人。
具有六個關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人非常類似于人的手臂，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)而不是可移動的主體。這種類型的機(jī)器人具有六個自由度，這意味著它可以以六種不同方式樞轉(zhuǎn)。相比之下，人的手臂有七個自由度。
手臂的工作是將手從一個地方移到另一個地方。同樣，機(jī)械臂的工作是將末端執(zhí)行器從一個地方移到另一個地方。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，則最好選擇輪子或履帶。如果車輪和履帶足夠大，它們也可以在較粗糙的地形上工作。但是，機(jī)器人設(shè)計人員通常會改用腿，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-這在生物學(xué)研究中是一項有用的練習(xí)。
通常，液壓或氣動活塞可前后移動機(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跌倒。同樣，機(jī)器人設(shè)計者必須找出與行走有關(guān)的活塞運(yùn)動的正確組合，并將此信息編程到機(jī)器人的計算機(jī)中。許多移動機(jī)器人都具有內(nèi)置的平衡系統(tǒng)（例如陀螺儀集合），可以告訴計算機(jī)何時需要校正其運(yùn)動。
雙足運(yùn)動（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)計師通常會著眼于動物世界，尤其是昆蟲。六足昆蟲具有出色的平衡性，并且可以很好地適應(yīng)各種地形。
一些移動機(jī)器人由遙控器控制-有人告訴他們做什么和何時做。遙控器可能通過連接的電線或使用無線電或紅外信號與機(jī)器人進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程機(jī)器人（通常稱為木偶機(jī)器人）對于探索危險或人跡罕至的環(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，操作員可能會指示機(jī)器人去某個地方，但不能將其引導(dǎo)到那里-機(jī)器人會找到自己的方式。
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。基本思想是對機(jī)器人進(jìn)行編程，使其對外界刺激做出某種反應(yīng)。非常簡單的即走即走機(jī)器人很好地說明了其工作原理。
這種機(jī)器人具有保險杠傳感器來檢測障礙物。當(dāng)您打開機(jī)器人時，它會沿直線滑動。當(dāng)它最終撞到障礙物時，沖擊力推入其保險杠傳感器。機(jī)器人的編程告訴它后退，向右轉(zhuǎn)并再次向前移動，以應(yīng)對每個碰撞。這樣，機(jī)器人在遇到障礙物時會隨時改變方向。
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。
較簡單的移動機(jī)器人使用紅外或超聲波傳感器來查看障礙物。這些傳感器的工作方式與動物回聲定位相同：機(jī)器人發(fā)出聲音信號或紅外光束，并檢測信號的反射。機(jī)器人根據(jù)信號反彈所需的時間來確定到障礙物的距離。
更先進(jìn)的機(jī)器人使用立體視覺來觀察周圍的世界。兩臺攝像機(jī)使這些機(jī)器人具有深度感知能力，而圖像識別軟件使他們能夠?qū)Ω鞣N物體進(jìn)行定位和分類。機(jī)器人可能還會使用麥克風(fēng)和氣味傳感器來分析周圍的環(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作相關(guān)聯(lián)。例如，一個漫游者機(jī)器人可能會根據(jù)其視覺傳感器在其前方構(gòu)建土地地圖。如果地圖顯示非常崎bump的地形圖案，則機(jī)器人會知道以其他方式行駛。這種系統(tǒng)對于在其他行星上運(yùn)行的探索性機(jī)器人非常有用（請查看JPL Robotics了解更多信息）。
另一種機(jī)器人設(shè)計采用的是結(jié)構(gòu)化程度較低的方法- 隨機(jī)性。當(dāng)這種類型的機(jī)器人卡住時，它會沿每種方式移動其附件，直到有東西起作用為止。力傳感器與執(zhí)行器緊密配合，而不是由計算機(jī)根據(jù)程序控制一切。這就像一只螞蟻試圖越過障礙物-當(dāng)它需要越過障礙物時似乎并沒有做出決定，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，這是最有爭議的：每個人都同意機(jī)器人可以在裝配線中工作，但是對于機(jī)器人是否能夠智能化尚無共識。
就像術(shù)語“機(jī)器人”本身一樣，人工智能也很難定義。終極AI將重現(xiàn)人類思維過程-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，使用語言的能力以及提出原創(chuàng)思想的能力。機(jī)器人專家距離實(shí)現(xiàn)這一人工智能水平還遙遙無期，但他們在有限的AI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。
計算機(jī)已經(jīng)可以在有限的領(lǐng)域內(nèi)解決問題。解決問題的基本思想很簡單，盡管執(zhí)行起來很復(fù)雜。首先，AI機(jī)器人或計算機(jī)通過傳感器或人工輸入來收集有關(guān)情況的事實(shí)。計算機(jī)將該信息與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并確定該信息表示什么。計算機(jī)會執(zhí)行各種可能的操作，并根據(jù)收集到的信息預(yù)測哪個操作最成功。當(dāng)然，計算機(jī)只能解決其編程要解決的問題-它沒有任何通用的分析能力。象棋計算機(jī)就是這種機(jī)器的一個例子。
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)器人會識別某種動作（例如，以某種方式移動其腿部）是否達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果（導(dǎo)航障礙物）。機(jī)器人會存儲此信息，并在下次遇到相同情況時嘗試成功執(zhí)行操作。同樣，現(xiàn)代計算機(jī)只能在非常有限的情況下執(zhí)行此操作。他們無法像人類一樣吸收任何類型的信息。有些機(jī)器人可以通過模仿人類的動作來學(xué)習(xí)。在日本，機(jī)器人手教機(jī)器人通過演示動作來跳舞。
一些機(jī)器人可以進(jìn)行社交互動。麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人Kismet可以識別人體語言和語音變化，并做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。Kismet的創(chuàng)作者僅根據(jù)語氣和視覺提示對人與嬰兒的互動方式感興趣。這種低層次的互動可能是類似人類的學(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)器人沒有使用中央計算機(jī)來指揮每個動作，而是使用較低級別的計算機(jī)控制較低級別的動作。該計劃的主任羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks）認(rèn)為，這是一種更準(zhǔn)確的人類智能模型。我們自動完成大多數(shù)事情；我們不決定以最高的意識水平去做。
人工智能的真正挑戰(zhàn)是了解自然智能的工作原理。開發(fā)AI并不像建立人造心臟-科學(xué)家沒有一個簡單，具體的模型可以工作。我們確實(shí)知道大腦包含數(shù)十億個神經(jīng)元，并且我們通過在不同神經(jīng)元之間建立電連接來思考和學(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)行高級推理甚至是低級操作的。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)隊專注于類人機(jī)器人，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為能夠像人一樣體驗(yàn)世界對開發(fā)類人智力至關(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)計是了解動物和人體解剖結(jié)構(gòu)一樣，人工智能研究對于理解自然情報的工作原理也非常有用。對于某些機(jī)器人專家而言，這是設(shè)計機(jī)器人的終極目標(biāo)。其他人則設(shè)想了一個世界，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，醫(yī)療保健和交流。許多機(jī)器人專家預(yù)測，機(jī)器人的進(jìn)化最終將使我們成為半機(jī)械人的人類。可以想象，未來的人們可以將他們的思想裝入堅固的機(jī)器人中，并可以生存數(shù)千年！
