机器人教程

机器人学是工程学的一个分支，它涉及机器人和智能机器的设计、建造、操作和应用的研究。机器人学的主要目标是开发能够辅助人类工人或自主执行低价值、重复性任务的智能机器。

• 机器人学涉及多个工程学科，例如机械工程、电气和电子工程、计算机科学、控制工程、通信工程和材料工程，以开发机器人或自主机器。
• 机器人在完成对人类有危险的任务方面发挥着至关重要的作用，例如矿山作业、太空探索等。
• 机器人还用于执行枯燥、乏味和重复性的任务，例如清洁、组装、运输等等。

如今，机器人学是发展最快的领域之一，为各个行业的科技进步带来了新的机遇。

本教程旨在为初学者和专业人士解释机器人学的入门到高级概念。

什么是机器人学？

机器人学是一个跨学科的工程分支，它涉及对称为机器人的智能机器的研究、设计、制造、操作和应用。机器人学帮助我们开发能够复制人类行为并执行任务的机器。与人工相比，这些机器速度更快、效率更高、精度也更高。

在现代，机器人学正借助人工智能 (AI) 和其他认知技术，在不同行业处理更复杂的流程和功能。

什么是机器人？

机器人只不过是机械机器和数字计算机的组合。我们可以将机器人定义为一种可以编程以执行特定任务的智能机器。编程的级别决定了机器人的自主程度。如今，各种全自主机器人可以无需任何人工干预即可执行任务。“机器人”一词源于捷克语单词“Robota”，意思是“强制劳动”。

机器人的组成部分

典型机器人的组成部分分为以下三类，它们协同工作以执行特定任务。

1. 机械部件

这是机器人的物理结构或设计。它包括机器人的框架和物理部件。机器人的机械结构负责将指令转换为动作或运动。

2. 电气部件

机器人的电气部件负责为机器人的功能供电和控制。这些部件充当机器人软件部分和机械结构之间的桥梁。电气部件构成了机器人的神经系统。

机器人的主要电气部件如下：

• 电机 - 这些部件用于将电池中的电力转换为运动，以移动机械部件并执行动作。
• 传感器 - 这些部件负责测量环境参数，例如位置、温度、声音等。它们为机器创造了感觉。
• 电源 - 电池是机器人中的主要电源，为电机和传感器的工作提供电力。

3. 软件部件

软件充当机器人的大脑。它根据输入发出指令，并使机器人相应地行动。软件完全负责定义机器人的行为和动作。

机器人的类型

根据设计和用途，机器人可分为以下三种类型：

1. 预编程机器人

那些被编程在受控环境中执行特定、重复性工作的机器人被称为预编程机器人。这些机器人通过遵循其编程中的特定指令集来执行操作。在装配线上使用的工厂机器人手臂是预编程机器人的常见示例。

2. 自动机器人

无需任何人工干预即可自行操作的机器人称为自主机器人或自动机器人。这些机器人可以理解和解释周围的外部环境。为此，它们配备了各种类型的传感器和计算技术。

自主机器人主要设计用于不可预测的环境，以应对意外情况。机器人吸尘器、自动驾驶汽车、农业机器人等是自主机器人的常见示例。

3. 遥控机器人

遥控机器人，也称为遥控机器人，是指由远程位置的人工操作员操作和控制的机器人。这些机器人有一个与之相关的单独控制站，用于监控和控制机器人的操作。

遥控机器人主要设计用于执行危险和难以到达区域的任务。这些机器人允许人们在安全距离内完成任务，而无需靠近或进入危险区域。水下机器人、无人机、航天飞机上的机器人手臂等是遥控机器人的常见示例。

机器人学的优势

机器人学提供了许多好处，其中一些列在下面：

• 机器人学提供技术和系统，有助于在工业中创造更安全的工作环境。机器人学自动化涉及对人类工人有危险的任务，并减少员工接触不安全区域。
• 机器人学通过自动化复杂流程来提高效率和生产力。
• 机器人学还可以提高生产率并改善业务成果。
• 机器人可以精确地执行微妙的操作，而这些操作对人类来说非常困难。它还可以减少流程中的人为错误。
• 机器人学通过降低劳动力成本、人为错误和简化流程来显著降低运营成本。与人工相比，机器人系统更高效且成本更低。
• 机器人学允许开发多功能且灵活的机器，这些机器可以编程或重新编程以执行不同的任务或适应变化。

机器人学的缺点

尽管机器人学有很多好处，但它也有一些局限性，如下所示：

• 机器人学涉及系统开发和实施的高昂初始成本。这笔成本主要用于研究、概念化、设计和生产。
• 机器人学可以通过自动化重复性任务来取代许多工作岗位。这可能会对在这些特定领域工作的人们造成经济问题。
• 机器人系统非常复杂，需要技术专家的维护。
• 尽管技术进步，但机器人学永远无法自动化需要创造力、人情味或高级研究的各种流程。
• 机器人学容易受到黑客攻击或网络安全问题的攻击。这可能会造成伦理和安全问题，尤其是在国防、监控等敏感领域。
• 机器人学对环境也有重大影响，因为机器人系统从制造到运行都需要消耗能源。

使用机器人和机器人技术的行业

下表重点介绍了一系列将机器人技术应用于自主执行各种工作的行业：

与机器人学相关的术语

以下术语非常重要，有助于理解本教程中介绍的概念：

人工智能 (AI)

AI 或人工智能是一种在机器中模拟人类智能的技术。它被广泛用于机器人技术中，以在机器人系统中实现学习、问题解决、决策、创造力和自主能力。

机器人中的机器学习

机器学习 (ML)是 AI 的一个子集，它使机器能够通过实践进行自我学习。它使机器能够从其处理的动作和数据中学习，而无需任何显式编程。在机器人技术中，机器学习有助于开发能够处理不可预测的情况并随着时间推移而发展的机器人。

人形机器人

人形机器人是具有类人形状的机器人系统，可以与人类相同的设备或环境进行交互。

协作机器人 (Cobots)

Cobot，也称为协作机器人或伴侣机器人，是设计用于在共享和协作工作空间中与人类工人安全合作的机器人系统。

机器人流程自动化 (RPA)

机器人流程自动化，也称为软件机器人，是一种业务流程自动化 (BPA)，它使用软件机器人自主执行业务流程。它使用预定义的规则和指令集来执行特定任务。

工业机器人

工业机器人是一种机器人技术，用于开发和制造工业机器人，以自动化劳动密集型生产任务，例如移动装配线、焊接等。

群体机器人

群体机器人是一种技术，其中多个简单的物理机器人被协调在一起作为一个系统。

机器人传感器

机器人传感器是机器人能够感知周围环境（或理解）的组件。机器人传感器的功能与人体的感觉器官相同。机器人传感器的例子包括摄像头、云母传感器、编码器、电位器、LVDT、GPS等。

机器人操作系统 (ROS)

机器人操作系统 (ROS) 是一款开源的机器人中间件套件。然而，ROS并非严格意义上的操作系统，而是一套软件框架，帮助开发者构建机器人软件。

机械臂

机械臂是一种可以编程以自主执行特定功能的机械臂。它可以是安装在底座上的单臂，也可以是复杂机器人的一部分。它用于工业自动化。

移动机器人

移动机器人是可以在其环境中四处移动的机器人，由软件和人工智能等技术控制。

无人机机器人技术

无人机机器人技术专注于飞行机器人的开发及其使用远程系统或软件进行控制。

机器人伦理

机器人伦理是对与机器人相关的伦理问题的研究。它为设计符合伦理道德、不会对人类或环境构成任何威胁的机器人提供指导。

你将学习哪些机器人技术？

本篇关于机器人的综合教程将涵盖以下与机器人相关的基本主题和概念：

• 机器人导论 − 本章将解释机器人的基本定义和基础知识，以及它在各个现代工业中的重要性。
• 机器人基本概念 − 在这一部分，我们将学习机器人的一些基础概念，例如运动学、动力学、机械和电气系统的组合等等。
• 机器人类型 − 在本章中，我们将讨论机器人的分类及其功能。
• 机器人控制系统 − 本章将解释机器人中使用的不同类型的控制系统及其操作控制。
• 机器人中的传感器 − 在本章中，我们将学习不同类型的传感器及其在机器人中的作用。
• 机器人编程语言 − 本章将解释一些流行的机器人编程语言的基础知识及其在实际机器人中的应用。
• 机器人的应用 − 在本教程的这一部分，我们将学习机器人技术在现代工业中的应用，并了解它们带来的变革性影响。
• 机器人仿真工具 − 在本章中，我们将学习各种机器人仿真工具及其在机器人设计和测试中的重要性。
• 机器人技术的挑战 − 本章将重点介绍机器人技术发展中的主要挑战和障碍及其可能的解决方案。
• 机器人技术的未来趋势 − 在本章中，我们将探讨机器人领域的未来趋势和进展。

谁应该学习机器人技术？

本教程对机器人领域的初学者和经验丰富的专业人士都同样有用。

属于以下任何类别的读者都可以从本教程中受益：

• 学习机械、电子、电气或任何相关工程专业的学生。
• 任何有兴趣将机器人开发作为项目或爱好的人。
• 希望在机器人领域发展职业的工程师或开发人员等专业人士。
• 培训师、教师或讲师可以使用本教程作为参考等等。

学习机器人技术的先决条件

本机器人教程专为有兴趣学习机器人和机器人基础知识的绝对初学者而设计。虽然不是强制性的，但对代数、三角学、微积分、力学、运动学、C++、Python、ROS、基本电子学和电路等概念的基本理解将非常有助于你充分利用本教程。

关于机器人的常见问题

在本节中，我们收集了一些与机器人技术相关的最常见问题 (FAQ) 及其答案。

机器人是如何工作的？

下面解释了典型机器人的工作步骤：

步骤 1 − 使用传感器测量和分析周围环境。

步骤 2 − 将输入信号发送到控制系统进行处理并发出指令。

步骤 3 − 控制信号（指令）被发送到电机等执行器以执行动作或移动。

机器人和人工智能有什么区别？

机器人是一种被编程为执行特定任务或一组任务的自动化机器，而人工智能 (AI) 是一种在机器中模拟人类智能并赋予机器决策能力的技术。

机器人的电源是什么？

机器人可以从各种来源接收电力以运行，例如电池、光伏电池或与电源的直接电力连接。

机器人技术中使用哪些编程语言？

机器人技术中最常用的编程语言是 Python、C++、Java、MATLAB 和 Lisp。

机器人行业的未来是什么？

机器人技术是发展最快的领域之一。在不久的将来，预计将出现由人工智能和认知技术驱动的全自动机器人，能够独立执行一系列任务，并与人类工人协作，帮助他们完成更复杂的任务。