什么是机器人技术？其工程原理和应用的综合指南

　　介绍

　　机器人学是一个多学科领域，结合了工程学、计算机科学和人工智能(AI)来设计、制造和操作机器人。这些机器被设计为自动或半自动地执行任务，通常在对人类来说危险或具有挑战性的环境中。机器人已经成为各种行业不可或缺的一部分，包括制造业、医疗保健、农业和物流等。

　　随着技术的不断进步，机器人的能力正在扩展，使它们能够承担更复杂的任务，并以越来越复杂的方式与人类一起工作。本文将深入研究机器人的工程方面，探索不同类型的机器人、它们的组件、控制系统、编程、应用和未来趋势。在我们深入现代机器人技术的复杂性之前，有必要追溯这一变革领域的根源，了解随着时间的推移塑造了这一领域的关键里程碑和创新。

　　机器人学的历史

　　通向现代机器人的旅程漫长而曲折，始于远古时代，历经几个世纪，发展到我们今天所知的复杂多样的领域。

　　古代机器人

　　虽然不是现代意义上的“机器人”,但自动机——用来模仿人类或动物运动的机械设备——自古以来就存在。公元1世纪，亚历山大的希腊工程师希罗设计了许多这样的装置，经常使用蒸汽动力使它们移动。这些早期发明为机械工程奠定了基础，影响了机器人技术的未来发展。

　　工业革命

　　18世纪和19世纪工业革命的到来见证了用于自动化任务的机器的指数级增长。[3]例如，提花织机使用一系列穿孔卡片来控制复杂织物图案的产生，这是现代编程技术的先驱。

　　20世纪早期

　　“机器人”一词是由捷克作家卡雷尔·恰佩克在1920年的戏剧“R.U.R .”(罗森公司的通用机器人)中创造的。[4]这个故事引入了人工创造工人的理念，开创了一个围绕自动化的想象力和创造力的新时代。

　　在20世纪30年代和40年代，早期的人形机器人，如西屋电气公司的Elektro，被开发出来。这些发明展示了越来越强的自动化类似人类功能的能力。[5]

　　随着机器人领域的发展，这些机电奇迹开始渗透到主流媒体和流行文化中，抓住了文学、电影和艺术作品中观众的想象力，并引发了对人类和机器之间互动的深刻思考。

　　机器人三定律是由科幻作家艾萨克·阿西莫夫设计的，并于1942年首次出现在他的小说《逃避》中。[6]这些法律是:

　　机器人不得伤害人类，也不得坐视人类受到伤害。

　　机器人必须服从人类给它的命令，除非这些命令与第一定律相冲突。

　　机器人必须保护自己的存在，只要这种保护不违反第一或第二定律。

　　这些法律被设计为智能机器人将遵循的一套道德准则，以向人类保证他们的安全和对机器的控制。

　　20世纪中后期

　　机器人史上的重要人物乔治·德沃尔发明了第一台可编程机器人，这成为工业机器人的原型。[7]20世纪中期，数字技术开始与机器人技术相结合。第一个数字操作和可编程机器人Unimate安装于1961年，用于从压铸机中提起热金属块并进行堆叠。这标志着工业机器人时代的开始。

　　在20世纪70年代末和80年代初，微处理器的发展大大降低了计算机的成本，使制造更小、更智能的机器人成为可能。机器人在制造业和工业中变得更加普遍，人工智能和机器学习的探索为下一代机器人技术奠定了基础。

　　二十一世纪

　　21世纪伊始，机器人的功能和应用迅速扩展。随着传感器技术、计算能力、人工智能和数据科学的技术进步，机器人不再局限于工业环境。从自动驾驶汽车到陪伴机器人，从手术机器人到无人机，机器人技术已经渗透到日常生活的许多方面。

　　预测机器人技术的准确轨迹是一项挑战，但有一点是明确的:我们正处于一个新时代的尖端，在这个时代，机器人将能够做出复杂的决策，并可能在我们的生活中发挥更大的作用，无论是在工作还是在家里。随着该领域的不断发展和进步，我们可以期待未来出现更多创新和复杂的机器人技术。

　　机器人的类型

　　机器人是许多行业的基础，可以以各种方式分类，包括根据它们的设计、应用、控制方法和自主程度。然而，经常使用的基本分类将机器人分为三个主要类别:工业机器人、服务机器人和协作机器人(Cobots)。这些类别涵盖了机器人的广泛应用，从制造到个人服务到合作任务。

　　工业机器人

　　工业机器人是自动化、可编程的机器，旨在以高精度和高速度执行重复性任务。这些机器专为工业应用而制造，通常以其高有效负载、延伸距离和高精度为特点。工业机器人可以在具有挑战性的条件下茁壮成长，因为它们在设计时就考虑到了耐用性和可重复性。工业机器人的一个关键方面是它们采用先进的控制系统、传感器集成和复杂的编程以自主或半自动方式操作的能力。这使他们能够持续准确地执行各种复杂的任务。

　　有几种类型的工业机器人，每一种都有其独特的特点和应用。一些常见的类型包括:

　　关节机器人:这些机器人有旋转关节，允许大范围的运动。关节式机器人用途广泛，可用于各种应用，如取放任务、焊接和装配。它们通常有4到6个自由度，允许它们向多个方向移动并执行复杂的任务。

　　笛卡尔机器人:笛卡尔机器人也称为龙门机器人，沿X、Y和Z轴线性移动。它们非常适合需要精确定位的任务，如CNC加工、3D打印和材料处理。笛卡尔机器人以其高精度和可重复性而闻名，使其成为要求精度的应用的理想选择。

　　SCARA机器人: SCARA代表选择性柔顺装配机器人手臂。这些机器人有一个圆柱形的工作外壳，设计用于高速装配任务。SCARA机器人以其快速的周期时间和高精度而闻名，使其成为电子装配、取放任务和包装等应用的理想选择。

　　三角洲机器人:Delta机器人，也称为并联机器人，具有独特的设计，三只手臂连接到一个基座上。它们以其高速度和高精度而闻名，这使得它们适合于诸如取放、包装和分类等任务。Delta机器人通常用于食品和制药行业，因为它们能够处理精致的物品而不会造成损坏。

　　延伸阅读:7种工业机器人:优点、缺点、应用等

　　工业机器人与人工相比有几个优势，包括提高生产率、改善质量和降低劳动力成本。他们可以不间断地连续工作，从而提高产量和效率。此外，工业机器人可以在危险环境中执行任务，从而降低对人类造成伤害的风险。然而，工业机器人的初始投资可能很高，其编程和维护需要熟练的人员。像美国国家航空航天局这样的知名组织也利用工业机器人完成任务，如组装航天器和进行科学实验。

　　服务机器人

　　服务机器人旨在帮助人类完成各种任务，通常是在传统的工业环境之外。这些机器人可以在广泛的行业中找到，包括医疗保健、酒店、零售和物流。服务机器人通常被设计为比工业机器人更加通用和适应性更强，因为它们经常需要与人类互动并在复杂的环境中导航。

　　服务机器人的一个例子是自主移动机器人，常用于仓库和配送中心的物料处理和运输。AMR使用先进的传感器，例如激光雷达和照相机来导航他们的环境和避开障碍物。它们可以被编程为遵循特定的路线，或者基于实时数据动态规划它们的路径。AMRs可以通过减少人工需求和最大限度地降低事故风险来显著提高物流运作效率。软件机器人或机器人也是一种服务机器人，通常用于机器人流程自动化用于自动化各种行业中的重复性任务.