机器人

机器人(Robot)是机器 – 尤其是可由计算机编程的机器 – 能够自动执行复杂的一系列动作。机器人可以由外部控制设备引导,或者控制器可以嵌入其中。机器人可以构建为采用人体形式,但大多数机器人是设计用于执行任务而不考虑其外观的机器。

机器人可以是自主的或半自动的,从人形机器人到工业机器人,医疗操作机器人,病人辅助机器人,狗治疗机器人,集体编程群体机器人,无人机无人机如General Atomics MQ-1 Predator,甚至是微观纳米机器人。通过模仿逼真的外观或自动化运动,机器人可以传达智慧感或自己的想法。预计自动化事物将在未来十年内激增,家用机器人和自动驾驶汽车将成为主要推动因素。

处理机器人的设计,构造,操作和应用的技术分支,以及用于控制,感官反馈和信息处理的计算机系统是机器人技术。这些技术涉及自动化机器,可以代替人类处于危险的环境或制造过程中,或者在外观,行为或认知方面与人类相似。今天的许多机器人都受到大自然的启发,为生物机器人领域做出了贡献。这些机器人还创造了一个新的机器人分支:软机器人。

机器人已经取代人类执行重复和危险的任务,人类不愿意这样做,或者由于尺寸限制而无法做到,或者发生在极端环境如外太空或海底。人们越来越担心机器人的使用及其在社会中的作用。机器人被指责为技术失业率上升,因为他们在越来越多的职能中取代了工人。在军事战斗中使用机器人引起了道德问题。机器人自主权和潜在影响的可能性已在虚构中得到解决,并且可能在未来成为现实问题。

摘要
机器人这个词可以指物理机器人和虚拟软件代理,但后者通常被称为机器人。关于哪些机器有资格作为机器人尚未达成共识,但专家和公众普遍认为,机器人往往具备以下部分或全部功能和功能:以电子方式接受电子编程,过程数据或物理感知,自主运行在某种程度上,移动,操作自身的物理部分或物理过程,感知和操纵他们的环境,并表现出智能行为,特别是模仿人类或其他动物的行为。与机器人概念密切相关的是合成生物学领域,该领域研究的实体的性质与生物相比而不是机器。

现代机器人

移动机器人
移动机器人具有在其环境中移动的能力,并且不能固定到一个物理位置。当今普遍使用的移动机器人的示例是自动引导车辆或自动引导车辆(AGV)。AGV是一种移动机器人,它遵循地板上的标记或电线,或使用视觉或激光。AGV将在本文后面讨论。

移动机器人也存在于工业,军事和安全环境中。它们也作为消费产品出现,用于娱乐或执行某些任务,如真空清洁。移动机器人是当前大量研究的焦点,几乎每所主要大学都有一个或多个专注于移动机器人研究的实验室。

移动机器人通常用于严格控制的环境中,例如装配线上,因为它们难以应对意外干扰。因此,大多数人很少遇到机器人。然而,用于清洁和维护的家用机器人在发达国家的家庭中和周围越来越普遍。机器人也可以在军事应用中找到。

工业机器人(操纵)
工业机器人通常由连接臂(多连杆机械手)和连接到固定表面的末端执行器组成。最常见类型的末端执行器之一是夹持器组件。

国际标准化组织在ISO 8373中给出了操纵工业机器人的定义:

“可自动控制,可重新编程,多用途,可在三轴或更多轴上编程的机械手,可固定到位或移动,用于工业自动化应用。”

该定义由国际机器人联合会,欧洲机器人研究网络(EURON)和许多国家标准委员会使用。

服务机器人
最常见的工业机器人是固定的机器人手臂和操纵器,主要用于生产和分配货物。术语“服务机器人”的定义不太明确。国际机器人联合会提出了一个暂定的定义,“服务机器人是一种半自动或完全自主运行的机器人,可以执行对人类和设备的福祉有用的服务,不包括制造业务。”

教育机器人
机器人被用作教师的教育助手。从20世纪80年代开始,海龟等机器人被用于学校,并使用徽标语言进行编程。

有机器人套件,如乐高头脑风暴,BIOLOID,OLO来自ROBOTIS,或BotBrain教育机器人可以帮助孩子们学习数学,物理,编程和电子学。机器人技术也以FIRST(灵感和科学技术的认可)的机器人竞赛的形式被引入小学和高中学生的生活中。该组织是FIRST机器人竞赛,FIRST LEGO联盟,青少年FIRST LEGO联盟和FIRST科技挑战赛的基础。

还有像机器人一样的设备,如教学计算机,Leachim(1974)和2-XL(1976),一种基于8轨磁带播放器的机器人形游戏/教学玩具,两者都是Michael J. Freeman发明的。

模块化机器人
模块化机器人是一种新型机器人,旨在通过模块化其架构来提高机器人的利用率。与传统机器人相比,模块化机器人的功能和有效性更容易提高。这些机器人由单一类型的相同,几种不同的相同模块类型或类似形状的模块组成,其尺寸不同。它们的架构结构允许模块化机器人的超冗余,因为它们可以设计具有超过8个自由度(DOF)。为模块化机器人创建编程,反向运动学和动力学比传统机器人更复杂。模块化机器人可以由L形模块,立方体模块以及U形和H形模块组成。ANAT技术,Robotics Design Inc.获得专利的早期模块化机器人技术,允许从连接在一起的U形和H形模块创建模块化机器人,并用于形成异构和同质的模块化机器人系统。这些“ANAT机器人”可以设计为具有“n”DOF,因为每个模块是完整的机动化机器人系统,其相对于在其链中之前和之后连接的模块折叠,因此单个模块允许一个自由度。彼此连接的模块越多,它将具有越多的自由度。L形模块也可以设计成链条,并且随着链条尺寸的增加必须变得越来越小,因为连接到链条末端的有效载荷会对远离基座的模块施加更大的压力。ANAT H形模块不会遇到这个问题,因为它们的设计允许模块化机器人在其他附接的模块之间均匀地分配压力和冲击,因此有效载荷承载能力不会随着臂的长度增加而减小。模块化机器人可以手动或自动重新配置以形成可以执行不同应用的不同机器人。由于相同结构类型的模块化机器人由组成不同模块化机器人的模块组成,因此蛇形臂机器人可以与另一个组合形成双臂或四臂机器人,或者可以拆分成多个移动机器人,移动机器人可以拆分分成多个较小的,或与其他人组合成一个更大或不同的。这使得单个模块化机器人能够完全专注于单个任务,以及专门执行多个不同任务的能力。

模块化机器人技术目前正在混合运输,工业自动化,管道清洁和处理中应用。许多研究中心和大学也研究了这项技术,并开发了原型。

协作机器人
协作机器人或cobot是一种机器人,可以在执行简单的工业任务时安全有效地与人类工作人员进行交互。但是,末端执行器和其他环境条件可能会产生危险,因此应在使用任何工业运动控制应用之前进行风险评估。

当今工业中最广泛使用的协作机器人由丹麦的Universal Robots制造。

Rethink Robotics由Rodney Brooks创立,之前曾在iRobot于2012年9月推出Baxter; 作为一种工业机器人,旨在安全地与邻近的人类工作人员互动,并可编程执行简单的任务。如果百特在他们的机器人手臂中检测到一个人并且有明显的关闭开关,他们就会停下来。打算出售给小型企业,它们被宣传为个人计算机的机器人模拟。截至2014年5月,美国有190家公司购买了Baxters,并且正在英国进行商业用途。

社会中的机器人
世界上大约一半的机器人在亚洲,32%在欧洲,16%在北美,1%在澳大拉西亚,1%在非洲。世界上所有机器人中有40%在日本,使日本成为机器人数量最多的国家。

自治和道德问题
随着机器人变得越来越先进和成熟,专家和学者们越来越多地探讨了道德可以管理机器人行为的问题,以及机器人是否能够声称拥有任何社会,文化,道德或法律权利。一个科学团队表示,机器人大脑有可能在2019年存在。其他人预测到2050年机器人智能将取得突破。最近的进展使机器人行为变得更加复杂。智能机器人的社会影响是2010年纪录片“Plug&Pray”的主题。

Vernor Vinge建议,当计算机和机器人比人类聪明时,可能会出现这种情况。他称之为“奇点”。他认为对人类来说可能有点或可能非常危险。这是由一种称为“单一主义”的哲学所讨论的。

2009年,专家参加了由人工智能促进协会(AAAI)主办的会议,讨论计算机和机器人是否能够获得任何自主权,以及这些能力可能构成威胁或危害的程度。他们指出,一些机器人已经获得了各种形式的半自治,包括能够自己找到能源并能够独立选择用武器攻击的目标。他们还指出,一些计算机病毒可以逃避消除并实现“蟑螂情报”。他们指出,科幻小说中描述的自我意识可能不太可能,但存在其他潜在的危险和陷阱。各种媒体来源和科学团体已经注意到不同领域的不同趋势,这些趋势可能共同导致更大的机器人功能和自主性,并且引起一些固有的关注。2015年,Nao alderen机器人被证明具备一定程度的自我意识。纽约伦斯勒理工学院人工智能与推理实验室的研究人员进行了一项实验,让机器人意识到自己,并在实现这一点后纠正了对问题的回答。

军用机器人
一些专家和学者质疑机器人在军事战斗中的使用,特别是当这种机器人具有某种程度的自主功能时。人们还担心技术可能会使一些武装机器人主要由其他机器人控制。美国海军资助了一份报告,该报告表明,随着军事机器人变得越来越复杂,应该更加关注其自主决策能力的影响。一位研究人员表示,自主机器人可能更加人性化,因为他们可以更有效地做出决策。但是,其他专家质疑这一点。

尤其是一个机器人EATR引起了公众对其燃料来源的关注,因为它可以使用有机物质不断加油。虽然EATR的发动机设计用于生物量和植被,由其传感器专门选择,它可以在战场或其他当地环境中找到,该项目已经表明也可以使用鸡油。

Manuel De Landa指出,“智能导弹”和配备人工感知的自主炸弹可以被视为机器人,因为他们自主地做出了一些决定。他认为这代表了人类将重要决策移交给机器的重要而危险的趋势。

与失业的关系
几个世纪以来,人们已经预测,机器会使工人过时并增加失业率,尽管失业原因通常被认为是由于社会政策造成的。

最近一个人为替代的例子涉及台湾科技公司富士康,他于2011年7月宣布了一项为期三年的计划,用更多的机器人取代工人。目前该公司使用了一万台机器人,但在三年内将增加到一百万台机器人。

律师们推测,工作场所机器人的流行率增加可能导致需要改进裁员法。

凯文·德莱尼说:“机器人正在从事人力工作。但比尔盖茨认为政府应该对公司使用它们征税,这至少可以暂时减缓自动化的扩散并为其他类型的就业提供资金。” 机器人税也有助于为失业工人支付有保障的生活工资。

世界银行2019年世界发展报告提供的证据表明,虽然自动化取代了工人,但技术创新创造了更多新的产业和就业机会。

当代用途
目前,有两种主要类型的机器人,基于它们的用途:通用自动机器人和专用机器人。

机器人可以根据其目的的特殊性进行分类。机器人可能被设计为非常好地执行一项特定任务,或者不太好地完成一系列任务。所有机器人的性质都可以重新编程,以表现不同,但有些机器人的物理形式受到限制。例如,工厂机器人手臂可以执行诸如切割,焊接,胶合或作为游​​乐场骑行的工作,而拾取和放置机器人只能填充印刷电路板。

通用自动机器人
通用自动机器人可以独立执行各种功能。通用自动机器人通常可以在已知空间中独立导航,处理他们自己的再充电需求,与电子门和电梯连接并执行其他基本任务。与计算机一样,通用机器人可以与网络,软件和配件相连接,从而提高其实用性。他们可以识别人或物,谈话,提供陪伴,监控环境质量,响应警报,提取物资以及执行其他有用的任务。通用机器人可以同时执行各种功能,或者它们可以在一天的不同时间承担不同的角色。一些这样的机器人试图模仿人类,甚至可能在外观上与人类相似; 这种类型的机器人被称为人形机器人。

工厂机器人

汽车生产
在过去的三十年中,汽车工厂已经成为机器人的主导者。一个典型的工厂包含数百个在全自动化生产线上工作的工业机器人,每十个人类工人就有一个机器人。在自动化生产线上,传送带上的车辆底盘被焊接,胶合,涂漆,最后在一系列机器人工作站上组装。

打包
工业机器人还广泛用于制成品的码垛和包装,例如用于从传送带末端快速取出饮料纸盒并将它们放入盒子中,或者用于装载和卸载加工中心。

电子产品
批量生产的印刷电路板(PCB)几乎全部由拾放机器人制造,通常采用SCARA机械手,可从条带或托盘上移除微小的电子元件,并将其精确地放置在PCB上。这样的机器人每小时可以放置数十万个组件,远远超过人类的速度,准确性和可靠性。

自动导引车(AGV)
移动机器人,地板上的标记或电线,或使用视觉或激光,用于在大型设施(例如仓库,集装箱港口或医院)周围运输货物。

早期的AGV式机器人
仅限于可以准确定义的任务,并且每次都必须以相同的方式执行。需要很少的反馈或智能,机器人只需要最基本的外部感受器(传感器)。这些AGV的局限性在于它们的路径不容易改变,如果障碍阻挡它们,它们就不能改变它们的路径。如果一个AGV发生故障,可能会停止整个操作。

临时AGV技术
开发用于从信标或条形码网格部署三角测量,以便在地板或天花板上进行扫描。在大多数工厂中,三角测量系统往往需要中等到高度的维护,例如每天清洁所有信标或条形码。此外,如果高大的托盘或大型车辆阻挡信标或条形码受损,AGV可能会丢失。通常,这种AGV设计用于无人环境。

智能AGV(i-AGV)
例如SmartLoader,SpeciMinder,ADAM,Tug Eskorta和带有Motivity的MT 400专为人性化工作空间而设计。他们通过识别自然特征进行导航。3D扫描仪或其他以二维或三维方式感测环境的方法有助于消除AGV当前位置的航位推算计算中的累积误差。一些AGV可以使用具有同时定位和映射(SLAM)的扫描激光器创建其环境的地图,并使用这些地图与其他路径规划和避障算法实时导航。它们能够在复杂的环境中运行,并执行非重复和非顺序的任务,例如在半导体实验室中运输光掩模,在医院中运送样本以及在仓库中运送货物。对于动态区域,例如装满托盘的仓库,

肮脏,危险,沉闷或难以接近的任务
人类宁愿留给机器人的工作也很多。这项工作可能很无聊,例如家庭清洁,或危险,例如在火山内探险。其他工作在物理上无法进入,例如探索另一个星球,清洁长管内部或进行腹腔镜手术。

太空探测器
几乎所有发射的无人太空探测器都是一个机器人。有些是在20世纪60年代推出的,能力非常有限,但它们的飞行和着陆能力(在Luna 9的情况下)表明它们作为机器人的地位。这包括Voyager探针和Galileo探针等。

远程控制机器人
遥控机器人或遥控机器人是由操作人员从远处远程操作而不是遵循预定的移动序列但具有半自动行为的设备。当人们不能在现场工作以执行工作时使用它们,因为它是危险的,远离的或无法进入的。机器人可能在另一个房间或其他国家,或者可能与操作员的规模非常不同。例如,与开放手术相比,腹腔镜手术机器人允许外科医生以相对小的规模在人类患者体内工作,显着缩短恢复时间。它们还可用于避免工人暴露在危险且狭小的空间内,例如管道清洁。禁用炸弹时,操作员发送一个小型机器人来禁用它。一些作者一直在使用一种名为Longpen的设备来远程签名。远程操作机器人飞机,如“捕食者无人驾驶飞行器”,越来越多地被军方使用。这些无人驾驶飞机可以搜索地形并射击目标。美国军方正在伊拉克和阿富汗使用数百台机器人,如iRobot的Packbot和Foster-Miller TALON,以便在一项名为爆炸物处理(EOD)的活动中拆除路边炸弹或简易爆炸装置(IED)。

自动水果收割机
机器人用于自动采摘果园采摘水果,成本低于人类采摘者。

国内机器人
家用机器人是一种简单的机器人,专门用于家庭使用中的单一任务。它们用于简单但通常不受欢迎的工作,例如真空清洁,地板清洗和割草。家庭机器人的一个例子是Roomba。

军用机器人
军用机器人包括目前用于地面作战的SWORDS机器人。它可以使用各种武器,并且有一些关于在战场情况下给予它一定程度自治的讨论。

无人驾驶战斗机(UCAV)是无人机的升级形式,可以执行各种任务,包括战斗。正在设计UCAV,例如BAE系统螳螂,它能够自己飞行,选择自己的路线和目标,并自己做出大多数决定。BAE Taranis是由英国制造的UCAV,它可以在没有飞行员的情况下飞越大陆,并且具有避免探测的新方法。飞行试验预计将于2011年开始。

AAAI已经深入研究了这个主题,其总裁委托进行了一项研究来研究这个问题。

有些人建议需要建立“友好AI”,这意味着人工智能已经发生的进步也应该包括努力使AI本质上友好和人性化。据报道,已有几项此类措施已经存在,日本和韩国这样的机器人重型国家已经开始通过法规,要求机器人配备安全系统,并且可能采用类似于阿西莫夫的三机器人法则的“法律”。日本政府机器人产业政策委员会于2009年发布了一份官方报告。中国官员和研究人员发表了一份报告,提出了一套道德规则,以及一套新的法律指导方针,称为“机器人法律研究”。有人担心机器人可能会出现明显的谎言。

挖掘机器人
采矿机器人旨在解决目前采矿业面临的许多问题,包括技能短缺,提高矿石品位下降的生产率,以及实现环境目标。由于采矿的危险性,特别是地下采矿,自动,半自动和远程操作机器人的流行近来大大增加。许多汽车制造商提供自动火车,卡车和装载机,这些火车,卡车和装载机将装载材料,将其运送到矿场到达目的地,并且无需人工干预即可卸载。力拓集团是全球最大的矿业公司之一,最近将其自动卡车车队扩展至全球最大的自动卡车车队,包括在西澳大利亚运营的150辆自动小松卡车。同样的,

钻井,长壁和破岩机现在也可作为自动机器人使用。阿特拉斯·科普柯钻机控制系统可以在钻机上自主执行钻井计划,使用GPS将钻机移动到位,设置钻机并钻取到指定深度。同样,Transmin Rocklogic系统可以自动规划将破碎机定位在选定目的地的路径。这些系统大大提高了采矿作业的安全性和效率。

卫生保健
医疗保健中的机器人有两个主要功能。那些帮助个人的人,例如多发性硬化症等疾病的患者,以及那些有助于整个系统如药房和医院的人。

老人和残疾人的家庭自动化
家庭自动化中使用的机器人随着时间的推移从简单的基本机器人助手(例如Handy 1)到半自动机器人(例如FRIEND)可以帮助老年人和残疾人完成共同任务。

许多国家,特别是日本的人口正在老龄化,这意味着有越来越多的老年人需要照顾,但照顾他们的年轻人相对较少。人类是最好的照顾者,但是如果没有它们,机器人会逐渐被引入。

FRIEND是一种半自动机器人,旨在帮助残疾人和老年人进行日常生活活动,如准备和提供膳食。FRIEND使患有截瘫,肌肉疾病或严重瘫痪(由于中风等)的患者在没有治疗师或护理人员等其他人的帮助下完成任务。

药店
Script Pro生产一种机器人,旨在帮助药房填充由口服固体或药丸形式的药物组成的处方。药剂师或药房技术人员将处方信息输入其信息系统。在确定药物是否在机器人中时,系统将信息发送给机器人以进行填充。机器人有3个不同大小的小瓶,可以根据药丸的大小来填充。机器人技术人员,用户或药剂师在存放机器人时基于平板电脑确定所需的小瓶尺寸。一旦小瓶被填充,它就会被带到传送带上,传送带将其传送到旋转小瓶并固定患者标签的支架上。然后将其放置在另一个传送带上,该传送带将患者的药物瓶送到标有患者的槽中。LED上的名字读出来。然后药剂师或技师检查小瓶中的内容物以确保它是正确患者的正确药物,然后密封小瓶并将其发送到前面以便拿起。机器人是一个非常节省时间的设备,药房依赖于填写处方。

McKesson的Robot RX是另一种医疗机器人产品,可帮助药房每天分发数千种药物,几乎没有错误。机器人可以是十英尺宽,三十英尺长,可以容纳数百种不同的药物和数千剂。药房可以节省许多资源,例如在资源稀缺的行业中无法使用的员工。它使用机电头与气动系统相结合来捕获每个剂量并将其输送到其库存或分配位置。头部沿着单轴移动,同时旋转180度以拉动药物。在此过程中,它使用条形码技术来验证其拉动正确的药物。然后将药物输送到传送带上的患者特定箱。

研究机器人
虽然目前大多数机器人都安装在工厂或家庭中,从事劳动或救生工作,但世界各地的实验室正在开发许多新型机器人。机器人技术的许多研究都不是专注于特定的工业任务,而是研究新型机器人,思考或设计机器人的替代方法,以及制造机器人的新方法。预计这些新型机器人在最终实现时将能够解决现实世界中的问题。

仿生和仿生机器人
设计机器人的一种方法是以动物为基础。BionicKangaroo是通过研究和应用袋鼠运动的生理学和方法而设计和设计的。

纳米机器人
Nanorobotics是创造机器或机器人的新兴技术领域,其组件处于或接近纳米(10-9米)的微观尺度。它们也被称为“纳米机器人”或“纳米材料”,它们将由分子机构成。到目前为止,研究人员大多只生产这些复杂系统的一部分,例如轴承,传感器和合成分子马达,但也已经制作了功能性机器人,例如Nanobot Robocup竞赛的参赛者。研究人员还希望能够创建像病毒或细菌一样小的整个机器人,这些机器人可以在很小的范围内执行任务。可能的应用包括微外科手术(在单个细胞水平上),实用雾,制造,武器和清洁。有人建议,如果有纳米机器人可以繁殖,

可重新配置的机器人
一些研究人员已经研究了制造机器人的可能性,这些机器人可以改变他们的身体形态以适应特定任务,例如虚构的T-1000。然而,真正的机器人远不及那么复杂,并且主要由少量立方体形状的单元组成,这些单元可以相对于它们的邻居移动。已经设计了算法以防任何这样的机器人成为现实。

柔软的机器人
具有硅胶体和柔性致动器(空气肌肉,电活性聚合物和铁磁流体)的机器人外观和感觉与具有刚性骨架的机器人不同,并且可以具有不同的行为。

群体机器人
受到蚂蚁和蜜蜂等昆虫群体的启发,研究人员正在模拟数以千计的小型机器人的行为,这些机器人共同执行一项有用的任务,例如找到隐藏,清洁或间谍的东西。每个机器人都很简单,但是群体的紧急行为更加复杂。整套机器人可以被认为是一个单独的分布式系统,同样地,蚁群可以被认为是超级有机体,表现出群体智能。迄今为止最大的蜂群包括iRobot群,SRI / MobileRobots CentiBots项目和开源微机器人项目群,它们被用于研究集体行为。群体也更能抵抗失败。虽然一个大型机器人可能会失败并破坏任务,但即使有几个机器人发生故障,群体仍可继续。

触觉界面机器人
Robotics还可以应用于虚拟现实界面的设计。专用机器人在触觉研究界广泛使用。这些称为“触觉接口”的机器人允许触摸用户与真实和虚拟环境进行交互。机器人力量允许模拟“虚拟”对象的机械属性,用户可以通过他们的触觉体验。