【AI加油站】机器人设计系列二十三：《神奇的机器人》揭开机器人的神秘面纱：从结构原理到未来展望的全方位探索（附下载）

核心总结

《神奇的机器人》由陈万米主编，化学工业出版社 2014 年出版，ISBN 978-7-122-19900-3，以 “科学，玩起来” 为理念，将机器人知识与人体结构类比，用通俗易懂的语言和图文并茂的形式，为大中小学生及机器人爱好者系统讲解机器人相关知识，同时结合马斯洛需求层次理论，探讨人工智能时代人类的生存之道。

全书共 7 章，从机器人的基础认知出发，逐步深入其核心技术与广泛应用，并对未来发展进行展望。

在基础认知部分，书中追溯机器人的起源，1886 年法国作家利尔亚当在小说《未来夏娃》中提出 “安德罗丁” 概念，1920 年捷克作家卡雷尔・卡佩克在剧本《罗萨姆的万能机器人》中创造 “Robot” 一词，1940 年阿西莫夫提出 “机器人三原则”，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人历史才真正开启。机器人按发展阶段可分为第一代工业机器人、第二代感觉型机器人、第三代智能机器人，还介绍了机器人能完成的各类任务，如危险作业（喷漆、重物搬运）、高精度工作（汽车焊接、精密装配）、特殊环境探索（火山、深海、太空）、恶劣环境救援（地震废墟、火灾现场）以及枯燥重复性劳作（自动化生产线）等，同时解析了机器人的组成，包括机构部分（机械手、移动机构）、传感器组（内传感器、外传感器）、控制部分和信息处理部分，并按不同标准对机器人进行分类，如操作型、程控型、示教再现型等，我国专家则从应用环境出发将其分为工业机器人和特种机器人。

机器人的躯体 —— 机械系统章节，把机器人躯体与人体躯体类比，介绍其结构与材料。机器人躯体有固定式和移动式两种，固定式常用于制造业及危险环境作业，移动式依靠轮子、履带或腿移动。躯干作为 “上层建筑”，有主体框架、外壳（皮肤）等结构，外壳需不影响自由度、轻量化且兼顾美观与成本，同时介绍了日本、中美研究团队及美国加利福尼亚大学研发的不同类型电子皮肤，能实现温度、压力感知等功能。四肢部分，详细讲解机械臂的分类（按驱动方式分为液压式、气动式、电动式；按用途分为搬运、喷涂、焊接等类型；按位置机构形式和自由度数量分类）及在工业生产中的应用，如上海某工厂用 128 台机械臂装配电动剃须刀，特斯拉汽车组装线用机器人完成多种工作；还介绍了机械灵巧手的特点、用途及不同驱动方式的灵巧手案例，如德国宇航中心的 DLR II 灵巧手、德国卡尔斯鲁厄大学的 Karlsruhe II 灵巧手；仿人机器人的腿和脚借鉴人类及动物运动原理，以日本本田的阿西莫为例，说明其行走、保持平衡、上下楼梯的原理，如通过 “零力矩点（ZMP）” 确保行走稳定，利用传感器和特殊算法实现上下楼梯和斜坡转弯；此外，还提及机器人手臂在手术领域的应用，如达芬奇手术系统。在材料方面，机器人常用金属材料（铝、钢、铜、镍、铅、镁等）、非金属材料（木材、塑料、复合材料），不同材料有各自特点和适用场景，如铝单位质量强度大但价格高，木材轻便易加工但强度不足，塑料便宜且部分坚韧等。书中还介绍了龟形、车形、可移动、可行走、带附属物、人形、蛇形等特殊机器人结构，分别阐述其特点和应用场景，如蛇形机器人可在复杂地形开展救援工作，仿人机器人以日本阿西莫为代表，具备多种类人功能。

机器人的脑部 —— 控制系统是核心部分，类比人类大脑和小脑功能。机器人大脑（智能处理）由信息系统、控制系统、执行系统组成，信息系统获取外界信息，控制系统像人脑一样进行判断和决策，执行系统根据指令行动，其 “硬件” 包括输入设备、输出设备、存储器等，“软件” 为程序系统。机器人大脑通过专家系统模拟人类专家解决问题，学习方式分为被动学习（补充规则和数据）和主动学习（自主探索尝试），还介绍了具有自我反思意识、意念控制、利用飞蛾大脑脉冲控制以及能改善击球时机的机器人案例。任务规划是机器人大脑工作的重要环节，是从初始状态到目标状态的问题求解技术，需解决知识表示、搜索、子目标冲突三个基本问题，有非层次规划、层次规划等四种方法。机器人小脑（运动规划）类比人类小脑的微调功能，负责机器人步行规划、平衡保持和运动控制。人形机器人步行包括步态规划和平衡控制，以 ZMP 为稳定性判据，通过倒立摆模型建模，还可利用人体运动捕捉数据生成复杂动作。平衡控制有基于力 / 力矩传感器和基于姿态传感器两种方法。非人形机器人中，履带式机器人需解决越障侧倾、冲击振动、平地方向保持等问题，轮式机器人面临机械误差、地面环境等因素影响，移动机器人需应对复杂作业环境，自我定位有相对定位、绝对定位、组合定位三种方式，路径规划则分为环境信息已知的全局规划和环境信息未知的局部规划，良好的路径规划能提高机器人作业效率、减少损耗。

机器人的器官 —— 信息获取与输出系统章节，将机器人的感官与人类的眼、耳、鼻、嘴类比。机器视觉（眼睛）系统由硬件（视觉传感器、视频信号数字化设备、计算机及外设）和软件（计算机系统软件、视觉信息处理算法）组成，模拟人类视觉功能，能感知空间频率、时间频率和运动物体，在机器人识别物体、超市购物、家庭服务等场景应用，如美国麻省理工学院的多摩机器人、足球机器人实时图像处理、机器人人脸侦测等，但机器视觉技术因人类视觉机制未完全明晰仍面临挑战。机器听觉（耳朵）模拟人类听觉原理，将语音信号转化为电信号，通过频谱图法、LPC 法、隐藏式马可夫模式等进行语音识别，语音识别系统由声学模型和语言模型组成，可分为特定人和非特定人语音识别系统，在移动终端语音助手、移动机器人声源定位、机器人自主声源搜索、宠物机器人等领域有广泛应用。机器嗅觉（鼻子）以气体传感器为基础，电子鼻由传感器阵列、信号预处理系统、模式识别系统组成，能辨别气味和进行味源定位，味源定位有浓度梯度法、逆风 / 逆流追踪法等方法，在烟草鉴别、果蔬成熟度检测、食品新鲜度与质量鉴别、医学诊断、爆炸物检测等领域发挥重要作用。机器语音（嘴巴）通过语音合成技术实现 “开口说话”，语音合成有波形合成法、参数合成法、规则合成法等，基于不同模型也有多种合成技术，可分为从文字到语音、从概念到语音、从意向到语音三个层次，未来有望为失语人群提供帮助，同时提及机器人还有明暗觉、色觉、位置觉等多种感知单元。

机器人的循环系统 —— 通信与能源系统章节，类比人类神经系统和新陈代谢，介绍机器人的内部通信与能源供给。机器人神经系统分为处理器（中枢神经系统）、外围电路（周围神经系统）和传感器，处理器控制各模块并获取状况，以上海大学自强队篮球机器人为例展示其结构，外围电路传输信号，传感器感知环境，运行机理类似人类反射弧且存在反馈机制，信号处理需将模拟信号转换为数字信号，如 PWM 信号的应用，神经系统主导机器人各部件协调工作。新陈代谢包括物质代谢（模块及外形材质更新）和能量代谢（能量摄取与损耗），能量摄取有电池、太阳能、化学能（燃料电池）、生物能、激光等多种方式，不同能源各有特点，太阳能因清洁、可再生等优点被看好；能量损耗包括能源消耗（能量转换损失）、热量消耗（电路板及元器件发热，需良好散热）、机械消耗（机械部分、元器件、线路损耗）等，其功能是获取、转换、利用和存储能量，高端智能机器人部分模块可能有独立新陈代谢。机器人免疫系统类比人类免疫系统，分为体内免疫（硬件免疫：硬件电路保护、线路保护、机械免疫；软件免疫：防范计算机病毒）和体外免疫（躲避危险环境），保护机器人硬件、软件安全及应对外部威胁。

在应用领域部分，工业领域，1959 年第一台工业机器人诞生后，工业机器人因可编程、拟人化、通用性等特点迅速发展，美国在综合研究水平领先，日本在数量和种类上居首，典型应用有移动机器人（AGV）、点焊机器人、弧焊机器人、激光加工机器人、真空机器人、洁净机器人等，富士康计划部署 100 万台工业机器人替代人力，预示工业机器人广阔前景。农业领域，农业机器人是新型多功能农业机械，具有作业对象娇嫩复杂、作业环境不稳定、作业动作复杂、操作对象和价格特殊等特点，日本在该领域发展领先，典型的有大田除草、菜田除草、收割、采摘柑橘、采摘蘑菇、分拣果实、番茄收获、采摘草莓、移栽、嫁接等机器人，还有其他国家的剪羊毛、挤奶、耕地、插秧、棉花采收等机器人，推动现代农业发展。科学研究领域，水下机器人能代替人类在水下作业，用于水环境观测、海洋考察等；空间机器人适应太空特殊环境，如美国的勇气号、机遇号火星探测器，中国的嫦娥三号月球车；考古机器人借助信息技术助力考古工作，如埃及用机器人探索胡夫金字塔。国防领域，现代战争中军用机器人应用广泛，按军事用途分为地面、空中、水下、空间军用机器人，美国、德国、英国、中国等国家都在积极研发，美国技术领先，中国虽取得进展但与发达国家存在差距，未来军用机器人可能改变战争模式。此外，机器人还在消防、救援、医疗、教育竞赛等领域发挥重要作用，如消防机器人进入危险灾害现场，救援机器人参与地震救援，医用机器人辅助医疗工作，教育竞赛机器人推动机器人知识普及和人才培养。

最后，书中对机器人未来进行展望。当前家庭机器人价格较高且功能单一，韩国计划 2015 - 2020 年实现家家有机器人，日本制定近 20 年机器人技术发展规划，中国机器人开发处于起步阶段，高校科研机构和企业虽有成果，但与日本等国存在差距，专家呼吁联合攻关推动产业化、标准化。未来机器人技术将在运动技术（解决运动难题，研发新材料，模仿人类外形与运动）、感知材料技术（传感器发展，助力医学和空间探索）、智能技术（结合高运算能力与人的思考决策能力）上有巨大突破，但也面临智能提升带来的伦理问题。情感方面，已有 “克米特”“WE - 4R” 等能表达情感的机器人，未来情感交流将更自然；伦理方面，日本、英国、韩国、美国、中国等国家都在起草机器人伦理规范，借鉴阿西莫夫机器人三定律，规范机器人研发、生产和使用，确保机器人为人类服务，造福人类。