机器人技术基础

草坪修剪、吸尘或窗户清洁：机器人可以接管一些日常家务。人们对他们所节省的时间和工作量印象深刻：根据德国联邦信息技术协会Bitkom的一项研究，在参与调查的1000多人中，有42%可以设想自己家里有一台机器人。超过80％的人希望帮助完成吸尘或拖地，41％的人希望机器人能够在花园里帮忙。15%的受访者已经在家中安装了机器人。

尽管必须考虑数据保护和数据安全问题，但上述有代表性的Bitkom调查中有49％的参与者可以设想把自己家的安全托付给机器人。安全机器人在居民休假、出差或上班时照顾家庭。这些机器人可以通过互联网连接从一个app进行控制。如果机器人通过运动检测的方式检测到脉冲，就会向智能手机发送警报。集成摄像头可录制高清视频，并具有双向音频对讲功能。

韩国电子集团LG在拉斯维加斯的2018年消费电子展上展示了全新机器人产品系列CLOi。该服务机器人为顾客提供食物和饮料。它可以24小时使用（如在机场、火车站和酒店），并使用托盘提供餐食。 为客户提供服务后，机器人会返回服务站拿取新的零食，完成接下来的任务。

农业是另一个具有巨大机器人应用潜力的领域。目前，正在开展试点项目，在收割机上安装机械臂和多光谱摄像头，优化黄瓜采摘流程。播种时，从平板电脑控制的小型种植机器人不仅能播种，还会记录所有重要信息。无人机适用于监测蔬菜产品的成熟程度及杂草生长情况，如有必要，还可以向关键区域喷洒药剂。

作为治疗辅助工具，机器人特别适用于患者必须学习如何在中风或神经系统疾病后重新激活自身运动系统的情况。瘫痪的人可以在训练机的帮助下再次学会走路，甚至爬楼梯。一个机器人可以完成两位治疗师的工作。在锻炼期间，患者也会收到直接反馈。借助可穿戴式机器人（体外骨骼），瘫痪的患者能够自行走路。机器人的步进运动由患者调整身体重心触发。

在手术室也能看到机器人的身影，它们并未取代外科医生，而是作为精确协助进行微创手术的助手提供帮助。外科医生不使用诸如剪刀或镊子之类的手术器械，而是利用操纵杆和脚踏板通过控制台来控制机器人。使用手术机器人进行手术可节省时间，对患者而言的侵入性也较低。最大限度降低人为错误导致的风险。

索尼推出的机器狗Aibo是一款娱乐机器人，索尼于2006年停止销售，但在2017年以新版本重新推向市场。Aibo用两个摄像头和麦克风感知周围环境。获得的数据通过学习程序进行评估，这样机器狗就可以养成个性。除Aibo外，Roberta也属于玩具机器人类别。弗劳恩霍夫智能分析与信息系统研究所的这项活动，自2002年以来一直使用特殊机器人来鼓励孩子们采用有趣的方法学习技术，唤起他们对机器人开发和编程的兴趣。

即使在智能扬声器时代，实时识别和解读自然语言对于一台机器而言也是一个非常复杂的过程。这是由于存在可变因素，如周围的声音、背景噪音、音量、方言、口音或音高等。目前，机器可以识别自然语言，准确率达到95%。

需要实时捕获3D数据来精确识别和解读人类手势，而不会延迟。 弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所的科学家正在研究快速记录和处理3D数据的系统。两个高速摄像头和一个彩色摄像头记录图像，而特殊软件每秒将其转换为36条3D数据记录。 科学家们还为该系统开发了基于神经网络的学习软件。

一般可以根据二人面部表情得出关于他们之间的对话如何进行的结论。这也将在人与机器人之间的对话中实施。由于采用了柔性聚合物和集成式伺服电机，Hanson Robotics生产的机器人的面部能够呈现出各种表情。 其目标是机器人将根据人类的面部表情调整其交互。譬如，表情焦虑，机器人应该与该人保持距离，表情有质疑，就应该提供信息。

在正在进行的研究项目中，机器人正在被教导认识和理解人类情感，并作出相应的反应。通过相应的表情和手势，机器人可以显示或模拟情绪作为对人类的反应。其中一个例子是Emotisk培训系统，柏林洪堡大学的科学家目前正在与德国亚琛和科隆的大学医院合作开发该系统：该软件评估诸如视线和面部表情等信息，并给予人类相应的情感反馈。该系统旨在帮助自闭症患者识别他人的情绪，并通过发送非语言信号来做出反应。

由于它们与人类的视觉相似性及其类人行为和活动，我们倾向于赋予类人机器人以个性。事实上，对个性的模拟会影响人机交互。在一项实验中，来自东洋理工大学的日本科学家研发出了一种机器人，它能追踪人类对话伙伴的眼睛，当他或她被其他事件分心时，就会进行记录。在这种情况下，机器人前倾，提高声音，然后点头。其结果是：通过展示个性特征，机器人重新获得了人类对话伙伴的注意力。

在智能机器人与社交机器人之间划清界线仍然很困难，甚至是不可能的。目前的例子是Jibo，这是同名美国公司推出的第一款社交机器人，自2017年年底开始供货。根据制造商的说法，大约30厘米高的家庭机器人喜欢与人在一起，并与其建立关系。它会了解主人特别喜欢哪些人，并完美融入主人的社交生活。Jibo也很有魅力，能够通过诸如跳一段舞这种自发动作来制造惊喜。无论如何，这是制造商的一面之词。 现场试验表明，社交机器人与其他智能系统并无显著差异，但社交机器人要昂贵得多。

当机器人用于工业生产时，工作场所安全措施确保人类得到保护。 保护措施包括人与机器之间足够的安全距离、安全屏障、光电屏障以及扫描仪置于受监控区域内等。安全预防措施还包括机器人的紧急开关，以及识别物体与人的碰撞情况并做出适当响应的能力。 这尤其适用于协作机器人。

有了这些新的工业机器人，在某些工作区没有隔离安全装置，取而代之的是其他技术安全措施。譬如，如果一个人在几米之外，机器人就会以正常模式工作。如果这个人从一个确定的阈值靠近，机器人就会慢下来。如果这个人离得很近，只有一米的距离，机器人就会停止工作。

对于较新的系统，使用ToF（飞行时间）技术。该技术使用基于飞行时间测量距离的3D摄像头系统。周围环境被调制光源照亮。对于每个像素，摄像头都会测量光线到达物体并被反射所需的时间，然后用它来计算每个像素与所讨论物体的距离。雷达传感器也用于这一领域。在这种情况下，运动是在射频范围内电磁波的基础上检测到的。结合多种冗余技术，也可以加强人类的安全性。

在连接越来越多的复杂系统并相互通信的工作场所，重要的是要保护这些系统免遭数据窃取和篡改。除篡改配置文件（更改运动区或位置数据）和代码篡改（对序列重新编程）外，篡改机器人反馈（停用警报）是最大的威胁。这些干预措施可能会导致产品遭到破坏，机器人受到损害，在最坏的情况下会导致在这些区域工作的人员受伤。为确保数据、接口和通信通道的安全，有越来越多的公司选择使用外部软件解决方案。这些解决方案通过对配置文件进行加密并将其存储在安全元件（SE）中来防止对配置文件的篡改。身份验证还可防止未经授权访问中央处理单元。为防止代码篡改，软件解决方案通过对代码的哈希处理和验证来提供对所发送命令的授权。

即使在公元前1世纪，也有一些发明、机器和作品可以被看作是我们今天所知道的机器人和机器人技术的前身。它们来自亚历山大港的希罗，也被称为亚历山大的赫伦，他是一位古希腊数学家和工程师。这也很好地解释了他的别称 Mechanicu。在他的《 Automata》（机器之书）中，主人公描述了各种各样的“机器人”。其中一些可以自动打开庙门或播放音乐。你几乎可以说，这是最早的古老的智能家居。除像弹弓一样的武器的草稿外，Mechanicus尤其为人所铭记的是他的汽转球，也被称为希罗的引擎。这是第一台热机，蒸汽机的前身。这位机器人学鼻祖设计了100多份机器人和机器草稿。

1495年，多才多艺的莱昂纳多·达芬奇设计出了可能是第一台类似人类的机器。 他的机械骑士能够坐下并站立，其他功能有：抬起遮阳板和双臂完全移动。这些动作是通过复杂的滑轮和电缆系统进行的。达芬奇是制造了机器人还是仅设计了机器人，已经无法通过历史证明。无论如何，根据图纸制造的机器人骑士完全发挥了作用。

机器人（robot）这个词在捷克作家 Karel Čapek 的1920年英语科幻剧R.U.R.中首次使用。第一次演出是在1921年1月25日。在国际上大获成功的这部科幻剧中，自动思考的机器和人类的形象是一样的。当他们产生意识时，机器人会反抗他们作为奴隶的角色，从而导致人类的灭绝。机器人是舞台上的终结者。

Elektro在1939年的纽约世博会上露面。 这个身高超过两米、体重120公斤的重型类人机器人能够借助于集成电唱机说出约700个单词。除具有活动的手臂和腿部外，这个机器人还能够区分不同颜色的灯光和抽雪茄。 在世博会结束后的一年，Elektro与机器狗Sparko一起亮相。

1961年，George Devol获得第一个工业机器人专利。同年，Unimate被部署在通用汽车的装配线上。它由一个电脑状盒子（连接到另一个盒子）和手臂组成。这个机器人从装配线上卸下重型压铸部件并将其焊接到汽车车身。这一生产环节会给人类雇员带来高健康风险。除化学物质引起的危险外，还有几起事故导致员工失去了肢体。在德国，工业机器人时代始于20世纪70年代。

2017年11月，总部位于慕尼黑的初创公司Franka Emika因其开发廉价、灵活、直观操作的机器人而荣获德国总统颁发的2017德国未来奖。这种轻型机器人可以用于工业应用和医疗领域。这是由于在关节处安装了扭矩传感器，可以响应人类的触摸动作。这种机器人的另一个特点是价格远低于市场平均水平，因此，即使对中小型公司而言，这种高效的超现代化机器人也十分有吸引力并能负担得起。

许多现代机器人目前使用电机。虽然类人机器人和小型机器人主要由直流电机供电，但大多数工业机器人和数控机床都采用三相电机。这种电机在机器人经常进行相同运动的自动化系统中是首选，如旋转臂。

机器人中的现代液压驱动像人造肌肉一样工作。 自2014年以来，日本开发商一直在研究由橡胶软管、抗拉纤维和保护环组成的人造肌肉。这个模仿人体肌肉的系统不使用压缩空气，而采用液压驱动。这一概念的优点是：液压肌肉效率更高，也能完成精细动作。该系统比电机更坚固。配备液压驱动系统的机器人可以承受灾区的不利条件。

通过这种控制，人类可以实现完全掌控。他们通过触摸直接控制、通过遥控或通过为控制单元编程的算法来控制机器人。

人类指定基本的位置和动作序列。然后，机器人决定如何在规格范围内以最佳方式使用电机。

通过这些系统，人类指定完成一般任务。机器人自动确定最佳位置和运动序列来完成任务。

机器人自动识别其任务，并自行完成。

这种常用抓手主要用于工业机器人，大多数情况下，这种抓手配有一个气动或液压驱动系统。较小的机器人配有相应较小的抓手，装有一个气动驱动机构，能以合理成本实现精确动作。液压驱动系统用于重载任务。

对于磁性抓手，永磁抓手和电磁抓手有所区别。使用更简单的永磁抓手，抓持力由永磁体提供。借助安装在永磁抓手内的活塞释放抓持的物料。电磁抓手由提供必要磁场的直流电供电。物料通过开关电源来抓放。

粘附式抓手用于拾取小物体，如罐和盒子。 粘附力是通过分子力在两种不同或相同物质的接触面上产生的吸力。这些物质可以处于固态或液态。机器人抓手利用液体的粘附力或通过使用特殊的粘合剂来移动物体。

真空抓手可以举起重物。利用周围空气的超压，物体被压在抓手吸盘的密封唇口上。工件或车窗等重物通过吸盘真空固定住。这些物体必须具有光滑表面，以便吸盘能将它们吸起来。

与传统的抓手相比，类人机器手可以执行更精细的动作。其中一个例子是圣保罗大学的Kanguera项目。这个机器人手是人手的形状和大小。信号通过电缆和变压器发送，相比以前的机器人手而言，能实现更高精度。

力/扭矩传感器是最常用的传感器类型之一。它们用在抓手中，可以记录力和扭矩。应变片能识别微米量级的变形。这些变形通过校准矩阵转化为三个力和力矩分量。力/扭矩传感器具有数字信号处理器，用于在变形情况下捕获和过滤传感器数据，计算测得的数据并通过通信接口发送。

电感式传感器也被称为接近式传感器。在不接触它们的情况下，它们会识别出在其测量范围内的金属部件。因此，电感式传感器非常适用于进行无磨损记录，如记录活动的机器部件的最终位置。传感器表面辐射出振荡的电磁场。如果金属物体在测量范围内，它们从振荡器中吸收少量的能量。如果能量传递达到阈值，则确认目标对象识别，传感器输出会改变其状态。

电容传感器由彼此分离的两个金属部件组成，可以识别金属和非金属材料。通过电容器容量的变化实现非接触式测量。由于电容器的容量随其电极的距离而变化，因此这个可测量的变量用于测量距离。譬如，使用电容式传感器来可靠识别机器人附近的人。

磁性传感器用于进行非接触式精确位置检测，甚至通过不锈钢、塑料和木制结构识别磁体。传感器基于GMR效应(巨磁电阻)。这种效应发生在由只有几纳米厚的交变磁和非磁性薄层组成的结构中。这种效应使该结构的电阻取决于磁性层磁化的相互取向。相反方向的磁化强度远大于相同方向的磁化强度。

触觉传感器能感知物体的机械触摸，并获得随后发送的信号。譬如，一个抓手可以通过触觉传感器来确定一个物体的形状和位置。即使传感器还不能与人类感官相匹配，但创新的触觉传感器也能模仿人类指尖的机械特性和触觉感受器。这使得机器人可以根据物体状况自动调整抓握强度，尤其在人机交互中，这更是一个重要特性。

在机器人技术中，光学或视觉传感器的任务是从图像或图像序列中获取信息，分析这些信息，并在此分析的基础上采取行动或作出反应。譬如，数据由一个或多个摄像头（2D或3D）或通过扫描仪进行记录。光学传感器在机器人导航及其环境定位中起着重要作用。

最常见的方法或运动方式是使用四个轮子。 但也有一两个轮子的机器人可以增加机动性并减少部件。全地形机器人有六个或更多的轮子。

农业中的喂食机器人就是这类运动的一个例子。饲料容器、搅拌装置和称重装置悬挂在轨道上或受到侧向引导。通过电池、拖曳电缆或供电导轨供电。机器人由安装在容器上的过程计算机控制。喂食机器人从固定储存或混合容器中获取新饲料。

直立行走的机器人对于开发者来说仍然是一个很大的挑战，特别是就稳定性而言。 ZOM（零力矩点）算法是来自本田的解决方案，ASIMO 机器人利用该解决方案实现直立行走。 但是，这个模型需要一个平坦的表面来移动。 因此，该机器人不适合在崎岖地形中行进。 更先进的方法是使用动态补偿算法。这种算法比ZMP技术更强大，因为机器人的运动一直受到监控，并且双脚的放置要确保稳定性。采用这种技术的机器人甚至可以跳跃。另一种方法是被动动力学，其中摆动肢体的动量被用于提高效率。通过这项技术，机器人甚至可以走上坡路，据说其运动比采用ZMP技术的机器人更高效，能达到它们的十倍。目前关于运动和平衡的最令人印象深刻的例子来自Boston Dynamics：

如果我们想到飞行机器人，首先想到的就是无人机，现在无人机广泛用于民用和军事领域。但还有其他一些有趣的概念，比如欧盟的ARCAS（空中机器人协作装配系统）项目。德国航空航天中心的科学家们将一个机械臂组合在一架自主式直升机上。这个机器人用于检查和修理管道。其他可以想到的应用领域是维护卫星或工业设备，或在其他行星上建设基础设施。 2013年，哈佛大学的研究人员开发出可以飞行并潜入水中的机器人蜜蜂。展望未来，这些小型机器人将接管遭受灭绝威胁的蜜蜂的任务，为植物授粉。

移动机器人配备了导航软硬件组合，以感知周围环境，优化导航并响应动态事件，如人员或移动的物体。在大多数情况下，配合使用GPS导航设备、雷达传感器及激光雷达技术或摄像头，确保机器人可以在环境中安全导航和行动。

没有座位，没有桌子，甚至没有吧台。 Cafe X 于2018年在旧金山开业，完全是为实现高效和超快服务而设计的。两台咖啡机和一个机械臂带来未来咖啡因的冲击。顾客在触摸屏上选择饮品，输入手机号码并用信用卡支付。大约30秒后，会有代码发送到他们的智能手机上。他们在咖啡机上输入该代码，然后咖啡就哗哗流出来了。整个过程不会超过一分钟。咖啡馆的一名员工足以监控机器人并补充咖啡豆、牛奶等。

Zume Pizza位于旧金山湾区。该公司核心产品是名为Doughbot的机器人，它将面团按压成形的速度能比人类快五倍。机器人还可以分配适量的酱汁、撒上酱汁，然后从烤箱中取出比萨饼。每天早晨计算当天所需的比萨饼的数量和类型。这意味着每个比萨饼不必从头开始准备，但与传统快餐相比，仍是新鲜的。所有订单都通过智能手机或在公司网站上发布。公司没有可以自提披萨的店面，所有披萨均送货上门。

护士和护理人员在搬移病人时的高强度身体压力往往是导致健康问题的原因。在其 Elevon 项目中，弗劳恩霍夫制造工程和自动化研究所希望能为在医疗行业工作人员提供一些帮助。Elevon是可用来提升和运输人员的半自动升降机。多功能患者升降机旨在用于静态护理，并可自动将患者移动到预定位置。 Elevon可以在患者躺着和坐着的时候进行各种转移过程和搬运。工作人员可以通过电子方式向升降机发出指令，这样可以节省时间和不必要的跑腿工作。

世界上第一架被批准用于载人飞行的多轴飞行器来自德国。 Volocopter 2X垂直起降飞机有18个螺旋桨，完全自主飞行并有容纳两个人的空间。乘客还可以选择用操纵杆来操纵多轴直升机。 Volocopter 可以用作飞行出租车或展会穿梭交通工具。由电机驱动的Volocopter，通过自有的枢纽站点将机场或商业园等重要地点与市中心连接起来。

物流服务提供商 Hermes 目前正在试用Starship机器人在德国各城市运送包裹。公司计划2018年在五到十座城市使用物流机器人。Starship由总部位于英国爱沙尼亚和伦敦的同名初创公司开发、制造和维护。机器人将从 Hermes 各分支机构向客户递送包裹，半径可达4公里。这些机器是通过卫星定位来控制的。一旦系统学习了街道地图，他们就能完全自主地导航。

奔驰Future Bus于2016年首次在荷兰阿姆斯特丹亮相。在试验模式下，巴士从史基浦机场前往哈勒姆市20公里的路段，没有出现任何问题。巴士在独立公共汽车道（快速公交系统，BRT）上自动驾驶（出于监控目的最初车上有驾驶员），并在识别障碍物时自动刹车。该系统与交通信号灯通信，并在公交站点精准停车。城市巴士可以相互分享信息，如天气详情、车上乘客人数和道路状况等。Future Bus将从2020年年初开始批量生产。

2017年1月，总部位于荷兰的机器人安全系统公司在市场上推出了SAM3安全机器人。  SAM3机器人专为确保建筑安全而设计，可以在移动时识别人员和物体，避开障碍物，甚至可以操作电梯和门。如果一个人在限定时间内无法通过集成ID读卡器验证自己身份，或试图破坏机器人，SAM会触发警报。 机器人扫描其巡视的区域，并能够检测火灾或技术系统中存在的故障。该机器拥有热成像摄像头和四个摄像头，因此具有360度视觉。其最高时速为10公里/小时。

2017年，丹麦公司Nilfisk推出了一种用于自动湿式清洁地板的真空吸尘器。Advance Liberty A 50地板护理机器人配有传感器、摄像头和软件，可将房间情况事先录制下来。机器人能识别出像网球一样小的障碍物，并自行避免这些障碍物。Advance Liberty A 50甚至可以在超市营业时间使用。

按照生产商Asus的说法，家居机器人Zenbo能作为助手、娱乐者和同伴在家里为家人提供帮助。当Zenbo集成于智能家庭系统时，Zenbo可以查看是谁在按响门铃。当来自前门的摄像头图像被发送给机器人时，房主可以通过遥控器打开门锁。紧急呼叫功能是专为老年人居住的家庭设计使用的。如果机器人记录下有人摔倒了，就会提醒其他家庭成员。Zenbo还可以提醒家里的人吃药或者与医生有预约。

美国亚利桑那州立大学的研究人员开发出一种纳米机器人，它可以自行在体内寻找肿瘤，然后切断流向它们的血流。在小鼠实验中，已成功利用这一技术消灭肿瘤避免了转移。如果纳米机器人在血流中遇到肿瘤血管，则会触发血液凝块。 其结果是，肿瘤萎缩并死亡。科学家们报告说，纳米机器人在注射后几个小时内迅速工作，围困癌细胞。 迄今为止，没有副作用。