机器人技术教程

机器人学是工程学的一个分支，主要研究机器人和智能机器的设计、构造、操作和应用。机器人技术的主要目标是开发能够协助人类工人或自主执行低价值重复性任务的智能机器。

机器人技术涉及多种工程学科，如机械工程、电气和电子、计算机科学、控制工程、通信和材料工程，以开发机器人或自动机器。
机器人在完成对人类有害的任务(如矿山作业、探索太空等)方面发挥着至关重要的作用。
机器人还用于执行无聊、乏味和重复的任务，如清洁、组装、运输等。

如今，机器人技术是发展最快的领域之一，为各个行业带来了技术进步。

本教程旨在解释机器人技术的基础知识和高级概念初学者和专业人士都可以使用。

什么是机器人技术?

机器人技术是一门跨学科的工程分支，涉及智能机器(称为机器人)的研究、设计、制造、操作和应用。机器人技术帮助我们开发能够复制人类行为并执行任务的机器。与人类工人相比，这些机器相对更快、更高效、更准确。

在现代，机器人技术正通过人工智能 (AI) 和其他认知技术来处理不同行业中更复杂的流程和功能。

什么是机器人?

机器人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可以编程执行特定任务的智能机器。编程级别决定了机器人的自主程度。如今，各种全自动机器人都可以在无需任何人工参与的情况下执行任务。 "机器人"一词源于捷克语"Robota"，意为"强迫劳动"。

机器人的组件

典型机器人的组件分为以下三类，它们协同工作以执行特定任务。

1. 机械组件

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

2. 电气组件

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

机器人的关键电气元件如下 −

电机 − 这些组件用于将电池中的电能转换为运动，以移动机械部件并执行动作。
传感器 − 这些组件负责测量环境参数，如位置、温度、声音等。它们在机器中产生感觉。
电源 − 电池是机器人的主要电源，为电机和传感器提供工作所需的电力。

3. 软件组件

软件充当机器人的大脑。它根据输入发出指令，并使机器人采取相应的行动。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，机器人分为以下三种类型 −

1.预编程机器人

那些被编程为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。工厂装配线上使用的机械臂是预编程机器人的常见例子。

2. 自主机器人

设计为自行操作而无需任何人工干预的机器人被称为自主机器人或自操作机器人。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处理意外情况。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例子。

3.遥控机器人

遥控机器人，也称为远程机器人，是由远程操作员操作和控制的机器人。这些机器人有一个单独的控制站，用于监控和控制机器人的操作。

远程机器人主要用于在危险和难以到达的区域执行任务。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、航天飞机上的机械臂等是遥控机器人的常见例子。

机器人技术的优势

机器人技术提供了许多好处，其中一些列在下面 −

机器人技术提供的技术和系统有助于在工业中创造更安全的工作环境。机器人技术可以自动执行对人类工人有危险的任务，并减少员工暴露在不安全区域的机会。
机器人技术通过自动化复杂流程来提高效率和生产力。
机器人技术还可以提高生产率并改善业务成果。
机器人技术可以准确地执行精细的操作，而这些操作对于人类来说非常困难。它还可以减少流程中的人为错误。
机器人技术通过降低劳动力成本、人为错误和简化流程，帮助显著降低运营成本。与人类工人相比，机器人系统效率更高、成本更低。
机器人技术可以开发多功能、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。

机器人技术的缺点

尽管机器人技术有很多好处，但它也有局限性，如下所示 −

机器人技术的系统开发和实施需要很高的初始成本。该成本主要涉及研究、概念化、设计和生产。
机器人技术可以通过自动执行重复性任务来取代许多工作。这可能会给在这些特定领域工作的人带来经济问题。
机器人系统非常复杂，需要技术专业知识进行维护。
尽管技术取得了进步，但机器人技术永远无法自动化需要创造力、人类同理心或高级研究的各种过程。
机器人技术容易受到黑客攻击或网络安全问题的影响。这可能会引发道德和安全问题，尤其是在国防、监视等敏感领域。
机器人技术还对环境产生重大影响，因为机器人系统从制造到运行都会消耗能源。

使用机器人和机器人技术的行业

下表重点介绍了应用机器人技术自主执行各种工作的行业列表 −

行业	机器人技术的应用
制造业	自动化装配线、焊接、包装、材料管理、质量控制等。
医疗保健	医院自动化、机器人手术、药物输送、康复治疗等。
农业	种植、收割、监测农作物、除草、精准农业等。
物流	产品分类、货物运输、拣选和包装、库存管理、货物配送等。
汽车	生产线自动化、焊接、喷漆、物料管理等。
航空航天	自动组装飞机部件、检查、精密钻孔等。
国防和军事	机器人监视、基于无人机的炸弹处理、等。
建筑	结构的 3D 打印、检查、拆除、焊接、安全改进、砌砖等。
食品和饮料	包装、分类产品、某些食物制备、烹饪、烘焙、质量控制等。
零售	库存盘点、客户服务、无收银员商店、跟踪结帐流程等。

与机器人相关的重要术语

以下术语非常重要，对于掌握本教程中涵盖的概念非常有帮助 −

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。它被广泛应用于机器人技术，以实现机器人系统中的学习、解决问题、决策、创造力和自主能力。

机器人技术中的机器学习

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。它使机器能够从它正在处理的操作和数据中学习，而无需任何明确的编程。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似人类形状的机器人系统，可以与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，是一种旨在与人类工人在共享和协作工作空间中安全工作的机器人系统。

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，以自动化密集型生产任务，如移动装配线、焊接等。

群体机器人

群体机器人是一种将多个简单的物理机器人协调在一起作为一个系统的技术。

机器人传感器

机器人传感器是机器人的组件，使机器人能够看到和感觉到(或理解)周围的环境。机器人传感器的功能与人体中的感觉器官相同。机器人传感器的示例包括摄像头、云母、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) 是一个开源机器人中间件套件。然而，ROS 并不完全是一个操作系统，而是一套帮助开发人员构建机器人软件的软件框架。

机械臂

机械臂是一种可以编程为自主执行特定功能的机械臂。它可以是安装在基座上的单臂，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

移动机器人是那些可以在其环境中移动并由软件和人工智能等技术控制的机器人。

无人机机器人

一种专注于开发飞行机器人并使用远程系统或软件控制它们的机器人技术被称为无人机机器人。

机器人伦理

机器人伦理不过是对与机器人相关的伦理问题的研究。它为设计符合道德规范、不会对人类或环境构成任何威胁的机器人提供了指导方针。

您将在本机器人技术中学习什么?

本机器人技术综合教程将涵盖以下与机器人技术相关的基本主题和概念 −

机器人技术简介 − 本章教程将解释机器人技术的基本定义和基础知识及其在各种现代行业中的重要性。
机器人技术的基本概念 − 在本部分中，我们将了解机器人技术的一些基础概念，例如运动学、动力学、机电系统组合等。
机器人的类型 − 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用于控制其操作的不同类型的控制系统。
机器人中的传感器 − 在本章中，我们将了解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 −本章将介绍一些流行的机器人编程语言的基础知识及其在现实世界机器人中的应用。
机器人技术的应用 − 在本教程的这一部分中，我们将了解机器人技术在现代工业中的应用，并了解它们具有哪些变革性影响。
机器人模拟工具 − 在本章中，我们将了解各种机器人模拟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步。

谁应该学习机器人技术?

本教程对于机器人领域的初学者和经验丰富的专业人士同样有用。

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领域的学生。
任何对开发机器人作为项目或业余爱好感兴趣的人。
希望在机器人领域发展事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。

学习机器人技术的先决条件

本机器人技术教程专为对以下领域感兴趣的初学者而设计:学习机器人技术和机器人的基础知识。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、基本电子和电路等概念的基本了解将非常有助于充分利用本教程。

机器人常见问题解答

在本节中，我们收集了一些与机器人相关的最常见问题 (FAQ)，然后是它们的答案。

机器人实际上是如何工作的?

下面介绍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)被发送到执行器(如电机)以执行动作或运动。

机器人和人工智能有什么区别?

机器人是一种自动化机器，被编程来执行特定任务或一组任务，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获得电力来运行，例如电池、光伏电池或与供电电源的直接电连接。

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，预计将获得由人工智能和认知技术支持的全自动机器人，以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。