機器人教程

機器人學是工程學的一個分支，它涉及機器人和智慧機器的設計、建造、操作和應用的研究。機器人學的主要目標是開發能夠輔助人類工人或自主執行低價值、重複性任務的智慧機器。

• 機器人學涉及多個工程學科，例如機械工程、電氣和電子工程、計算機科學、控制工程、通訊工程和材料工程，以開發機器人或自主機器。
• 機器人在完成對人類有危險的任務方面發揮著至關重要的作用，例如礦山作業、太空探索等。
• 機器人還用於執行枯燥、乏味和重複性的任務，例如清潔、組裝、運輸等等。

如今，機器人學是發展最快的領域之一，為各個行業的科技進步帶來了新的機遇。

本教程旨在為初學者和專業人士解釋機器人學的入門到高階概念。

什麼是機器人學？

機器人學是一個跨學科的工程分支，它涉及對稱為機器人的智慧機器的研究、設計、製造、操作和應用。機器人學幫助我們開發能夠複製人類行為並執行任務的機器。與人工相比，這些機器速度更快、效率更高、精度也更高。

在現代，機器人學正藉助人工智慧 (AI) 和其他認知技術，在不同行業處理更復雜的流程和功能。

什麼是機器人？

機器人只不過是機械機器和數字計算機的組合。我們可以將機器人定義為一種可以程式設計以執行特定任務的智慧機器。程式設計的級別決定了機器人的自主程度。如今，各種全自主機器人可以無需任何人工干預即可執行任務。“機器人”一詞源於捷克語單詞“Robota”，意思是“強制勞動”。

機器人的組成部分

典型機器人的組成部分分為以下三類，它們協同工作以執行特定任務。

1. 機械部件

這是機器人的物理結構或設計。它包括機器人的框架和物理部件。機器人的機械結構負責將指令轉換為動作或運動。

2. 電氣部件

機器人的電氣部件負責為機器人的功能供電和控制。這些部件充當機器人軟體部分和機械結構之間的橋樑。電氣部件構成了機器人的神經系統。

機器人的主要電氣部件如下：

• 電機 - 這些部件用於將電池中的電力轉換為運動，以移動機械部件並執行動作。
• 感測器 - 這些部件負責測量環境引數，例如位置、溫度、聲音等。它們為機器創造了感覺。
• 電源 - 電池是機器人中的主要電源，為電機和感測器的工作提供電力。

3. 軟體部件

軟體充當機器人的大腦。它根據輸入發出指令，並使機器人相應地行動。軟體完全負責定義機器人的行為和動作。

機器人的型別

根據設計和用途，機器人可分為以下三種類型：

1. 預程式設計機器人

那些被程式設計在受控環境中執行特定、重複性工作的機器人被稱為預程式設計機器人。這些機器人透過遵循其程式設計中的特定指令集來執行操作。在裝配線上使用的工廠機器人手臂是預程式設計機器人的常見示例。

2. 自動機器人

無需任何人工干預即可自行操作的機器人稱為自主機器人或自動機器人。這些機器人可以理解和解釋周圍的外部環境。為此，它們配備了各種型別的感測器和計算技術。

自主機器人主要設計用於不可預測的環境，以應對意外情況。機器人吸塵器、自動駕駛汽車、農業機器人等是自主機器人的常見示例。

3. 遙控機器人

遙控機器人，也稱為遙控機器人，是指由遠端位置的人工操作員操作和控制的機器人。這些機器人有一個與之相關的單獨控制站，用於監控和控制機器人的操作。

遙控機器人主要設計用於執行危險和難以到達區域的任務。這些機器人允許人們在安全距離內完成任務，而無需靠近或進入危險區域。水下機器人、無人機、太空梭上的機器人手臂等是遙控機器人的常見示例。

機器人學的優勢

機器人學提供了許多好處，其中一些列在下面：

• 機器人學提供技術和系統，有助於在工業中創造更安全的工作環境。機器人學自動化涉及對人類工人有危險的任務，並減少員工接觸不安全區域。
• 機器人學透過自動化複雜流程來提高效率和生產力。
• 機器人學還可以提高生產率並改善業務成果。
• 機器人可以精確地執行微妙的操作，而這些操作對人類來說非常困難。它還可以減少流程中的人為錯誤。
• 機器人學透過降低勞動力成本、人為錯誤和簡化流程來顯著降低運營成本。與人工相比，機器人系統更高效且成本更低。
• 機器人學允許開發多功能且靈活的機器，這些機器可以程式設計或重新程式設計以執行不同的任務或適應變化。

機器人學的缺點

儘管機器人學有很多好處，但它也有一些侷限性，如下所示：

• 機器人學涉及系統開發和實施的高昂初始成本。這筆成本主要用於研究、概念化、設計和生產。
• 機器人學可以透過自動化重複性任務來取代許多工作崗位。這可能會對在這些特定領域工作的人們造成經濟問題。
• 機器人系統非常複雜，需要技術專家的維護。
• 儘管技術進步，但機器人學永遠無法自動化需要創造力、人情味或高階研究的各種流程。
• 機器人學容易受到駭客攻擊或網路安全問題的攻擊。這可能會造成倫理和安全問題，尤其是在國防、監控等敏感領域。
• 機器人學對環境也有重大影響，因為機器人系統從製造到執行都需要消耗能源。

使用機器人和機器人技術的行業

下表重點介紹了一系列將機器人技術應用於自主執行各種工作的行業：

與機器人學相關的術語

以下術語非常重要，有助於理解本教程中介紹的概念：

人工智慧 (AI)

AI 或人工智慧是一種在機器中模擬人類智慧的技術。它被廣泛用於機器人技術中，以在機器人系統中實現學習、問題解決、決策、創造力和自主能力。

機器人中的機器學習

機器學習 (ML)是 AI 的一個子集，它使機器能夠透過實踐進行自我學習。它使機器能夠從其處理的動作和資料中學習，而無需任何顯式程式設計。在機器人技術中，機器學習有助於開發能夠處理不可預測的情況並隨著時間推移而發展的機器人。

人形機器人

人形機器人是具有類人形狀的機器人系統，可以與人類相同的裝置或環境進行互動。

協作機器人 (Cobots)

Cobot，也稱為協作機器人或伴侶機器人，是設計用於在共享和協作工作空間中與人類工人安全合作的機器人系統。

機器人流程自動化 (RPA)

機器人流程自動化，也稱為軟體機器人，是一種業務流程自動化 (BPA)，它使用軟體機器人自主執行業務流程。它使用預定義的規則和指令集來執行特定任務。

工業機器人

工業機器人是一種機器人技術，用於開發和製造工業機器人，以自動化勞動密集型生產任務，例如移動裝配線、焊接等。

群體機器人

群體機器人是一種技術，其中多個簡單的物理機器人被協調在一起作為一個系統。

機器人感測器

機器人感測器是機器人能夠感知周圍環境（或理解）的元件。機器人感測器的功能與人體的感覺器官相同。機器人感測器的例子包括攝像頭、雲母感測器、編碼器、電位器、LVDT、GPS等。

機器人作業系統 (ROS)

機器人作業系統 (ROS) 是一款開源的機器人中介軟體套件。然而，ROS並非嚴格意義上的作業系統，而是一套軟體框架，幫助開發者構建機器人軟體。

機械臂

機械臂是一種可以程式設計以自主執行特定功能的機械臂。它可以是安裝在底座上的單臂，也可以是複雜機器人的一部分。它用於工業自動化。

移動機器人

移動機器人是可以在其環境中四處移動的機器人，由軟體和人工智慧等技術控制。

無人機機器人技術

無人機機器人技術專注于飛行機器人的開發及其使用遠端系統或軟體進行控制。

機器人倫理

機器人倫理是對與機器人相關的倫理問題的研究。它為設計符合倫理道德、不會對人類或環境構成任何威脅的機器人提供指導。

你將學習哪些機器人技術？

本篇關於機器人的綜合教程將涵蓋以下與機器人相關的基本主題和概念：

• 機器人導論 − 本章將解釋機器人的基本定義和基礎知識，以及它在各個現代工業中的重要性。
• 機器人基本概念 − 在這一部分，我們將學習機器人的一些基礎概念，例如運動學、動力學、機械和電氣系統的組合等等。
• 機器人型別 − 在本章中，我們將討論機器人的分類及其功能。
• 機器人控制系統 − 本章將解釋機器人中使用的不同型別的控制系統及其操作控制。
• 機器人中的感測器 − 在本章中，我們將學習不同型別的感測器及其在機器人中的作用。
• 機器人程式語言 − 本章將解釋一些流行的機器人程式語言的基礎知識及其在實際機器人中的應用。
• 機器人的應用 − 在本教程的這一部分，我們將學習機器人技術在現代工業中的應用，並瞭解它們帶來的變革性影響。
• 機器人模擬工具 − 在本章中，我們將學習各種機器人模擬工具及其在機器人設計和測試中的重要性。
• 機器人技術的挑戰 − 本章將重點介紹機器人技術發展中的主要挑戰和障礙及其可能的解決方案。
• 機器人技術的未來趨勢 − 在本章中，我們將探討機器人領域的未來趨勢和進展。

誰應該學習機器人技術？

本教程對機器人領域的初學者和經驗豐富的專業人士都同樣有用。

屬於以下任何類別的讀者都可以從本教程中受益：

• 學習機械、電子、電氣或任何相關工程專業的學生。
• 任何有興趣將機器人開發作為專案或愛好的人。
• 希望在機器人領域發展職業的工程師或開發人員等專業人士。
• 培訓師、教師或講師可以使用本教程作為參考等等。

學習機器人技術的先決條件

本機器人教程專為有興趣學習機器人和機器人基礎知識的絕對初學者而設計。雖然不是強制性的，但對代數、三角學、微積分、力學、運動學、C++、Python、ROS、基本電子學和電路等概念的基本理解將非常有助於你充分利用本教程。

關於機器人的常見問題

在本節中，我們收集了一些與機器人技術相關的最常見問題 (FAQ) 及其答案。

機器人是如何工作的？

下面解釋了典型機器人的工作步驟：

步驟 1 − 使用感測器測量和分析周圍環境。

步驟 2 − 將輸入訊號傳送到控制系統進行處理併發出指令。

步驟 3 − 控制訊號（指令）被髮送到電機等執行器以執行動作或移動。

機器人和人工智慧有什麼區別？

機器人是一種被程式設計為執行特定任務或一組任務的自動化機器，而人工智慧 (AI) 是一種在機器中模擬人類智慧並賦予機器決策能力的技術。

機器人的電源是什麼？

機器人可以從各種來源接收電力以執行，例如電池、光伏電池或與電源的直接電力連線。

機器人技術中使用哪些程式語言？

機器人技術中最常用的程式語言是 Python、C++、Java、MATLAB 和 Lisp。

機器人行業的未來是什麼？

機器人技術是發展最快的領域之一。在不久的將來，預計將出現由人工智慧和認知技術驅動的全自動機器人，能夠獨立執行一系列任務，並與人類工人協作，幫助他們完成更復雜的任務。