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Servo的内容主题范围很广，从可编程逻辑，到步进马达基础、无线电通信基础、机器人基础知识、自助操作、闭环系统、语音识别、视觉添加等，到产品和图书评论，构建自己的Bot和系统项目等等。诸如DARPA、机器人世界杯足球赛、FIRST、ComBots、水下机器人挑战赛等等活动的报道。
书名：机器人爱好者（第2辑）
ISBN：978-7-115-44299-4
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• 著 [美] SERVO杂志
译 符鹏飞 况 琪 邱俊涛 赵 俐 等
责任编辑 陈冀康
• 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
• 读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
Copyright © 2015 by T & L Publication, Inc.
Authorized translation from the English language edition published by T & L Publication.
All rights reserved.
本书中文简体字版由美国T&L公司授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，对本书任何部分不得以任何方式复制或抄袭。
版权所有，侵权必究。
本书是美国机器人杂志《Servo》精华内容的合集。
全书根据主题内容的相关性，进行了精选和重新组织，分为5章。 第1章介绍了机器人的历史、发展状态以及前景，特别关注了机器手和机器臂的设计和发展、机器人的原型设计和制造、Robot Hut机器人博物馆，以及警用机器人和安保机器人的应用和发展。第2章是新款机器人的产品实测，介绍了HelloSppon机器人和Apeiros机器人。第3章是“跟Mr.Roboto动手做”的专栏文章。第4章是系列文章的合集，包括手工焊接基础的文章，以及一些机器人DIY的文章。第5章是全球机器人领域最新的研究动态和资讯。
本书内容新颖，信息量大，对于从事机器人和相关领域的研究和研发的读者具有很好的实用价值和指导意义，也适合对机器人感兴趣的一般读者阅读参考。
Tom Carroll 撰文 雍琦 译
人类是神奇的物种，现在，我们几乎可以用机器人技术复制人类了。人类凭借独特的大脑、眼睛和四肢，完成了不可思议的成就。特别是人类的手，能够实现一系列复杂的动作。机器人专家已经设计并研发出数以千计的仿生手，但没有一种可堪与真正的手比拟（图1）。
图1 人类手骨
多少有点“人类中心主义”的感觉，我们常对人类特有的“对生拇指”赞不绝口。拇指与其他四指配合工作，可以灵巧地握住并操控物体。不过，仔细想一下，如果没有手臂的配合，我们的手就无法在较大范围内运动自如。正是凭借身体及其各部位的协调活动，我们才得以正常生活。
将人类身体的物理功能迁移到机器人身上，说难也难，说简单也简单。
虽然不见得每一个机器人玩家都会给自己的机器人安装机械手，不过，确实有许多人问我这方面的问题。过去几年里，我制造的机器人基本上都装配了机械手，有的能用，有的则需经过改装才能用。
图2展示的是我1985年左右制造的一个机器人，名叫Squirt。它的身体原来是一个工业用重型塑料化学桶，手部则是用工业手套做的，手套里面是用聚乙烯管做成的手指，手指指节处割了几条缝。每个手指都连着线缆，由一台绞盘电机驱动。一只手上5个手指的线缆都绑在一起，此外还加装了螺旋弹簧，用以辅助拉力。
图2 Squirt机器人，手套内的手指是可活动的
没过多久，指节处就开始断裂了。特别是有一个万圣夜，上百个来玩的孩子都要Squirt给他们端蛋糕，它实在不堪重负。后来我做了一点改进，在指节处对聚乙烯管进行软化，而不是切割。
我在一所中学担任机器人俱乐部教练，在俱乐部里，我们玩过多种VEX机器人，包括机械手套装，如图3所示。后来，同学们想进行一次机器人相扑比赛，一方是机器人班制造的乐高机器人，另一方是机器人俱乐部的VEX机器人。同学们最先提出的武器方案，就是VEX机械手，可以在比赛中抓住对手。我对他们解释说，比赛的目标是把对手挤出边界，而不是抓住对手将其扔出去。接着我问他们：“想想看，怎样设计机械手和机械臂，才能实现比赛目标？”
图3 VEX机械手套装
图4展示的是一款VEX Clawbot机器人。这就是我们俱部乐为相扑比赛准备的试验品。前些年，学校购买了大量VEX零件（图5），我和另一名教授Tylor Hankins都觉得应该好好利用这些材料，结合VEX ARM Cortex微控器，为俱乐部打造一款比赛机器人。
图4 VEX的ClawBot机器，机械手很漂亮
图5 Ridgefield中学采购的VEX零部件
在机器人外形方面，我们决定以NASA火星车好奇号为原型，不过要适当缩小。在零部件方面，我们主要以ServoCity和Actobotics的配件、马达和轮子为材料。ServoCity的Brian Petty及其团队，热情地给予我们帮助，不论是机器人设计，还是零部件选择，他们都提出了宝贵的建议。
同样是机械手和机械臂，工业用的价钱远高于实验性的。因为前者的速度和精准度都比后者高出很多，对于特定任务的适应性也更高。请看图4所示的VEX Clawbot机器人，它只有两个运动轴，一个是机械臂的抬降动作，一个是机械手的开合动作。
不论是控制机械臂还是控制机械手的马达，都没有轴端编码盘，不过这也不一定是坏事。通过远程操纵，VEX Clawbot机器人还有第三个运动轴，即以差速马达控制两组轮子，实现行进和转向。这样，我们的机器人就可以“瞄准”对手，抓住它，并把它推到其他地方。
我们就机械手在机器人比赛中的用处进行了探讨。为什么要用手呢？为什么不在我们的机器人前部安装一个斜面？这样它就能冲过去直接掀起对手，让它翻到界外。
在提出斜面方案之前，我告诉过同学们，用机械手当武器在技术上是有一定困难的。我们也探讨过机械手只有一个运动维度的问题。此外，只有当机械手一直降到地面或桌面的高度，它才是“水平”的。而只有当机械手降到“水平”位置，纵向摆动的机械臂才能发挥足够的作用。
就如何部署机械手的位置，同学们进行了分组讨论。有一组提出，使用VEX超音速远程感应器配合机械臂和机械手。在图4中可以看到这种感应器，就是底盘前部那个红色的东西。
感应器可以感应很多东西，不过在比赛中，应该让它只对场上的另一个机器人作出感应。但是，因为感应器的探测光束的光谱较广，机器人就不能分辨抓取对象，也就不能在比赛中发挥正确作用。最后，同学们决定听取我的建议，改用斜面做武器，并用RobotC语言为机器人编程，让机器人本身跟着感应器走。
有不少玩家在一开始制作的是相对简单的底盘，后期再增加带机械手的操纵器，这种做法当然是可行的。不过，如果能在设计时就考虑好机械臂和机械手的部署，那就更好了。请务必牢记，设计机械臂时有诸多因素需要考虑。
图6展示的是CrustCrawler机器人（Alex Dirks于2010年推出），这款机器人设计得很好，机械臂之外留有一块干干净净的空间，大小约是45.7厘米×35.6厘米。机器人内部也留有10.2厘米见方的空间，用以安装电子设备。CrustCrawler Nomad机器人使用Parallax充气轮胎和齿轮马达，牵引力较大，而马达的重量可以抵消机械臂的载荷重量。设计机器人时要注意，不要让零部件、感应器和其他附属装置挡住机械臂的活动。
图6 CrustCrawler Nomad机器人，使用AX12机械臂
机械臂的运动范围较大，其本身及抓取物都有一定重量，如果没有设计好重心，机器人就很有可能在快速移动过程中翻倒在地。Parallax公司在为其广受欢迎的Boe-Bot机器人设计机械手套装时，就考虑到了这一点（图7）。
图7 装配Parallax机械手的Boe-Bot机器人
请注意看，重量最大的部件（伺服电机）安装在机器人后部与手爪相对的位置。这样能让机械手抓取较重的物体，而不至于倾翻。这是多么好的工程实践案例啊！
我在Boe-Bot和ActivityBot两款机器人上都安装了机械手，发现平行机械手的抓取效果更好，大概是因为机械手内侧有橡胶垫的缘故。Boe-Bot属于桌面型机器人，是一个极佳的机械手和感应设备测试平台，很适合机器人比赛。
正如我本文开始时提到的那样，人类的手之所以灵巧有用，是因为拇指和其他四指的巧妙配合。图4展示的Clawbot是一款优秀的教育型机器人，但它的机械手功能有限，只能抓取竖长形的，或是贴近地面或桌面的物体。这种机器人的设计初衷，是为了让学生理解机器人的运动方式，其程序设计也只是对应于某种特定任务。
作为机器人玩家，我们不需要工业用机器人那样的速度和精准度。但是，通过精心设计，我们仍能让机械臂拥有3个或更多的活动角度。
人手受其自身结构所限，不能像马达或伺服电机那样做连续反转运动。人类手腕的转动极限大概是180度，肩膀、手肘、掌骨及趾骨的转动范围都更小。
图8展示的是CrustCrawler机器人的一种机械臂。这种机械臂使用两个Robotis Dynamixel旋转驱动器，分别驱动机械手的两个手指。机械手腕以及各个臂弯，都使用单独的Dynamixel旋转驱动器，底盘上另有两个驱动器。通过这样的配置，能产生最佳扭矩。底盘内还有一个驱动器，用以旋转机械臂本身。这样，共有8个驱动器，驱动7个关节，能在花费相对较少的情况下，尽可能地增大机械臂的有效荷载。
图8 CrustCrawler的pro系列机械臂
图9展示的机器人使用了另一种机械臂，采用的是线性驱动器。线性驱动器驱动臂杆上的螺母上下运动，运动幅度取决于臂杆转幅。螺母连接着臂杆内的套管，套管的运动类似于液压筒。
图9 装配了机械臂的ServoCity/Actobotics机器人
我在这款机器人上使用的线性驱动器由ServoCity出品，产生的力量为500牛。底部较短的那个行程为50毫米，另一个行程为100毫米。整个机器人使用的都是Actobotics/ServoCity零部件，包括轮子和马达。机械臂、机械腿以及其他活动部件，都受控于线性驱动器。这种设计适用于多种机械臂，但也不是放之四海皆准。请注意看这个机械臂，较长的那个线性驱动器约有6个孔洞长，而机械臂有25个孔洞的长度，也就是说，它们的配比是1:4.16。因此，以500牛除以4.16，最终能得到得到大约120牛的抬升力。较短的驱动器控制机械臂和套管的前后向运动。
机械手由两个RobotZone伺服电机驱动，手指则由一个较小的Firgelli线性驱动器驱动（图10）。这些小型驱动器只有手指大小，但输出功率能达到54瓦，还能像伺服电机那样进行调试。
图10 Firgelli L12-S-2线性驱动器
机械手的种类极多，有的使用磁力，有的使用真空吸盘，还有的甚至使用变形沙袋裹住物体。液压、真空或空气动力都可以用来驱动机械臂，原理同我们的肌肉受动差不多。接下来，我们将重点介绍电机系统驱动的机械臂和机械手。
最受欢迎的业余机械手之一是平行机械手。Parallax的ActivityBot和VEX的Clawbot使用的都是平行机械手，不论两个手指如何运动，它们始终保持平行。请注意，Parallax机械手的手指是平的，内侧粘有橡胶垫，而VEX机械爪的手指有两个凹曲，内侧也有橡胶垫。平行机械手给人的第一印象，就是善于抓取平面物体，或者至少有一对平行面是平的。但它也有一个缺点，就是抓取物体时不能完全贴合其表面，这就有可能造成抓取物在机械手内滑动或摇摆。如果手指和齿轮稍稍倾斜一点，或者给手指粘上橡胶垫，情况就会好很多。图11展示的Robotiq机械手，采用了一种特别的设计，兼具平行机械手和V形机械手的特点。
图11 Robotiq 2085型机械手
在大型机器人生产商那里，可以找到各式各样的机械手，质量和价格差异极大。当然，你也可以用Google搜索“机械手（robot grippers）”。ServoCity在线上销售4款机械手，见图12A-12D，售价从6.99美元至14.99美元不等。我个人强烈推荐servocity.com网站，那里有着极其丰富的机器人装置、零部件、轴承以及其他配件，当然也包括机械手。
A. ServoCity微型机械手
B. ServoCity纵向机械手
C. ServoCity横向机械手
D. ServoCity平行机械手
图12
即便你不打算买任何东西，servocity.com仍然值得一逛。见识了那里的机器人设计图纸和实物照片后，你肯定会不由自主地感叹：“我之前怎么就没想到可以这样做呢”？我自己就收集了这个网站里的大部分照片，做成一个文件，时时参考。
V型机械手是最常见的机械手类型之一，它的开合方式同人类的手差不多。使用HiTec HS-5055MG或类似伺服电机的ServoCity微型机械手，是小型机器人的最佳搭配。ServoCity纵向机械手则适合中型机器人，特别适用于结构较纤细的机械臂。
ServoCity横向机械手同样采用V形设计，伺服电机也是横向安装的，“标准”HiTec或Futaba电机都可以。
所有这些机械手都经过精心设计，以结实的6.35毫米ABS塑料为材料。ServoCity还有一款装配了机械臂和机械手的可移动机器人，名为Stakcker（图13），我以前就曾用过。
图13 ServoCity Stacker机器人及其机械臂
上述机械手抓取物体时，仅有两个接触点，物体有可能像在平行手爪内那样滑动摇摆。
因此，再重复一遍，请在手内侧粘上橡胶垫，这样能有效增强捏合度。我曾把尖嘴钳手柄上的橡胶皮改装到V形手上，如图9所示。
图12D展示的ServoCity平行机械手宽6.35厘米，可打开至7厘米。这种机械手只使用一个标准HiTec伺服电机。同其他的标准型ServoCity机械手爪一样，这种机械手也是用6.35毫米ABS塑料做的，可以很方便地同其他零部件搭配，组成一只功能完善的机械臂。
图14展示的是Tetrix平行机械手，结构同ServoCity的一样，但稍小一点，使用的塑料也稍薄。这种机械手搭配同为Tetrix出品的Pickee机器人，效果堪称完美，毫不逊于ServoCity系列。
图14 Tetrix平行机械手
互联网上有着不计其数的机械手，其中有许多都是平行机械手，比如图15所示的Thinkbotics。这种机械手售价40美元，是中型机器人的绝配。图16展示的是非常流行的eBay机械手，产自中国。这种机械手常与图17所示的机械臂搭配，价格视配置的不同而差异极大。
图15 Thinkbotics平行机械手
图16 互联网上流行的一种平行机械手
图17 性价比较高的机械臂和机械手
作为伺服电机赠品的机械臂，质量一般比较差。我建议大家还是单独购买机械臂和机械手，然后配上你自己的电机，比如HiTec、Futaba或其他同类产品都可以。记住，一分价钱一分货。
图18展示的是OWI机械臂，已经流行多年，可以方便地同你的电脑或微型控制器接连。
图18 广受欢迎的OWI-535机械臂“arm edge”
机械臂和机械手是比较复杂的，在本文中，我还只是就常见的型号做了概要性的介绍。但愿你的胃口已经吊起，准备捋起袖子，大干一把吧！
最后，我想再展示一款与众不同的机械手。请看图19，它就在硬币边上，是由约翰•霍普金斯大学制造的。网络杂志《Gizmag》曾这样介绍它：“约翰•霍普金斯大学发明了一种微型生物降解手。这种手的主要材料是软水凝胶和硬聚合物，但其内部含有磁性纳米微粒，可以通过磁力控制它的运动。”
图19 以硬聚合物为材料的微型机械手
多年以前，人类已经发明出能在血管内内穿梭自如的药丸式体内摄影机和磁力引导机器人。现在，机器人在人体内完成工以后，将会自动降解，这无疑又在原先的成就上迈出了新的一步。
Tom Carroll 撰文 雍琦 译
我已经这个专栏里，为业余爱好者写过专门讨论机器人设计的文章，也尝试过回答这样的问题：“怎样才能造出一个机器人”？跃跃欲试的各路玩家提出的问题五花八门，但主要集中在机械和结构方面。大概他们觉得我不是顶尖的程序员，只能指导一些机械和电子系统方面的问题。我能区分PIC、Arduino、Propeller，甚至Raspberry Pi之间的不同，不过不想写代码罢了。很多朋友的程序设计能力比我强，这方面的问题还是留给他们吧！
此前我对机器人设计进行了概览式的介绍。一些读者在看了相关文章之后，要求我在结构和机械方面进行更深入的介绍。
现在，我就来满足读者的要求。不过，我并不打算讨论微型控制器、编程、CAD设计或者电子系统、感应系统方面的话题。接下来，我要介绍的是，机器人设计时各个实物部件的定位和装配问题。
我们的话题将集中在如何利用原型设计来研制和改进机械设计。最终的施工设计，就敬请读者开动脑筋，自己完成吧！
我们将对部件安装、系统、电机、电池等各个环节一探究竟，打造一个既高效又稳定的机器人底盘。我将以ServoCity的Actobotics底盘为例，讲解机械和结构部件。ServoCity的网站展示了数千种机械构件照片，堪称一个蕴藏丰富案例和创意的宝库，绝对值得一看。
我不仅会探讨结构部件和机械部件，也会涉及基础的机械加工实践。我会展示一些不同的移动机器人底盘，玩家可在这些底盘的基础上制造自己的机器人。
在回答机器人研制方面的问题时，我常会反问这样一个问题：“为什么你想制造机器人，你想让机器人做什么？”我之所以这样问，正是因为很多人并不明白自己想要的是什么。他们只是觉得，“玩机器人够酷”。其实，这正是回答我那个问题的好答案。对于玩机器人来说，“酷”是一个极好的理由。
一个人想耍酷，说明他想学一点与众不同的东西，而玩机器人是个良好的开端。机器人玩家的背景、知识结构以及目标是极其多元化的，因此，涉及具体各种机器人类型的话题，可以留待以后再讨论。
很多人第一次上手时，会采纳我的建议，购买一套Parallax机器人套装。例如，图1所示的ActivityBot套装，或者基本型的Boe-Bot套装，价格是150～199美元，这基本上是进入机器人玩家圈子的最低成本。这些套装附带的说明书绝对物有所值。
图1 Parallax公司的ActivityBot机器人
这种小型机器人可以根据需要，装配各式各样的部件，比如钳子、声纳、巡线机器人、相机、Xbee模块、蓝牙以及Wi-Fi装置，甚至可以装配语音和语音识别系统。即使是入门级的产品，比如Parallax S2，也有丰富的装配空间。
这些机器人套装的机械结构很简单，不会吓到任何人。Propeller研发的、用于给ActivityBot编程的“C”语言简单易学，但又足够强大，可以控制极其复杂的机器人。
如果预算比较紧张，可以考虑售价27.99美元的ServoCity ActoBitty套装（图2）。这个套装包含两组带轮子的电机，4个AA电池夹，一块带线路通道的铝质底盘，Arduino芯片板以及电池盒。它的性价比很高，对于装配一个入门级机器人来说，最终成本不会超过50美元。
图2 ServoCity的Actobitty机器人
图2展示的是，装配了Arduino芯片板和线路跟踪器的机器人。如果购买价格更贵的ActivityBot套装，那么后续的装配空间会更大，可以满足将来打造更大型机器人的要求。
有些机器人爱好者以Beo-Bot套装起步，也有的会用乐高头脑风暴套装、VEX套装，或者其他类似的教育版套装。这些套装的机械结构比较简单，而大多数人希望以此为基础，打造属于他们自己的机器人。他们信心实足，觉得自己可以处理由感应器、机械臂、传动系统以及电池等等不同部件组成的复杂结构。所有这些问题，正是我接下来将要介绍的。
我们假设你已经玩过几种小型机器人套装，准备打造自己的机器人。你可以根据个人喜好把机器人分为各种类型，比如家用型、户外型、搏斗型、医护型，或者随便其他什么类型。实际上，机器人的类型远不止这些，而且每种类型都可以进一步细分为更多子类型。不过，我们暂且就上述已提到的类型开始吧！
很多玩家希望自己的机器人是多功能型的。或许，一开始你只想要一个可扩展的底盘，可以在其上加装各种感应器和附件，然后根据具体需要再做改装和调整。
有时候，机器人设计会因为材料限制而受阻。但是，你可以根据实际需要对设计作一些微调。
在你开始设计自己的机器人之前，可以参考一下已经成型的机器人设计。正如前面已经介绍过的那样，从制造第一个Boe-Bot机器人开始，Parallax公司在这一领域经验丰富，积累雄厚。在2010年的时候，公司总裁Ken Gracey意识到消费者喜欢更大一点的机器人，开始采用9层胶合板作为底盘托板，如图3所示。
图3 Parallax公司在2010年发明的胶合板托盘
图4展示的是Parallax公司以Kinect感应器为基础设计的Eddie机器人。这种机器人顶部装着笔记本电脑，用Windows系统进行图像处理。后来，Parallax公司在原设计中采用多层HDPE强化塑料取代胶合板，打造出目前市场上销售的Arlo底盘。
图4 Parralax公司的Eddie底盘，使用Windows操作系统和Kinect感应器
与此同时，Willow Garage公司研发出了TurtleBot底盘，如图5所示。TurleBot底盘同样使用Kinect感应器，不过使用ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）编程。图6展示的是类似的另一种多层底盘，由英国的Robot-Electronics公司设计。
图5 Wilow Garage的TurtleBot机器人，使用iRobot的Create底盘和ROS
图6 英国Robot-Electronics公司设计的多层底盘
上述4种机器人底盘，都是中型机器人设计的典范之作。它们都是圆形的（或者说接近圆形，比如英国公司的那款），都采用差速传动，操控简便，行驶稳定。
它们还有一个更重要的特点在于，上层托板都比较大，可以安放一台屏幕打开的笔记本电脑，这样就能用笔记本电脑控制机器人。当然，你也可以把笔记本电脑合起来，塞入到下层托板中，把上层空出来放感应器或者其他设备。
即便是在以iRobot Create底盘为基础的、尺寸较小的TurleBot底盘上，也可以用紧凑型笔记本电脑代替微型控制器，对机器人进行更高级的控制。对于大多数玩家来说，圆形差速传动平台堪称最好的机器人设计之一。
底盘是机器人设计中最重要的部分，它承载着整个机器人，不论你是使用空腔壳体，还是直接把其他部件装到底盘上。
图7是Parallax公司的设计图纸，标出了安装电机的两个小孔，以及为轮子留出的位置。前后两个轮脚机动性很强，正适用于差速转向系统。你可能会想要两层托盘，用来安放笔记本电脑、Kinect感应器、摄像机以及其他传感器。
图7 Parallax的底盘设计图，准确标出了开孔位置
多数人喜欢把电池装在底盘最下面，以保证机器人的稳定性，就像Parallax公司的Eddie底盘那样，把电池装在下层托盘的下面。这种方法适用于胶体电解质铅酸电池，这种电池比较重。不过对于锂离子电池，特别是锂聚合电池来说，应该把它们安装在较高的、易于拆装的地方。
我们已经介绍了一些不同种类的机器人底盘，它们的研发者都是很棒的机器人公司。不过，研制一个你自己专属的机器人底盘也并非难事。对于小型机器人来说，利用现成的底盘是个不错的选择。但如果是大型机器人的话，研发你自己的专属底盘会省不少钱。我们刚才介绍过，用胶合板就可以做出很不错的底盘托板，即便你的胶合板的质量不如Parallax公司用的那样好，也是没有问题的。
我自己做的最早的一批机器人，都是以胶合板或镀锌通风管为材料的。根据机器人的大小，6.35～25.4毫米的胶合板（两面刨光）都有用武之地。
后来，我开始制造大型机器人，于是就用起了金属托板，通常是3.175毫米和6.35毫米的6061-T6铝材。
如果你只想用较薄的金属材料，那么Actobotics的3.8厘米×3.8厘米铝槽是一个不错的选择，如图8所示。这种带护轨的铝槽强度较高，安装马达或轮子都没问题。
图8 ServoCity出品的3.8厘米×3.8厘米铝槽
使用“L”形管槽或铝槽有一个好处，它们身上的孔洞位置，能够与ServoCity的产品配合得天衣无缝。图9展示的机器人由Rober Beatty和他的女儿合作打造，使用的全部是Actobotics的管槽。
图9 Robert Beatty和他女儿共同打造的机器人，使用的是Actobotics管槽
你还可根据需要选用不同长度的铝槽，共有10种长度可选。
曾经有很多年，我在加工设备方面独具优势，可以使用大功率金属切割机切割材料，用金属成形机给材料塑形。不过，现在我同很多人一样，没有机会用到这样的设备了，只得转而购买市面上加工好的定形材料。当然，你也可以自己动手，从较大的材料上割出所需要的尺寸。手持式金属切锯机、“大剪刀”，甚至是弓锯，都可以用来切割金属材料。
很多人喜欢用纵横双向带锯。图10展示的就是Northern Tool公司出品的一种带锯，售价250美元。像这种价格相对比较便宜的带锯，其底座有时会在使用中摇晃，但并不影响切割工作。有一回实在不得已，我用只装了一把刀片的米沃奇（Milwaukie）往复锯，从190厘米的铝板上切出6.35毫米的材料。是的，米沃奇往复锯好像算不上真正的切割设备，但实际上，没有什么是它不能切割的（图11）。
图10 Northen Tool出品的廉价（纵横双向）带锯
图11 用米沃奇往复锯切割钢槽
切割的时候动作不要太快，也别太慢，保持一个稳定的节奏，沿着墨线切，但不要离墨线太近。锯台最好贴一层防护胶带，以防在切割时磨损金属材料。切完以后，材料要磨光或挫平。切得越直，磨光或挫平就可以做得越少。如果要打磨直边，台式砂光机会让你事半功倍。
有些人喜欢用固定式纵向带锯，因为他们经常要切割比较大的材料。但是，如果要切割金属的话，这种锯得配上更大的组合锯才行，这样花费就比较高。
如果要切出圆形材料，可以用钢脚圆规划线，也可以沿着圆形的厚纸板或塑料板划出墨线。
我喜欢用Dykem墨水划线，线条会非常醒目，如图12所示。线条最好划得比较深，即使墨线不小心被擦掉一点，也不至于太受影响。
图12 用Dykem墨水在材料上划出墨线，以备切割
如果要切割直径大于7.62厘米的圆孔，我就会使用安装了孔锯或高速切削刀的压力钻，如图13所示。使用电动工具有一定危险性，特别是电锯和压力钻。如果高速切削刀片没有牢固地安装好，或者没锁牢就启动钻机，它就很有可能在使用时弹出来扎到身上或眼睛里。所以，务必记住，戴上护目镜！
图13 装配高速切割刀片的压力锯，可以很方便地割出圆孔
如果你在切割金属方面还是新手，我建议你先学一点基本操作技法和安全防护措施，可以向懂行的朋友讨教，也可以去网上求教。
上面介绍的工具，样样物美价廉，绝对是你打造机器人的好帮手。不过，使用时一定要当心，要遵守安全操作规范。不然的话，这些工具会变成残害你的凶手，说不定会让你躺进医院。
如果你设计过机器人底盘，想必你肯定是想造出一款能行驶的机器人。那么，你肯定会用到数量不等的轮子，或有类似功能的部件，或许你还会用履带，甚至是机械腿。不过，以下讨论的重点还是轮式驱动。
有些人可能会认为，直接把轮子装到齿轮马达上就行了。其实，这种方法并非处处适用。对于重量小于0.45千克的小型航模类机器人来说，直接安装轮子是可行的。对于更大的机器人来说，就得另想办法了。
大多数齿轮马达的输出轴都有抗扭转力矩能力，不过抗挠矩能力却不强。电动轮椅的那种特制大型齿轮马达，在变速箱内设计有两个轴承，可以起到抗挠矩的作用。不过，普通机器人玩家不太可能找到这种齿轮马达。
新手购买齿轮马达的时候，常会有无从下手的感觉，即使在实体店里亲手拿着一个马达端详，也不知道它是否合乎需要。这时你有两个办法，一是看看产品说明书，一是打开马达，看看输出轴后面以及最末端的齿轮前面有没有滚珠轴承或衬套。
有的人可能会觉得，“轮子越多越好”。这是不对的。轮子多，驱动马达和连接件也随之多起来。
图14展示的是一款来自ServoCity的Nomad机器人，整体已经装好，还没有上线缆、电池和控制系统。请注意右边那根倾斜的方槽，这种设计能让机器人在复杂地形上仍能4轮抓地。
图14 ServoCity的Nomad四轮驱动越野机器人底盘，请注意其可弹翘设计
2根方槽中只有1根倾斜，这种设计非常适用于越野型机器人，这款重量为2.95千克的Nomad机器人即是一例。
我第一次调试远程操纵装置，就用了一台Nomad机器人。它运行得很顺利，还能顺利从石头上跃起，稳稳着陆（遗憾的是，后来再也没有做到过，仅此一次而已）。
除非你能按照Ackermann（汽车型）模式把前后轮调试好，不然的话，不论是4轮、6轮还是8轮，都会在行驶过程中产生摩擦，极大地浪费能量。
6轮型很适合复杂地形，不过前后轮都要设计成能转动的，而且每个轮子都要有一定的弹跳性能。除非你真的要打造一款实实在在的越野机器人，否则的话，太多的轮子只是看起来比较酷而已，实则牺牲了效率和功能。
给机器人装轮子，就跟给双轴承齿轮马达装轮子一样简单。不过，有时候我们会碰到“完美”的齿轮马达，不论是转速和扭矩，还是电压和能效，都符合要求，但是，就像我上面已经说过的那样，装上轮子后没有抗挠矩能力。
行星齿轮箱马达通常有一套直径同马达一样的齿轮组，安装面上有螺纹孔，可以紧固在安装位置。图15展示的就是一个ServoCity HD行星齿轮箱，可以看到，它是很易于安装的。
图15 ServoCity HD行星齿轮箱马达，装有“mount C”接口
要把轮载荷从马达输出轴上卸下来，就需要使用链式传动。使用两种不同尺寸的链式齿轮，利用齿轮速比增加或降低轮子的转速，并弥补马达有效输出速度不足的问题。
再次建议你去ServoCity的网站看看（www.servocity.com），在那个网站上，你可以从数百种不同的结构模型和机械模型里学到不少东西。
之所以要用两组差速传动马达和轮子，是因为要防止突发状况，比如轮子被门坎或者坑坑洼洼的地面绊到。如果机器人的两个轮脚一前一后，就有可能发生这种情况。只用一个轮脚的话，就不会有这种问题。
如果前后轮脚的其中一只，或两只同时翘起，驱动轮就可能离地，机器人就搁住了。
更有可能的一种情况是，机器人侧向一边，依靠两个轮脚保持平衡，然后只以一个驱动轮发力，驶入平地。
我同Parallax公司合作，开发了一种弹簧支承轮脚（图16），可以缓解上述问题。如果要用这种轮脚，得根据机器人的重量自备弹簧。
图16 弹簧支承轮脚，专为Parallax公司的ARLO底盘设计
弹簧太硬的话，起不到作用。如果太软，行驶在有起伏的地面上就会摇摇晃晃，启动和停止时也会前后摇摆。
设计机器人没有“最好”的方法。实际制造过程中，有太多问题需要考虑。我可以负责任地说，使用本文介绍的ServoCity原型部件，可以帮助玩家节省机械加工的时间，拿来就用。
VEX、Parallax、MINDS-i、LEGO、Tetrix等公司，为玩家提供了琳琅满目的教育版机器人套装，对于学习机器人设计理念来说极其有用。其实，稍微从成品机器人里汲取一点灵感，就能走出自己的路。
Tom Carroll 撰文 赵俐 李军 译
我相信本书读者都在电影中看到过机器人，并且想知道自己是否也能拥有这样的机器人。所以我想不到比机器人博物馆更好的方式来展示机器人的“过去和现在”——从早期的电影到今天的大片。在介绍Robot Hut博物馆之前，我想先谈谈机器人题材的电影，它们经历了从使用机械道具到应用计算机生成图像的演化。我们都知道，过去电影中出现的“机器人”要么是塞进不舒服的机器服装的人，要么是遥控的机械道具。无论机器人是巨大的怪物，就像《环太平洋》中的机器人，还是与《星球大战》中的R2D2一样可爱的垃圾桶大小的太空漫游机器人，抑或是如《机器战警》中的ED-209一样不那么友好的警察机器人（如图1所示），我们都为之着迷。
图1 电影《机器战警》中的ED-209警察机器人
20世纪80年代时，我住在南加州，当时有幸为几部电影制作了一些机械道具。其中一部电影《菜鸟大反攻》的道具师需要两个相同的遥控机械道具（其中之一如图2所示），以及两个额外的非功能性但外观相同的道具，来充当系列电影第一部中的两个书呆子“制造”的一个机器人。
图2 电影《菜鸟大反攻》中的4个机械道具之一
制片公司等着通知我开工，最后终于告诉我开始制造机械道具，要在几个星期内完成。由于时间太紧，我告诉他们我需要雇用一位朋友来帮助我，因为我在Rockwell有一份全职工作。
在我制造机械道具的过程中他们给了我们一大笔钱，我们最终按时完成了任务。这似乎是电影制作在那些日子里的运作方式。
后来在电影界开始出现CGI机器人，比如电影《机械公敌》中的NS-3人形机器人。我将大约十几个20世纪80年代的“古式”机器人借给了该电影的道具师，它们从未在屏幕上出现过。有了今天的计算机图形图像技术，电影中的机器人现在只是硬盘上某处的一堆二进制文件。
一些机械道具目前仍然在电影中使用，比如将于2015年12月在电影院上映的最新一部《星球大战》中的BB8。图3是电影明星Oscar Isaac与BB8的合影。该机械道具利用Sphero的技术创造而成。
图3 Oscar Isaac和BB8机器人在阿纳海姆举行的《星球大战》电影庆典上的合影
BB8将在整部电影中被当作CGI机器人，但许多特写镜头将这个惊人的滚动机器人作为物理存在展示出来，机器人的头悬于旋转球之上。
我确实很怀念人们制作电影道具（比如Robot Hut中展示的那些）的那些日子。Robot Hut是一个不可思议的博物馆。
人们会认为这样的博物馆应该位于洛杉矶附近、加州电影工业区或者至少在一个大都市圈内，但这一独特的博物馆位于华盛顿斯波坎约48千米以北称为Elk的一个小农村社区。
一位朋友莱恩 • 史密斯2015年4月份邀请我去那里，他的4个朋友与我们同行。从俄勒冈州波特兰地区（我住在华盛顿波特兰以北）用了8小时驾驶近645千米之后，我们来到了通往博物馆主人的农场的一条乡村小路。
在到达农场时，让人意想不到的是，正面背对马路的谷仓大小的新红色金属建筑就是博物馆。图4显示了我们6人在这座建筑前的合影。我相信，如果建筑面朝马路，从口中喷出烟雾的2.44米高的机器人和“Robot Hut”指示牌会提醒我们博物馆就在这里。
图4 位于华盛顿Elk的Robot Hut博物馆
博物馆所有者兼馆主约翰 • 里格出来迎接了我们。他身边的两条非常友善的狗很快就蹭到我们跟前，希望得到我们的爱抚。约翰让我想起了爱默 • 布朗博士，即电影《回到未来》中由演员克里斯托弗 • 劳埃德扮演的角色。
该博物馆仅对获得邀请的人开放，这就是约翰在我们抵达时迎接我们的原因。如果你想预约餐馆，需要给他发送电子邮件。
他收藏的电影机械道具和其他机器人太多了，所以他不得不在2000年将他的收藏搬到这幢新建成的建筑物中。他建立这个博物馆并非出于商业目的，而是源于对机器人的满腔热爱。他没时间向到他农场的每一个不速之客展示博物馆，因为他每天有许多琐事要处理。
我们通过白门进入一个小门厅，其中装饰着机器人海报。另一扇门带领我们进入大艺术区。其中的场景实在是令人叹为观止。整个地板铺满机器人，从可以拿在手中的小机器人到你最喜爱的机器人电影中2.44米高的机器人作品。很难让人搞清楚应从哪里开始看起，因为我们所有人从不同的方向出发。
入口旁站着两个1.83米的机器人，它们组成图5所示的“机器人乐队”。机器人乐队右边是一台较旧的小型计算机，该计算机控制了博物馆的不少机器人和声音。
图5 组成机器人乐队的机器人和计算机控制
轻巧地击打几下键盘，约翰很快便可让两个机器人演奏出多个曲调，他在计算机中编入了超过160种曲调。
他从头开始设计和制作了这两个机器人；音乐飘荡在整个博物馆，令人非常愉悦。实际的“乐器”是蓝色机器人胸前的管乐器和其手中的鼓，而并非一些单独录制的音乐。音乐有点响，听起来很像马戏团中途的汽笛风琴演奏。
该机器人乐队始建于2002年，然后于2003年重建。11年前，约翰在《SERVO》杂志中描述了如何为超过100个MIDI电子机械设备编程，如何花了近一年时间来制作这两个机器人以及它们的48个风琴管，以及如何制作用于控制整个作品的电磁阀。
如果你（作为Robot Hub的访问者）只有几分钟的时间观看展览，那么应停留在图6所示的博物馆区域。电视剧《迷失太空》中的B9在你的左边，B9由约翰在20世纪90年代制作。约翰过去常常将他的机器人项目的建设过程录制在家庭录像带上，他将这些录像带存放起来。正如他对Robby机器人所做的一样，他说他“一遍又一遍反复打造B9，直到满意为止。”
图6 机器人天地
电影原版机器人耗资75000美元打造于1960年，在电视节目中有几个复制版本。它们经过多次易主，据称原件之一如今在西雅图的Paul Allen科幻博物馆。对于钟爱《迷失太空》的收藏家，这似乎是复制得最多的机器人之一。
你最右边的大型银色机器人是《地球停转之日》中的Gort，他正在等待你的命令，“Klaatu barada nikto”。他比原版短一点，但外形各个方面都堪称完美。
电影《宇宙静悄悄》中的Diminutive Huey、Dewey和Louie在底端，由约翰制作于2004年。最右边完美再现了1960年的一部同名电影中的“时间机器”。虽然那不是一部机器人电影，但却是有史以来最值得关注的科幻电影之一。
约翰告诉我们，时间机器中的座椅实际上是一把古老的理发椅。他于1997年制作了这个道具。中间是Tobor，其胸部采用弯曲的金属管。
我最喜欢的机器人之一是Tobor the Great（图7）。你可以想得到它是如何得名的。小时候，当我第一次看到这部电影时，我就梦想有一天能拥有自己的机器人。如果我没记错的话，正是电影中的那个天才儿童打败坏人“化险为夷”，当坏人砸坏了那个藏了机器人遥控器的圆珠笔时，Tobor依然能接通无线电信号。
图7 Tobor the Great机器人
虽然展出的机器人很少在电影中实际使用，但这并不代表约翰没有大量地参与制作电影道具。图8所示的照片呈现了他自己以及与佛瑞德 • 巴顿制造几个Tobor复制品的过程。我们几人后来在建筑物中参观了他的“道具准备间”，他在这里制造出很多机器人。我一会儿会重点介绍这一道具准备间。
图8 约翰•里格与佛瑞德•巴顿（穿黑色上衣）重新制作Tobor以作为博物馆陈列物
虽然Tobor是激起我对机器人的想象的第一个机器人，米高梅公司于1956年出品的《惑星历险》中的机器人Robby以及许多其他代机器人俘获了我的心。此外，让我产生更大兴趣的唯一的电影机器人是《星球大战》中的R2D2。
Robby是遵从艾萨克 • 阿西莫夫的机器人三定律的、友好安全机器人的缩影。该机器人由米高梅电影制片厂的道具部制作，成本达125 000美元（这在当时绝对是斥巨资的电影道具）。
Robby在《惑星历险》之后的几部电影中露过面，其中之一是1957年的《隐身男孩》。Robby或者Robby的某些部分多年来也出现在许多电视剧中。原版Robby多年来辗转多次易主，遭到破坏，并经过几次修复，最后终于在2004年被送到卡耐基梅隆大学的机器人名人堂。
在 Robot Hut展出的几个Robby，其每一处细节都与原版一样壮观和准确。如图9所示，约翰站在Robby旁边，Robby是由摩比斯博士用于从他的住所来回运送游客的独特“出租车”的驾驶员。约翰同时制作了机器人和所谓的独特“吉普车”。
图9 约翰•里格站在Robby和他的太空出租车旁边
约翰的首批Robby制作于1987年。他觉得他可以做更多工作，所以他不断制作“更好的”Robby。收藏家们甚至将他不喜欢的那些Robby都抢购一空。
图10中所示的另一款Robby与他的一些兄弟站在一个角落，由约翰制作的另一款设计独特的Robby如图11所示。这是首批设计之一，但未在电影中用作最终的道具。
图10 约翰•里格的另一款Robby
图11 未在电影中使用的一个初始Robby设计和他的朋友R2D2
图12中所示的一系列小型Robby复制品陈列于博物馆中的某个陈列柜之中。Robby如此令人难忘，以至于不喜欢科幻小说的人也能立即认出该机器人。
图12 如果你没有足够的空间放置一个7英尺的Robby，一个较小版本或蒸汽朋克头型的Robby可能适合你
位于Robby前面的是他同样著名的机器人朋友——《星球大战》中的R2D2。R2D2在许多场景中都发出叽叽声，偷走了数以百万计影迷的心。在图13中，为什么安东尼•丹尼尔穿上C3PO服装那么合身，20世纪70年代中期有很棒的无线电控制系统了，为什么肯尼 • 贝克还要藏身于移动R2D2罩壳中？
图13 肯尼•贝克身着R2D2服装，安东尼•丹尼尔身着C3PO套装
游览博物馆时，参观者将看到1927年弗里茨•朗导演的电影《大都会》中的玛丽亚。玛丽亚是一个Maschinenmensch，这是“机器人”的德语表述。她来自未来的2026年。《大都会》是那个时代制作的最昂贵的电影之一。“玛丽亚套装”如图14所示。约翰用一些“时间机器”的部件换取了她。
图14 弗里茨•朗导演的电影《大都会》中的Maria机器人“套装”
坐在Robby的车中，参观者将看到1987年上映的电影《机械战警》中的明星，如图15所示。它是另一个并非约翰自己制造的机器人，而是从佛罗里达州的一位收藏家那里购买而来。其部件基于机械战警原始模型而铸造。机械战警实际上是一个半机械人，一个受伤致死、成为外骨骼机器人的警察。图16所示的机器人来自1954年的电影《入侵地球》，其中讲述了来自金星的巨型机器人攻击芝加哥的故事。约翰于2004年制造了这个机器人。
图15 RobotCop
图16 1954的电影《入侵地球》中的机器人
博物馆中其他非常显眼的位置上放着3个相当新的著名电影机器人。1986年上映的电影《霹雳五号》中的Number Five，其更为人所知的名字是约翰尼•菲弗，如图17所示。你可能已经知道，这部电影的故事情节是Nova军火公司开发的5号军用机器人被闪电击中，从一个机器人杀手变得拥有感情和思维，并且心地善良。
图17 《霹雳五号》中的约翰尼•菲弗
同样，这是约翰花了4年时间打造的机器人道具，于2004年完工。约翰一次构造一个部件，要么使用1986和1988年的电影剧照，要么开车到加州电影工业区拍摄和测量实际的道具。
谈到电影《星球大战》和可爱的小R2D2，就不得不提到说起话来一本正经的金色英国机器人管家C-3PO（图18），他在大多数场景中都伴随在他的小伙伴左右。图18中，C-3PO正抱着自己的断腿！
图18 《星球大战》中的C-3PO
你能想象得到，被塞进一件非常不舒服而且非常热的服装，在炽热的沙漠烈日下站几个小时会是怎样的感受吗？该礼仪机器人出现在所有7部《星球大战》电影中，道具的设计师拉尔夫•麦考瑞在设计C-3PO时，部分借鉴了《大都市》中的玛丽亚套装。约翰于2000年制作了他自己的C-3PO。
与1984年的电影同名的“终结者”机器人更加出名。他并非作为一个机器人杀手（在第一部电影中）而出名，而是因为他后来成为了我曾经居住的一个大州的“州长”。
电影中大多数机器人都会随着时间的流逝而慢慢变得更加温顺和招人喜爱，而来自2029年的终结者T-800型号101是一个非常坏的半机械人。
图19显示他踩在一堆人头骨上。图20是显示精巧细节的道具侧面图。“该道具由Sideshow打造，”约翰说，“我很多年前用机器人零部件换取了它。它采用固体树脂浇铸，然后经过镀铬处理，重达1吨！我觉得如果它由金属制成，应该会更轻一些”。
图19 终结者T-800型号101
图20 终结者侧面图
离开博物馆建筑后，我们6人到“道具准备间”去参观约翰制作的另一个独特的机器人——为他的孙子孙女和镇上的Elk Day游行而制作的机器人。他在2013年年底和2014年初构造了如图21所示的“双足拉车机器人”，原本是为了给孩子们玩，但后来人们说服他让其加入游行。
图21 约翰•里格和他的双足拉车机器人
该机器人的皮肤实际上由托盘底滑板上的硬纸板制成，上半身的形态与《入侵地球》中的机器人一样。
它由3块12伏的车用蓄电池供电，使用PCM控制器进行速度和方向控制。它可以控制方向（图22），锁定其脚上的轮子来行走或自由滑行。
图22 约翰•里格展示机器人如何控制方向
看看照片中所展示的长长的陈列框，这些陈列柜陈列了你可以想到的几乎任何类型的机器人。如图23所示的一长列WowWee机器人就是一个很好的例子，还有如图24所示的一排实验机器人，如图25所示的长玻璃柜。这对我们来说是一趟最有趣、愉快的旅行。如果你喜欢的电影是一部科幻电影，其中涉及机器人，你一定要将约翰的Robot Hut博物馆添加到你的人生旅行目的地中。
图23 一长列WowWee机器人
图24 Androbot Topo和一系列Heath Hero机器人在陈列中
图25 装满珍藏品的众多玻璃陈列柜中的几个
最后我将奉上图26中所示的挂在博物馆天花板上的外星飞碟的照片，此外星飞碟源自电影《世界大战》。RobotHut博物馆真的是绝无仅有。请访问约翰的网站www.robothut.robotnut.com获取更多信息。
图26 1953年的电影《世界大战》中的外星飞碟
Tom Carroll 撰文 赵俐 李军 译
当今媒体一直在宣扬无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）或人人都能使用的无人机的弊端，很多人都相当警惕这些机器人。关于UAV的文章很多，但是今天我想重点谈论的是警用和安保机器人。这类机器人大多有着惊人的能力，比如穿越复杂地形，并且拥有功能强大的机械手。许多人认为，军用机器人和安保机器人属于同一类别，但是军用和执法的需求仍然有着很大的不同。
2009年，我介绍过当时最新型的执法机器人，但它们也只是在“先进技术”的更新换代方面表现惊人。6年后，当时的很多机器人仍然在执法机构中服役，如图1所示的Remotec Andros F6系列机器人。这家机器人公司成立于1980年，1986年与Andros合并。
图1 洛杉矶治安警署的Remotec Andros机器人
机器人的两个银管不是枪，而是用来拆除或安全爆破疑似爆炸装置的“爆破臂”。多年来，该机器人（由加利福尼亚洛杉矶治安部门使用）在多次精细操作中都表现惊人。2009年，工程师在机器人传感器、视频反馈和控制系统等方面的改进为许多高级机器人赋予了以前所没有的自主能力。
从新闻报道的众多警察枪击事件中可以看出，警用机器人和执法仪的使用正在流行。
电影尚未真正描绘出警用机器人对安保方面的有效性和友好性。1987年上映的《机械战警》中的“机器人”（如图2所示）,看起来更像是一个半机械人或外骨骼机械人，而非真正的机械机器人。
图2 RoboCop铠甲
这部电影讲的是在罪犯横行的未来底特律市，警察部门试图用一个巨大的打击犯罪机器人（ED-209，如图3所示）来平息猖獗的暴力事件。警察亚历克斯•墨菲在被杀害后，被改造成了一名机械战警。墨菲的机械型转变得非常成功，这让他的仇人Boddicker异常担忧。
图3 《机器战警》（1987）中的巨大的ED-209机器警察
遗憾的是，这部电影以及后面的许多电影都把警用机器人描绘成了无法控制的杀人机器。
Omni Consumer Products公司公布了一个有趣的警用机器人概念——C.R.A.B，如图4所示，并且指出“该机器人集未来文明的安全特性于一身，将巡逻警察、武装警卫和无需司机的巡逻警车完美结合在一起。先进的机器人和AI技术将彻底改变未来的警察部队”。
图4 Omni Consumer Products公司提出的C.R.A.B机器人概念
据说，设计师杰米•马丁从Odetics Odex 1中获得了设计灵感，这是我多年前介绍过的一个非常独特的机器人。
人们似乎仍然认为警察部队需要一个大型步行机器人来威慑潜在的坏人，而这个巨大的螃蟹形状的机器人看着更加吓人。它肯定是一个绝佳的科幻电影的道具。
让我们看一下警察日常接触到的致命武器。除了军人和消防员，还有一些人的工作可能会冒着生命危险。考虑到这一事实，让我们看几个警察的工作场景。
2014年6月，在美国俄勒冈州特劳特代尔的雷诺中学，两名学生死亡：一个是受害者，另一个是枪手。特劳特代尔警察局用一个小型移动机器人对“枪手”最后一次被目击的洗手间进行调查。机器人发现枪手已死亡，但是在警察派机器人进入洗手间并直观地判断形势之前，他们无法得知这一信息。
这并不是携带武器的机器人，它只是用来为执法人员提供当下清晰的“第一视角”以避免危及生命。或者可以称之为“远程视角”，而这是执法机器人最有价值的功能之一。
再来看一个潜在场景，一个人在一个典型美国小城市发现公共建筑的角落里放着一个背包。他明智地决定不碰它，而是通知当地的警察部门。警方决定疏散大楼里的人群，并让新型“机器人”捡起背包。通过机器人的远程控制和视频反馈，他们小心翼翼地将背包移动到室外的安全区域。由于缺少真正的“爆破臂”，他们给机器人安装了一个标准猎枪，瞄准背包后进行远程射击。课本和教材的碎纸屑，以及视频游戏光盘的碎片在空中飘散。从这次事件中，一名高中生学到了宝贵的一课，警察和社区也松了一口气。
2009年，我曾采访过几名警察和几家安保公司，包括在工作中使用机器人的一些人，当时他们提出了对于机器人的一些基本需求，但是后来又有所修改。
1．低成本（这几乎是所有组织都提出的一点）。
2．操作方便——只需极少的培训。
3．维护简单（容易诊断问题、查找和安装替换组件）。
4．功能手柄重量轻——能由一个人操作（或者较大型机器人能由两个人操作）。
5．高分辨率彩色视频系统，要带有音频反馈。
6．机器人内置LCD显示的双向音频和视频，用于与犯罪嫌疑人进行交互式远程通信。
7．系绳电源和遥控器（缠在机器人上？）。
8．带抓手的机械手臂，用于捡起或递东西、打破玻璃、拿摄像机等。
9．能够方便地添加额外功能，如爆破枪。
其他功能还包括：
1．在EMI方面，轻型光缆用于可靠操纵连杆。
2．内部电池电源选项。
3．能够上下楼梯。
4．能够穿越废墟和不平整的表面（搜救）。
5．耐雨雪和长时间的阳光照射。
6．侧翻后能自己站起来（小型机器人）。
7．长时间持续操作——充满电的电池能够工作12个小时以上。
8．快速更换电池。
9．完全自主操作。
人们可能会认为，这3种类型的机器人可以互换使用，然而事实并非如此。典型的警用机器人可能会在连续充电的几个月内保持锁定状态，直到将其派上用场。警用机器人必须能够承受崎岖地形以及被犯罪嫌疑人粗暴对待的考验，可能还要配备用于处理疑似炸弹或不明物体的机械手臂。它通常由经过培训的人员远程操作，还应具备卓越的高清视觉系统。
安保机器人经常在白天或夜间工作，而且必须是连续运行。这种机器人类似于图5所示的IAI Guardium，这个高尔夫球车大小的自主装置正在对机场进行巡逻。
图5 Guardium UGV安保机器人正在机场巡逻
它也可以是图6所示的这款重11.34千克、由Robotex制造的小型Avatar III安保机器人。
图6 由加州森尼维耳市的Robotex公司制造的Avatar III
它必须具有高密度或长续航的电池，因为其无法与电源或控制源栓在一起。它很少用于远程操作，并且操作范围是在已知的环境内。自主程度是十分重要的，比如只沿着地上的线或预编程的路线行走。机器人的工作地点通常在建筑物或栅栏内的院子里，多数情况下，拥有简单的可操作轮胎或差动操纵就足够了。它几乎不会被任何人“攻击”，并且遭到损坏的可能性微乎其微。这类机器人可以用来将其周围的视频信号不断地发送至载人中央控制站。
还应当指出的是，安保和警用机器人无需在操作中扮演被动的“观察”角色。我并不是在暗示将其用作武器。安保机器人在面临入侵者时，可能会开启震耳欲聋的警报，刺眼的疝气灯，或散发催泪气体。警用机器人可以使用相同的技术，甚至用闪光弹来迷惑入侵者，但是这些设备可能会引起另一种弊端，因此使用它们并不总是合适的。
与此相反，军用机器人必须拥有以上两种角色，有被损坏（或破坏）的可能性。我了解到，iRobot公司的PackBot由于遭遇到简易爆炸装置而从中东军事冲突中退役。炸成碎片的机器人被放在了平板车上。这些机器人受损严重，却仍然发出“嘀嗒”声。
军用机器人可以在整场战斗中持续操作，或自主及远程操作。现代军事行动经常要在有许多建筑物的城市环境中进行。
20世纪80年代初，我参加了一场由国际机器人制造工程师学会（RI-SME）举办的年度机器人展览，在展览上，我第一次见到了专门用于安保的一个非常独特的机器人。Denning Sentry由马萨诸塞州沃本市的Denning Mobile Robots（丹宁移动机器人公司）制造，如图7所示。
图7 丹宁移动机器人公司制造的安保机器人
这个机器人有1.22米高，直径71厘米，看起来又大又重。全向车轮使其能够围绕轴线转动，或向任意方向移动（机器人的身体部分不转）并掉头转向新的方向。图8（Denning Branch研究机器人平台）显示了三轮组件是如何通过前方的发动机进行转向的。图9则是机器人的内部构造。该机器人可以在建筑物的结构环境中按照特定路线行走。通过感应有策略地布置在预期路径上的IR立标，再结合编程，实现对机器人的导航。机器人四周围绕着24个宝丽来静电超声测距传感器，用以检测安保形势中的静止物体、墙壁和移动物体。
图8 Denning Branch MRV2 研究机器人平台
图9 Denning Sentry机器人的内部构造
据该公司说，“这些测距仪允许机器人在接近墙壁时测量距离，同时使其拥有检测障碍物的能力，从而改进了导航方案。更重要的是，测距传感器促进了沿墙走算法的后续发展，降低了对光标系统的依赖性，当所需路径发生变化时，提高了灵活性并减少修改机器人环境的需求。”
这家公司的展台前总是人头攒动，机器人工程师们惊讶于Denning机器人的质量、移动能力、声纳和导航功能。后来，公司向几家监狱出售了一批机器人，用于保证犯人和狱警的安全。他们甚至生产了一款名为“Model T”的非安保系列机器人，这是基本上用于研究目的的精简版，用一个Motorola 68000作为主控处理器，还有几个Z-80处理器。
遗憾的是，虽然该公司有着良好的产品，却因为发展和营销问题影响了潜在客户对它的青睐。1993年，糟糕的销售量导致该公司破产，整个公司卖给另一个集团后，最终于1997年彻底退出历史舞台。
Robart III（图10）是一系列实验室原型移动机器人之一，它的设计者是加利福尼亚州圣迭戈海军SPAWAR系统中心机器人技术总监巴特•埃弗雷特。埃弗雷特有着令人羡慕的工作。我有幸与他相处过几天，他向我展示了许多海军机器人，包括之前提到的iRobot公司的Packbot。安全对于军队是极其重要的，诸如Robart III的测试平台用来完善监控和安保，以及在移动机器人上安装潜在武器。
图10 海军SPAWAR系统中心的巴特•埃弗雷特设计的Robart III
图11中的格林机枪，这是一种严格改良的气枪，可以射出直径4.76毫米的塑料子弹或飞镖。6个枪管能够让6个飞镖在1.5秒内从白色压缩空气瓶中发射出来。
图11 Robart III上装备的气动格林机枪
更高版本的Robart III可以用激光指示器来瞄准目标。但是它不是一个产品安全平台或武器化的机器人，而只是一个测试平台。利用Sick LIDAR（蓝色）和一系列的宝丽来距离测量超声传感器（类似于Denning机器人），在水平地面的众多障碍中找到前进的方向。目前，海军正在开发（和服役）的机器人都远比这个测试机器人先进。
20世纪80年代初，甚至更早，机器人方面的技术就已到达了先进水平。从老式的视像管相机到分辨率越来越高的小型HD CCD相机，体积和价格都大大减少。增加的全景、倾斜、变焦、低光和红外功能，增强了机器人在紧急情况下的远程呈现和探测。
RF控制、视频反馈、有线和光纤电缆控制让操作员轻松操纵复杂机器人及其机械手和抓手。加速器、陀螺仪和罗盘等现成的传感器实现了更加精确的导航。激光雷达成像和测距传感器已经成为经济实惠的机器人导航微调套件。GPS和SLAM让高端机器人拥有更多自主能力。
最新型安保机器人之一是Knightscope公司的K5。K5不是用来监控企业或监狱的，而是专门用于大范围监视人群，找出潜在危险人物。如图12所示，它的外形类似于星球大战中的R2D2。
图12 Knightscope K5 安保机器人
Knightscope公司在2012年12月桑迪胡克校园惨案和波士顿马拉斯爆炸案之后成立。本着“为所有美国人提供一个打击犯罪的途径的终极目标”，董事长兼首席执行官威廉•桑塔纳（William Santana Li）创立了该公司。
在互联网以及不同的机器人兴趣小组中，人们都把这个机器人当作一个移动视频安全摄像平台，就像现在我们身边众多固定的视频监控平台一样。他们把机器人看作一种“外包安保”方式。“为了实现这一目标，”Li说，“我们让公众公开、透明地访问实时数据和警报，允许他们为国家贡献重要信息。同时，我们将更迅速、更有效地保护社会并节省资金。”
Knightscope总部位于加州山景城（硅谷中心），公司盯准了安保员工表现糟糕和400%的高跳槽率这一契机，打算以每小时6.25美元的价格出租机器人，并且在接下来的一到三年中不间断地“开发”机器人产品。
K5可以在多人以小于4.8千米/小时速度行走的结构式环境中工作，而K10则将在更加开放的区域操作。它将是一个使用多个传感器（如LIDAR）的自主机器，并且具有识别车牌和人脸的功能，还具有用于额外检测方法的定向传声器。车轮里程计、惯性测量系统、GPS和基本感应传感器将帮助机器人导航和躲避障碍。
实时数据将被存储并由执法机构使用。它并不是要取代人类警卫或警察，而是要增强自身功能。
机器人身上无法装备武器，从设计上来说，它是不会被损坏的。Knightscope把K5称作是自主型数据机器。时间会验证这种类型的安保机器人是否会像无人机一样，以同样的方式激起公众的愤怒，尤其是K5的许多侵入性数据收集功能。
另一款有趣的安保机器人是东京的Reborg-Q机器人，如图13所示。它从2006年开始就被广泛报道。Alsok从1982年开始研究安保机器人。Reborg是Guardrobo的更新版本，重约91千克。它可以按照巡逻路线行走，或者由一个RF链路和一个摇杆控制器进行遥控。它能够按下所需按钮来使用电梯。头部和肩上有4个摄像头用于查看、记录，并向安全中心回传图像和视频。人迹（超声波和PIR）传感器可以检测到人、漏水和火灾。安保人员可以通过查看图像，并做出适当处理。
图13 Alsok的Reborg-Q
安装于机器人胸部的触摸屏能够显示天气更新、失踪儿童的信息、社会危险通知以及促销信息。机器人身上的读卡器还能让它扮演门卫的角色，允许或拒绝员工或其他人进入。
当今世界的动荡使得先进的安保和警用机器人成为保护人类和社会的必然产物。本文主要介绍安保机器人和概念，有兴趣的读者可以进行更深入的研究，发现一些即将出现在街道或建筑物周围以保护我们的、令人惊奇的机器人。
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