启程：我的第一个机器人伙伴 / Setting Off: My First Robot Buddy

十二岁生日那天，Leo拆开那个印着机器人图案的快递盒时，还以为是爸妈给他买了最新款的无人机——直到他把所有零件倒在餐桌上，看见一堆亚克力底盘、直流电机、螺丝钉和一块巴掌大的蓝色主控板，才反应过来这是爸妈瞒着他买的入门级机器人套件。包装盒上的英文说明书写着`DIY Robot Kit for Beginners`，旁边还贴了个手写的便签，是爸爸的字迹：“生日礼物，自己拼，自己调，比玩手机有意思。”

餐桌上散落的零件带着新塑料的清爽味，Leo把说明书摊开，对着上面的英文零件清单一个个核对：2个TT直流电机（TT DC Motor）、1个9V电池盒（9V Battery Holder）、1个超声波传感器（Ultrasonic Sensor）、2个碰撞开关（Bump Switch），还有一堆红黑相间的杜邦线（Dupont Wire）。这是他第一次接触机器人，之前他只在科幻电影里见过能走路、会说话的机器人，从来没想过自己真的能拼一个出来。

拼底盘花了四十分钟，Leo把螺丝拧得歪歪扭扭，还差点把电机装反，好不容易把两个轮子固定在底盘上，接上电池的那一刻，他紧张得手都出汗了。可刚按下主控板上的启动键，机器人猛地往前一窜，把他刚倒的可乐杯撞翻，深褐色的液体顺着餐桌边缘流下来，滴在他刚拼好的底盘上，电路板发出“滋滋”的声响，吓得他赶紧拔了电池。

“怎么回事？”爸爸端着切好的蛋糕走过来，看见满桌的狼藉也没生气，反而笑着问。 Leo耷拉着脑袋：“我也不知道，一通电就乱跑，是不是电机装反了？” 爸爸拿起底盘看了看，又翻了翻说明书：“你试试把左右电机的杜邦线交换一下？有时候接线接反了，两个电机的转向就会不一样，机器人就会原地打转。” Leo半信半疑地把两根接在电机上的杜邦线拔下来交换位置，重新接上电池按下启动键——这次机器人没有往前窜，而是像个陀螺一样原地转了起来，轮子磨得地板吱呀响，把桌上的橡皮、铅笔都甩到了地上，转了整整十秒钟才停。 “哈哈，这回是程序写错了！”Leo恍然大悟，他刚才写的代码里，给左右电机的转速设成了不一样的值，本来想让机器人走曲线，结果接反线之后，两个电机的转向相反，就原地打转了。他赶紧坐到电脑前，打开Arduino编程软件（Arduino：一款开源的电子原型平台，全球有数百万爱好者用它做机器人、智能家居等项目），把代码里的转速参数改成一样的，重新上传程序。 这次机器人终于往前走了，可没走两步就斜着撞到了椅子腿上，原来电池电量不足，两个电机的转速还是不一样。Leo换了块新电池，重新测试，这次机器人走得直了，可前面没有任何避障装置，它就像个瞎子一样，撞到椅子腿弹回来，转个方向接着撞，没两分钟就把餐桌上的餐巾纸盒撞到了地上。

> 💡 小贴士（电子版侧边栏）：你现在看到的这个翻车场景，其实是所有机器人爱好者的“入门必修课”：90%的新手第一次拼机器人都会遇到接线错误、程序bug、避障失败的问题，连顶尖的机器人工程师做实验的时候也经常翻车，翻车才是机器人学习的常态哦！

Leo气得把螺丝刀扔在桌上，一屁股坐在椅子上：“机器人也太难了吧！动不动就乱撞，什么时候才能听话啊？” 爸爸递给他一块蛋糕，笑着说：“你刚才说机器人要‘听话’，首先得让它能‘看见’东西吧？不然它当然会乱撞。其次它得知道‘要去哪’，最后得真的能‘走到那’，你觉得这三个部分是不是缺一不可？” Leo咬着蛋糕想了一会儿，突然眼睛亮了：“对哦！首先它得知道周围有什么，不然就会撞到东西，这是‘感知’；然后它得知道我要它去哪，比如我要它从客厅走到卧室，它得自己算路线，不能乱跑，这是‘规划’；最后它得真的能按照规划的路线走，不会走歪，这是‘控制’！原来机器人动起来需要这三个部分啊！” 爸爸点点头：“没错，感知、规划、控制，就是机器人学的三大核心模块，所有的机器人，不管是能上天的无人机，还是能下水的探测车，还是你手里这个几十块的小套件，都是靠这三个部分工作的。你今天遇到的这些翻车问题，其实都是这三个模块没配合好的结果：接线错误是控制模块的问题，程序bug是规划模块的问题，没有避障是感知模块的问题。”

1.1 机器人的三大超能力 / The Three Superpowers of Robots

Leo看着桌上还在原地打转的机器人，突然觉得它好像也不是那么笨了——它只是没有“眼睛”，不知道前面有椅子，也没有“大脑”，不知道要避开障碍物，更没有“平衡感”，不知道走直线的时候要调整轮子的转速。如果把这三个能力补上，这个几十块的小铁盒子，说不定真的能变成他的专属伙伴。

爸爸拿过他的机器人，指着上面的部件给他讲：“你看，这个前面的小开关就是碰撞传感器，属于感知模块的一部分，相当于机器人的‘触觉’，碰到东西就会触发信号；这个蓝色的主控板就是机器人的‘大脑’，负责处理感知到的信息，规划下一步要做什么；这两个电机就是执行器，属于控制模块的一部分，相当于机器人的‘手脚’，接到大脑的指令就会转，让机器人动起来。” Leo凑过去看，发现主控板上还有很多小针脚，说明书上说可以接摄像头、激光雷达、红外传感器，这些都是感知模块的部件，相当于机器人的“眼睛”“耳朵”“鼻子”。

> 🤪 趣味冷知识：其实机器人最早的“感知”不是用电做的，是古希腊人发明的自动人偶：工匠会在人偶里装水压装置，人偶手里拿着个杯子，客人倒酒的时候，水压会推动杯子自动递到客人面前，相当于用机械结构实现了“感知倒酒动作→规划递杯动作→控制手臂动作”的完整流程，距今已经有2000多年的历史了。

爸爸接着说：“咱们平时玩的乐高机器人、家里用的扫地机器人、网上卖的无人机，还有

爸爸接着说：“咱们平时玩的乐高机器人、家里用的扫地机器人、网上卖的无人机，还有现在很火的人形机器人，其实都是靠这三个部分工作的。就拿你上周在张明家玩的乐高Spike机器人来说，它能走能跑还能抓东西，前面有个颜色传感器，就是它的‘眼睛’，能识别红、绿、蓝三种颜色；中间的Spike主控板就是它的‘大脑’，收到颜色传感器的信号之后，会判断如果是红色就左转，绿色就右转，蓝色就停下来抓东西；后面的两个电机就是它的‘手脚’，接到主控板的指令就会转，带着机器人走。你上次看张明让机器人沿着地上的黑线走，其实就是颜色传感器识别到黑线的反光和地板不一样，把信号传给主控板，主控板规划路线，控制电机调整方向，机器人就沿着黑线走了，是不是就是这个道理？” Leo点点头，他上次确实看张明的乐高机器人沿着黑线跑，觉得很神奇，原来就是这么回事。

“再说你奶奶家那个扫地机器人，你上次看它在客厅里转来转去扫地，它前面有个小圆盘一样的激光雷达（LIDAR：Light Detection and Ranging，激光探测与测量，通过发射激光束测量距离，是机器人最常用的3D感知设备之一），就是它的‘眼睛’，每秒能转好几圈，扫描周围几百个点，就能画出整个客厅的地图，这就是感知模块在工作；然后它的主控板会根据地图规划‘弓’字形的清扫路线，不会漏扫也不会重复扫，这就是规划模块；最后它控制两个轮子的电机，按照规划的路线走，遇到障碍物就绕开，这就是控制模块。你上次把乐高小人放在地上，它绕开了，就是因为激光雷达感知到了乐高小人，规划了绕路的路线，控制电机转了方向。” Leo突然想起上次扫地机器人把奶奶的拖鞋推到沙发底下的事，忍不住笑了：“那它上次把拖鞋推走，是不是规划模块出问题了？没识别出来是拖鞋，以为是障碍物，推的时候没控制好力度？” 爸爸笑着点头：“没错，这就是三大模块配合不好的结果，感知模块把拖鞋识别成了普通障碍物，规划模块算出来要推着走，控制模块没控制好电机的力度，就把拖鞋推到沙发底下了。现在新的扫地机器人加上了视觉识别模块，能认出拖鞋、袜子、电线这些容易卡住的物体，就不会乱推东西了。2023年全球卖了超过3000万台扫地机器人，其中70%都带激光雷达和视觉识别，比前几年的‘瞎子’机器人聪明多了。”

“还有你上次在公园玩的那个大疆Mini无人机，你能用手机控制它飞，它上面的摄像头、GPS、IMU（惯性测量单元：Inertial Measurement Unit，能感知加速度、角速度的传感器，相当于机器人的‘内耳前庭’，能感知自身倾斜、加速、旋转的状态，是飞行机器人必备的感知部件）就是它的感知模块，能知道自己飞了多高、飞了多远、前面有没有树；手机上的APP就是规划模块，你点哪里它就规划路线飞到哪里；四个电机就是控制模块，通过调整四个电机的转速，让无人机保持平衡、往前飞、转弯、降落。你上次让它飞过小树林，它没撞到树枝，就是摄像头感知到了树枝，规划了绕路的路线，控制电机调整了方向。无人机要稳定飞行，控制模块的响应速度必须非常快，每秒要调整几十次电机转速，差一点就会摔下来，你上次看见邻居小孩的无人机撞到树上，就是控制模块的响应太慢了，没来得及调整方向。”

Leo越听越入迷，他想起自己刚才拼的机器人，只有两个碰撞开关当感知，主控板只能跑最简单的代码，电机还是最便宜的TT电机，连舵机都没有，和这些扫地机器人、无人机比，简直是个“原始人”。他忍不住问：“那这三个模块是不是缺一不可？少一个机器人就不能动？” “当然，你可以把机器人想成一个人：”爸爸拿起桌上的苹果比划着，“感知模块就是人的五官，眼睛看路、耳朵听声音、手摸东西，要是没有五官，就是个瞎子聋子，肯定会撞到东西；规划模块就是人的大脑，知道要去哪、怎么走、遇到危险怎么躲，要是没有大脑，就是植物人，不会动；控制模块就是人的手脚，大脑说要抬手，手就抬起来，大脑说要走路，脚就走，要是没有手脚，就是瘫痪，动不了。这三个部分配合起来，机器人才能正常工作。” 为了让Leo更明白，爸爸拿他自己举例：“你早上起床去上学，其实就是个活机器人：你的眼睛和耳朵是感知模块，看路、听车的声音；你的大脑是规划模块，算着时间要几点出门、走哪条路不堵车、要不要带伞；你的腿和脚是控制模块，按照大脑的指令走路、骑车。要是你走路的时候玩手机，就是感知模块‘罢工’了，肯定会撞到电线杆；要是你记错了上课时间，走错了路，就是规划模块‘出bug’了；要是你腿抽筋走不动，就是控制模块‘故障’了，是不是特别好理解？” Leo拍了下桌子：“对哦！我之前怎么没想到，我自己就是个机器人啊！”

爸爸笑着点头：“没错，机器人本来就是人类模仿自己造出来的，很多机器人的原理都是模仿人的器官和工作方式。你看现在的人形机器人，有摄像头当眼睛，有麦克风当耳朵，有机械手当手，有轮子或者腿当脚，和人的结构特别像。不过机器人也有比人强的地方，比如它的传感器能测到人测不到的数据，比如红外线、紫外线，它的计算速度比人快几万倍，它的力气比人大几十倍，不会累，不会疼，适合干人干不了的活。” > 🤪 趣味冷知识：现在最先进的人形机器人，已经能完成很多和人一样的动作了，比如波士顿动力的Atlas机器人，能跑能跳能翻跟头，还能扛着几十公斤的东西走平衡木，比很多体操运动员还厉害，不过它现在还不能自己做饭，因为它的“手”还不够灵活，规划模块还没法处理做饭这么复杂的任务。

接下来爸爸给Leo讲了机器人的发展历史，不是枯燥的年份，而是像讲故事一样： “

爸爸话音刚落，Leo已经凑到手机前翻出上周在张明家拍的乐高机器人视频：那个红白相间的小机器人正沿着地上的黑色胶带稳稳移动，前面装着的颜色传感器时不时闪一下绿光，碰到胶带交叉口还会自动选方向。“那乐高机器人也是这三个模块？那为什么它那么聪明，能沿着黑线走？” “当然，只是它的模块更小更简单而已。”爸爸点开视频里的特写，指着乐高机器人前面的颜色传感器，“你看这个，就是它的‘眼睛’，能识别黑线和地板的颜色差，把信号传给主控板，主控板就是它的‘大脑’，提前写好规则：如果传感器看到黑线在左边，就让左边的电机转慢一点，右边的电机转快一点，机器人就往左拐；如果黑线在右边，就反过来。最后两个电机就是‘手脚’，按照指令转，机器人就沿着黑线走了。你上次看张明让机器人爬坡、过桥，也是提前在代码里写好了遇到坡道要怎么调整电机转速，和咱们今天给机器人写避障代码是一个道理。”

接下来爸爸给Leo讲了机器人的发展历史，不是枯燥的年份，而是像讲故事一样： “咱们现在玩的这些机器人套件，其实是几十年来无数工程师一点点攒出来的技术。最早提出‘robot’这个词，是1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克写的科幻剧本《罗素姆万能机器人》，里面的robot来自捷克语的‘robota’，意思是‘被奴役的苦力’，剧本里的机器人本来是给人干活的，后来造反统治了人类，这个剧本当时火遍了欧洲，直接把‘robot’这个词带到了全世界，现在所有国家的语言里都直接用这个词，中文翻译成‘机器人’，就是‘像人的机器’的意思。” Leo忍不住笑：“原来机器人一开始就是干苦力的啊，和我手里的这个套件一样，也是干活的。” “没错，1942年科幻作家阿西莫夫在小说《环舞》里提出了‘机器人三定律’，现在还是所有机器人设计的底层规则：第一定律，机器人不得伤害人类，或因不作为使人类受到伤害；第二定律，机器人必须服从人类给它的命令，除非命令和第一定律冲突；第三定律，机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽可能保护自己的生存。你家的扫地机器人不会故意撞你，你让它‘撞碎那个杯子’它也不会听，就是工程师提前把这三定律写进了它的规划算法里，相当于给机器人定了‘不能干坏事’的规矩。” 爸爸接着翻出手机里的一张老照片，照片里是个两吨重的铁疙瘩，胳膊有四五米长，像个工业怪兽：“1959年，美国工程师乔治·德沃尔发明了第一台可编程工业机器人‘Unimate’，在通用汽车的工厂里用来搬运高温的铸件，代替工人干又累又危险的活。这个机器人就是现在所有工业机器人的老祖宗，它没有摄像头，没有复杂的算法，感知只有几个限位开关，规划就是提前写死的固定程序，控制就是简单的继电器开关，只能干‘抬手-放东西’这一种动作，但已经比工人强多了，不会累，不会烫伤，搬铸件的效率是工人的3倍。” “那它是不是很笨？只能干一种活？”Leo问。 “对，就像你只会写‘让电机转’的代码，只能让机器人往前走，不能转弯不能避障一样。不过很快工程师就给它升级了，1969年斯坦福大学造出了第一台能自主移动、自主感知的机器人‘Shakey’，它有个小轮子能自己走，前面装了摄像头、碰撞传感器、超声波传感器，能自己‘看’到前面的椅子、箱子，自己规划路线绕过去，还能听懂简单的指令，比如‘去那个房间拿个盒子’。不过它特别笨重，走一步要算好几分钟，走十米要半小时，经常算到一半就没电了，但它是现在所有扫地机器人、自动驾驶汽车的鼻祖，证明机器人真的能自己‘看’路、自己‘想’路线。” Leo眼睛亮了：“那现在的小机器人比它聪明多了？我手里的这个套件，算力是不是比Shakey强？” “当然，你现在用的Arduino主控板的算力，是Shakey主控板的1000倍还多，而且体积只有它的十分之一，成本只要几十块。2000年以后，机器人开始进入普通人的生活，2002年第一台家用扫地机器人诞生，2010年大疆的无人机开始卖到全世界，2020年以后大模型和机器人结合，机器人能听懂自然语言，能自己学新技能，你现在学的入门套件，其实就是几十年前那些顶尖机器人原理的简化版，现在的初中生就能玩，放在几十年前，只有顶尖的工程师才能碰得到这些技术。” > 🤪 趣味冷知识：Shakey机器人现在还在斯坦福大学的计算机博物馆里公开展示，如果你以后去美国旅游，可以去看看这个“机器人老祖宗”，它的大小和现在的扫地机器人差不多，不过重了10倍，走起来还哐哐响，旁边还放着它当年用的磁鼓存储器，存个100MB的文件要装一整个柜子。

爸爸接着给Leo讲机器人的分类，不是按长相分，是按用的场景分：“咱们刚才说的扫地机器人、乐高机器人、工业机械臂、无人机，其实分三类，占了全世界1000多万台机器人的全部：” 第一类是工业机器人，占90%以上，大部分都是机械臂，没有头没有脚，只有一个能转的胳膊，专门干工厂里的活：焊汽车车身、装手机零件、搬重物、喷漆。比如特斯拉的超级工厂里，有上千台机械臂在焊车身，一天能焊几百辆汽车，精度到0.01毫米，比最熟练的工人还准，还不会累，不用休息，也不会得职业病。工业机器人的三大模块都特别成熟：感知模块用摄像头、力传感器，能精准定位零件的位置，差0.1毫米都能感知到；规划模块用提前写好的固定程序，算好每一步的动作，不会出错；控制模块用高精度的伺服电机，能精确控制胳膊转多少度、用多大力，不会把 fragile 的零件捏碎。 第二类是服务机器人，占大概8%，就是给普通人服务的，你平时在商场、家里、医院见到的都是这类：家里的扫地机器人、餐厅里的送餐机器人、商场里的引导机器人、医院里的消毒机器人、家里的智能音箱，还有现在正在测试的人形机器人，都属于服务机器人。服务机器人的三大模块更灵活：感知模块要能识别人的脸、听懂人话、感知到障碍物；规划模块要能处理突发情况，比如送餐机器人遇到人挡路会绕开，遇到电梯门开了会等电梯；控制模块要更安全，不会撞到人，不会把餐盘摔碎。 第三类是特种机器人，占不到2%，是干特殊场景的活，普通人平时见不到：比如咱们国家上个月刚从火星传回来照片的“祝融号”火星探测车，能在火星零下100度的环境下工作，自己规划路线避开火星上的石头、坑，还能挖土壤、放仪器测成分；还有水下探测机器人，能去马里亚纳海沟11000米深的地方拍照片、采样本，人下不到那么深的地方，只能靠机器人；还有救灾机器人，能进火灾现场、地震废墟里找人，不用消防员冒生命危险；还有手术机器人，能帮医生做微创手术，精度到0.1毫米，不会抖，比人手还稳，做眼科手术的时候，能精准到不伤害到一根神经。 Leo听得入迷，忍不住问：“那机器人是不是都长那个样子？电影里的机器人都是人形的啊。” 爸爸笑着摇头：“电影里的机器人是为了好看，现实里的机器人是为了好用，什么形状适合干什么活就设计成什么形状：扫地机器人做成圆盘的，能原地转，不会卡在角落；工业机械臂做成胳膊的形状，适合拿东西、焊东西；无人机做成四旋翼的，能飞，适合拍照片、送快递；火星探测车做成六轮子的，能在松软的火星土壤上走，不会陷进去。99%的机器人都不是人形的，只有少数研究用的人形机器人，是为了以后能帮人做家务、照顾老人，才做成人形的，方便用门、拿杯子、按开关。”

接下来爸爸要给Leo的机器人升级了，他从套件里拿出那个还没用的超声波传感器，告诉Leo这个是感知模块的核心部件，能发出人听不到的超声波，碰到障碍物会反弹回来，就能算出来离障碍物有多远，相当于给机器人加上了“眼睛”。 “咱们现在给机器人写个简单的避障代码，逻辑特别简单，你肯定能懂：”爸爸边写边给Leo讲，“第一步，感知模块工作：让超声波传感器测前面的距离；第二步，规划模块工作：如果距离大于20厘米，就让机器人往前走，如果小于20厘米，就让机器人停下来，转个90度的方向；第三步，控制模块工作：按照规划的指令，调整左右电机的转速，让机器人往前走或者转弯。” 写好的代码只有几十行，每个部分都标了是哪个模块的功能，Leo把代码上传到主控板，把机器人放在地上，前面放了个马克笔杯，按下启动键——机器人稳稳地往前走着，离杯子还有20厘米的时候突然停下来，转了90度，接着往前走，一点没碰到杯子。Leo兴奋得跳起来，拍着手喊：“成功了！它自己绕开了