给这座动物园分类
“机器人”这个词涵盖了一座千奇百怪的动物园：一只焊接车门的橙色巨臂、一台在沙发周围乱拱的冰球状吸尘器、一条爬楼梯的四足机器狗、一架在头顶嗡嗡作响的无人机。它们外形毫不相似，却都是同一类生物——能在物理世界中感知、决策并行动的机器。为了理清这种多样性，我们使用机器人分类法：一组用来给机器人归类的“桶”，就像生物学家把动物归入科属一样。
并不存在唯一“正确”的分类法——你关心什么问题，就按什么来分。按用途分，最大的分野是工业型（在工厂里制造和搬运东西的机器人）与服务型（在家庭、医院和农场里帮助人的机器人）。按身体构型分，我们得到四个经典家族。按工作场所分，机器人可能固定在地面、能在楼里自由漫游，或在开阔空中飞行。最有用的描述往往三者兼顾：“一台用于室内配送的移动式服务机器人”。
自由度：数一数能动的方式
身体构型大致告诉你机器人是什么。而要说清它能多自由地活动，工程师会拿出一个干净利落的数字：自由度（DoF）——机器人能独立改变自身位形的方式的数量。每一种你能单独调节、且不受其他运动牵制的独立运动，就是一个自由度。
你自己的胳膊就是最好的老师。让肩膀保持不动，留意一下：肩关节大致能朝三个独立方向摆动，肘关节能朝一个方向弯曲，手腕还能再做两到三种扭转与倾斜。每个关节都把自己的运动加进总数。合起来，你的胳膊大约有七个自由度——这正是为什么你既能够到咖啡杯，又能在保持手不离杯的同时绕动肘部。这点多出来的回旋余地，叫作运动学冗余。
为什么“六”总是反复出现，成了那个神奇数字？因为把一个刚体摆到空间中任意位置，恰好需要六个数：三个表示位置（左右、前后、上下），三个表示朝向（横滚、俯仰、偏航——它如何倾斜与转动）。这六个数合在一起就是物体的位姿。一条拥有六个独立关节的机械臂，能在其可达范围内命中任意位姿——既包括手在哪里，也包括手朝哪个方向。少于六个，某些位姿就根本无法实现。
越自由，电机越多，钱越多
自由度不是白来的。每个自由度都需要自己的关节、自己的电机、用来知道它在哪儿的传感器，以及自己那一行控制软件。所以自由度是一个权衡能力与成本及复杂度的旋钮。更多自由意味着更大的够取范围和更高的灵巧度——但也意味着更多的零件要造、更多的重量要扛，以及更多可能损坏或需要校准的环节。
好的工程，意味着恰好买够任务所需的自由度，多一个关节都不要。一台把巧克力投入移动托盘的机器人，需要快速够到某个点，却不在乎夹爪如何倾斜——三到四个自由度就绰绰有余。一台必须以精确角度拧入螺栓的机器人，还需要完全掌控朝向，于是想要完整的六个。而一条带七个自由度的手术臂或人形臂，则是有意购买那份冗余，以便在让工具精确对准目标的同时绕开障碍。
自由度是机械臂规格中必然标注的两个数字之一。另一个是它的负载与臂展——它能举起多重的负荷、能伸出多远。看规格表时，你会读到类似“6 自由度，5 公斤负载，850 毫米臂展”的字样。在你往下读任何一行之前，这三个数字就已经告诉你一条机械臂能做什么、不能做什么的大部分了。
两个世界：笼子里与旷野中
把分类法和自由度放到一起，机器人领域中最深的那条裂缝便清晰起来：服务型与工业型机器人之分。这种对比其实无关身体形状——它关乎二者各自身处的世界，而那个世界改变了它如何设计的一切。
经典的工业机器人生活在笼子里。工厂是围绕它建造的：零件每次都在同一地点、同一时刻到达。于是这种机器人可以又大、又强、快得耀眼，同时头脑出奇地简单——它把一个精确动作重复上百万次，从不需要去琢磨自己碰到的是什么。它的世界被驯服了；它的本职是力量与可重复性。
服务机器人则生活在旷野中——你的厨房、医院走廊、一片草莓田。没有什么会两次在同一地点等候，人们会闯进它的路径，而它被撞到时必须是安全的。于是它较少依赖蛮力，更多依靠感知、判断与温柔。现代的协作机器人（cobot）正是这两个世界之间的桥梁：一条足够柔顺、足够有觉察力、可以与人共用一张工作台的机械臂，无需笼子。