服務機器人概況

1、<p><b>　　服務機器人概況</b></p><p>　　（黑龍江大學電子工程學院自動化 哈爾濱150080）</p><p>　　摘要：智能服務機器人技術代表一個國家高科技水平和自動化程度，它具有廣闊的發(fā)展空間和市場前景。本文介紹了服務機器人的定義和發(fā)展前景，分析了國內外服務機器人的研究現狀，并闡述了當前服務機器人研究領域的關鍵技術，最后展示服務機器

2、人的未來發(fā)展方向和研究趨勢。</p><p>　　關鍵詞：服務；機器人；人工智能；多傳感器信息融合；智能；控制</p><p>　　A PROFILE OF SERVICE ROBOTS</p><p>　　(Automation Department, Institute of electronic Enegineering, Heilongjiang Unive

3、rsity, Harbin 150080, China)</p><p>　　Abstract： The technology of the intelligent service robot represents a national high-tech level and the degree of automation, it has a broad development space and market

4、 prospects. This article describes the definition and development prospects of service robots, analyses the current situation of service robot research at home and abroad, and introduces the key technologies in the field

5、s of the current service robot research.Finally ,the direction of development and research trends of service ro</p><p>　　Keywords： service ；robot;artificial intelligence; multi-sensor information fusion;inte

6、lligent ；control</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　機器人學的進步與應用是二十世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義的自動化，尤其在當今的工業(yè)制造中，機器人學已取得了最偉大的成功。進入二十一世紀，人們已經愈來愈親身地感受到機器人深入生產、生活和社會的堅實步伐。一方面隨著各個國家老齡化越來越嚴重，更多的老人需要照顧，社

7、會保障和服務的需求也更加緊迫，老齡化的家庭結構必然使更多的年青家庭壓力增大，而且生活節(jié)奏的加快和工作的壓力，也使得年輕人沒有更多時間陪伴自己的孩子，隨之醞釀而生的將是廣大的家庭服務機器人市場。另一方面服務機器人將更加廣泛地代替人從事各種生產作業(yè), 使人類從繁重的、重復單調的、有害健康和危險的生產作業(yè)中解放出來。本文對服務機器人技術的研究現狀和應用及其未來發(fā)展進行了綜述。</p><p><b>　　2國

8、內外的研究現狀</b></p><p>　　2.1 服務機器人的定義</p><p>　　服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止尚沒有一個嚴格的定義，不同國家對服務機器人的認識不同。國際機器人聯合會經過幾年的搜集整理，給了服務機器人一個初步的定義：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作，即除了手術機器人、診斷機器人、護理機器人

9、、康復機器人等醫(yī)用機器人外，也包括各種家用機器人、娛樂機器人、體育機器人、玩具機器人、導游機器人、保安機器人、排險機器人、清潔機器人、秘書機器人、建筑機器人、郵品分類拾取和送信機器人以及加油機器人等。隨著開發(fā)研究的進一步開展和價格的大幅度下降，服務機器人將廣泛進入醫(yī)院、家庭、工地、辦公室和體育娛樂場館，直接與人類共處，為人類排憂解難。</p><p>　　2.2 服務機器人的市場現狀和前景</p>

10、<p>　　服務型機器人可進一步區(qū)分為個人和家用機器人與專業(yè)服務型機器人。</p><p>　　2.2.1 市場調研與預測 </p><p>　　根據國際機器人聯盟（IFR）統(tǒng)計部門于2008年10月公佈的最新資料，全球服務型機器人市場概況分述如下：1 個人和家用服務型機器人： 至2007年底，個人和家用服務型機器人累計裝置量已超過340萬臺，娛樂休閑用機器人已達到200萬臺

11、。至 2011年底，全球家務用機器人將會達到460萬臺，娛樂休閑用機器人將會達到735萬臺，合計約1200多萬臺，未來四年服務機器人市場總值合計約57億美元，到2015年，全球個人和家庭機器人市場的規(guī)模預計將達到150億美元，同時，將出現多種類型的個人機器人。2 專業(yè)服務型機器人：至2007年底，全球已有4.9萬臺的使用數量，預計到2011年底，將增加5.4萬臺專業(yè)服務型機器人，總價值約91.2億美元，其中農林礦牧用機器人最多，共將有1

12、.9萬臺，防御救災與保全機器人預計將有1.56萬臺銷售量，專業(yè)清潔機器人亦約有4000臺銷售量，醫(yī)療用機器人約達3420臺，多用途機器人移動平臺約2375臺，水底作業(yè)系統(tǒng)預估將有超過925臺銷售量。</p><p>　　2.2.2 專家預測 </p><p>　　1 中國機器人專家、工程院院士徐揚生教授說：“只要10年時間，機器人將在世界范圍內，普及到每個人的日常生活之中。這將是一個巨

13、大的市場，預計將比現在的汽車市場還要大。”2 韓國科學家預測：到2015年至2020年，每個韓國家庭將擁有一個機器人。3日本專家估計：到2020年日本將有25%的人口年齡超過65歲，護理型機器人將供不應求。4 德國科學家預計：將在未來的幾十年間，家庭生活中將出現的最大變化就是機器人的普及，家庭服務機器人將在日常家庭生活中扮演越來越重要的角色，承擔越來越多的工作。</p><p>　　2.3 國內外的研究現狀&l

14、t;/p><p>　　從二十世紀八十年代中期開始，機器人已從工廠的結構化環(huán)境進入人的日常生活環(huán)境—醫(yī)院、辦公室、家庭和其它雜亂及不可控環(huán)境，成為不僅能自主完成工作，而且能與人共同協作完成任務或在人的指導下完成任務的智能服務機器人，特別是最近幾年，對會清潔地面、割草或充當導游、保姆和警衛(wèi)等自主移動機器人技術上的進步，大家都有目共睹。</p><p><b>　　2.3.1 中國<

15、/b></p><p>　　中國對服務機器人的研究起步很晚，但國家對此非常重視，1986年3月才開始把研究、開發(fā)智能機器人的內容已列入國家863高科技發(fā)展規(guī)劃中，從1986年至2009年的20多年中，智能機器人主題在863的旗幟下，團結了近幾千人的研究開發(fā)隊伍，圓滿完成各項任務，建成了一批高水平的研究開發(fā)基地，造就了一支跨世紀的研究開發(fā)隊伍，為我國21世紀機器人技術的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展奠定了基礎。1如圖1所示，這

16、是我國首臺具有國際一流語音交互水平和復雜動作及智能運動控制水平的“美女機器人”,這款“美女機器人”具有仿真的美女外形，服裝和發(fā)型可以根據應用場合更換。她能夠根據工作人員說出的指令，馬上完成相應的動作,她能夠講英語、四川方言和唱歌、講笑話，可以與游客進行語音聊天和知識問答,在移動行走時，她能自動識別途中碰到的障礙物，并做語音提示。2由北京理工大學牽頭、中科院沈陽自動化所、兵器工業(yè)集團惠豐機械有限公司、中科院自動化所等單位參加，通過三年的奮

17、斗，研制的“匯童”仿人機器人，如圖2所示，取得了重大成果, “匯童”仿人機器人具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能的自主知識產權的仿人機器人，功能達到了國際先進水平，研制的“匯</p><p>　　目前，我國服務機器人研究技術已跨入世界先進行列，但與日本、美國等國家的技術相比還是有差距的，我國科技工作者正在努力向前，熱切地期盼著我們自己水平更高的、功能更強的服務型機器人與大家見面。</p><

18、;p>　　圖1 美女機器人 圖2 “匯童”機器人</p><p><b>　　2.3.2 日本</b></p><p>　　日本將機器人作為一個戰(zhàn)略產業(yè)，給予了大力支持，而且日本根據目前機器人產業(yè)面臨的問題，提出了加強機器人研究和推動機器人產業(yè)化的具體措施，日本機器人工業(yè)之所以領先世界，一方面和他們的機器人文化也有關，在日本，有一種“讓機器人成為

19、人”的氛圍，在日本，由于人口不多，而且老齡化趨勢嚴重，他們需要機器人來承擔勞力的工作，因此培養(yǎng)起濃厚的機器人文化；另一方面，日本政府也希望機器人研發(fā)成為本國的支柱產業(yè)，所以投入大量資金，為了攻克更關鍵的服務機器人技術，日本在2006 年至2010 年間，每年投入1000 萬美元用于研發(fā)服務機器人。日本服務機器人技術的成果例舉如下：1日本發(fā)明出人形的個性機器人保姆“ar”，如圖3所示，不僅會洗衣，打掃衛(wèi)生，還會收拾餐具等諸多家務雜活，它依

20、靠車輪移動，共搭載有5臺照相機以便確認家具的位置。在公開展示活動中，“ar”演示了打開洗衣機蓋，將需要清洗的衣物放入洗衣機，用托盤端著餐具送到廚房和拖地等工作。2由日本產業(yè)技術綜合研究所智能系統(tǒng)研究部門仿人研究小組研制的美女機器人HRP-4C，如圖4所示，以用戶為中心的機器人開放架構（Centered Robot Open Archi</p><p>　　圖3 機器人保姆 圖4 美女機器

21、人HRP-4C</p><p>　　2.3.3 韓國 </p><p>　　韓國將服務機器人技術列為未來國家發(fā)展的10大“發(fā)動機”產業(yè)，他們已經把服務型機器人作為國家的一個新的經濟增長點進行著重發(fā)展，對機器人技術給予了重點扶持，通過不斷地努力，韓國近幾年來也逐漸躋身研究機器人的世界潮流。韓國信息通信部官員表示，雖然韓國的機器人技術起步比美國、日本和歐洲的競爭者要晚，但是有望在未來5～10

22、年內迎頭趕上，1韓國科學家成功研制出世界上最聰明的類人機器人“Android”，如圖5所示，它集眾多前沿科技在一身，包括實時數據傳輸、音像和力覺感應器、高速處理器等，通過它身上裝備的音像及力覺感應器可以探測前方物體的運動，能夠識別說話聲，然后向服務器發(fā)送數據，服務器將數據處理后會下達指令給機器人，幫助它與人類以及周圍環(huán)境進行互動。2“夏娃機器人2號”，如圖6所示，是韓國科學家最新研制的一款娛樂型機器人，這位“女性”機器人不僅能和觀眾進行

23、對話，還能和人進行眼神接觸，并會表達各種情緒和唱歌，唱歌時能對上口形和隨著歌曲扭動手臂、臀部和膝蓋。</p><p>　　圖5 機器人Android 圖6 夏娃機器人2號</p><p>　　2.3.4 美國 </p><p>　　美國是機器人的發(fā)源地，盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在

24、國際上仍一直處于領先地位，其技術全面、先進，適應性也很強。例如：1專治中風的機器人醫(yī)生，如圖7所示，將在密歇根州圣約瑟夫默西奧克蘭醫(yī)院率先上崗，這種機器人頭部是一個顯示屏，能顯示網絡另一端醫(yī)生的形象和聲音，顯示屏上方安裝了一個攝像頭，可以把醫(yī)院現場的圖像和聲音傳回給醫(yī)生，有了這種機器人，醫(yī)生在任何地方只要利用一臺筆記本電腦和互聯網，就可以遠程遙控機器人為病人提供治療服務。2美國軍方為戰(zhàn)爭中下半身受傷而不能行走的士兵設計出了一款新型助殘機

25、器人，如圖8所示，它可以直接將用戶的下半身緊緊圍攏起來，以便更好的感知用戶臀部或其他位置的運動，從而提供更加靈敏的操控。</p><p>　　圖7 機器人醫(yī)生 圖8 助殘機器人</p><p>　　2.3.5 歐洲 </p><p>　　1德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的,因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現使用

26、機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路,即對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動，這個計劃推動了服務機器人技術的發(fā)展。德國經過近十年的努力，其服務機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位：新一代機器人保姆Care-O-Bot3，如圖9所示，遍布全身的不計其數的傳感器、立體彩色照相機、激光掃描儀和三維立體攝像頭，讓它既能識別生活用品也能避免誤傷主人；它還具有聲控或

27、手勢控制有自我學習能力，還能聽懂語音命令和看懂手勢命令。2法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平，這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，大力支持服務機器人研究計劃，并且建立起一個完整的科學技術體系，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。這款名為NAO的兩臺雙足智能機器人，如圖10所示，是法國阿德巴蘭機器人公司研制的，它具有討人喜歡的外形、溫柔的語音和25個靈活的關節(jié),能執(zhí)行多種

28、動作指令。</p><p>　　圖9 機器人Care-O-Bot3 圖10 機器人NAO</p><p>　　3從70年代末開始，英國政府推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯合等，使英國機器人開始了在生產和服務領域廣泛應用及大力研制的興盛時期。譬如：英國機器人研究公司(RM

29、)開發(fā)的霹靂舞機器人MechRC，如圖11所示，既能在課堂上大顯身手，會幫助孩子們學數學、幾何、物理、設計和工程學，又能跳舞，因為這個機器人身上有著多個靈活的關節(jié)，通過計算機設定好的程序，就能做出各種人類的舞蹈動作。4俄羅斯由于沒有國家發(fā)展服務機器人的統(tǒng)一規(guī)劃，有限的國家訂貨和市場需求使得俄羅斯機器人技術的發(fā)展以科研和實驗為主，以儲備技術，便于隨時根據市場需要制造出高質量的機器人，當前俄羅斯機器人的技術面臨的問題是機器人技術的智能化程度

30、較低，需要不斷地增加功能、完善技術和提高質量。今后，俄羅斯將重點發(fā)展檢查類機器人和室內外清掃和清潔機器人 。近幾年來，俄羅斯服務機器人技術上也取得可喜的成績：俄羅斯首次研制的人形機器人 “阿涅亞”利用了“新紀元”公司許多獨特的研究，如圖12所示，這款機器人機械結構和程序保障系統(tǒng)十分先進，它們能</p><p>　　圖11 霹靂舞機器人 圖12 “阿涅亞”機器人</p><p

31、>　　3服務機器人的關鍵技術</p><p>　　服務機器人技術在本質上與所有其它類型的機器人是相似的,其主要技術包括:</p><p>　　3.1 環(huán)境感知傳感器和信號處理方法</p><p>　　多傳感器信息融合技術的基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，它充分地利用多個傳感資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上

32、的互補與冗余信息依據某種優(yōu)化準則組合起來，產生對觀測環(huán)境的一致性解釋和描述，多傳感器信息融合技術按照數據的抽象層次分類可分為數據層融合、特征層融合和決策層融合三種。</p><p><b>　　3.2 智能控制</b></p><p>　　智能控制主要包括模糊控制、神經網絡、進化計算等，且逐漸成為成熟的控制思想。模糊控制源于模糊數學，或稱弗晰數學，是研究如何表現和處

33、理模糊性現象的一個數學分支，模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。人工神經網絡控制，從生物學的觀點來看，神經網絡的功能為信息處理和推理、聯想和思維等高級的思想活動，而人工神經網絡控制是利用工程技術手段模擬人腦神經網絡的結構和功能的一種技術系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模并行的非線性動力學系統(tǒng)。</p><p>　　3.3 導航與定位</p><p>　　在服務

34、機器人系統(tǒng)中，自主導航是一項核心技術，是機器人研究領域的重點和難點問題。把人工神經網絡控制和多傳感器融合技術相結合用于服務機器人的導航定位系統(tǒng)，如圖13所示。</p><p>　　圖13 服務機器人導航定位系統(tǒng)</p><p><b>　　3.4 路徑規(guī)劃</b></p><p>　　路徑規(guī)劃就是指在服務機器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目

35、標狀態(tài)、可以避開障礙物的路徑。路徑規(guī)劃方法大致可以分為傳統(tǒng)方法和智能方法：1傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法主要有以下幾種：自由空間法、圖搜索法、柵格解耦法、人工勢場法，在這幾種方法中，人工勢場法是傳統(tǒng)算法中較成熟且高效的規(guī)劃方法，它通過環(huán)境勢場模型進行路徑規(guī)劃，但是沒有考察路徑是否最優(yōu)。2智能路徑規(guī)劃方法是將遺傳算法、模糊邏輯以及神經網絡等人工智能方法應用到路徑規(guī)劃中，來提高機器人路徑規(guī)劃的避障精度，加快規(guī)劃速度，滿足實際應用的需要。其中應用較多的算

36、法主要有模糊方法、神經網絡、遺傳算法、Q學習及混合算法等，這些方法在障礙物環(huán)境已知或未知情況下均已取得一定的研究成果。把模糊控制和人工神經網絡控制相融合，形成的模糊神經網絡控制用于服務機器人的避障，以BP網絡作為機體，以基于模糊規(guī)則的模糊神經網絡，采用CCD攝像機和多個超聲波測距傳感器，對服務機器人能夠避障進行控制，如圖14所示。</p><p>　　圖14 服務機器人模糊神經網絡圖</p>&l

37、t;p>　　4服務機器人的未來展望</p><p>　　服務機器人的開發(fā)研究取得了舉世矚目的成果，未來智能機器人技術將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發(fā)展。</p><p>　　4.1人與機器人的融合</p><p>　　美國科學家正在研制的獨特機械控制假手臂，如圖15所示，可以通過“思維力”進行控制。當患者需要借助于機械手完成某種動作時，他只要簡單地想要

38、做什么即可，大腦發(fā)出的信號會刺激肌肉，相應的電脈沖會被電極記錄，隨后信號會轉變成控制機械手臂的指令可以完成各種復雜動作，其中包括拿住物體，它不僅能恢復患者的動作效能，而且能感受到觸覺。據日本媒體報道，新開發(fā)的裝置由頭盔狀的傳感器及測量記錄器構成，如圖16所示，如果人設想使用左手的動作，腦波及腦血流的變化便會參照事先存儲的數據，使機器人舉起左手，該技術今后有可能運用于家務機器人，幫助人們從事端菜、給植物澆水等家務和肢體殘疾或癱瘓人士。&l

39、t;/p><p>　　圖15 思維力控制假手臂 圖16 意念控制機器人</p><p>　　4.2 人工智能技術的全面應用</p><p>　　各種機器學習算法的出現推動了人工智能的發(fā)展，強化學習、蟻群算法、免疫算法等可以用到服務機器人系統(tǒng)中，使其具有類似人的學習能力，以適應日益復雜的、不確定和非結構化的環(huán)境。例如：1英國科學家研發(fā)出首名“機器人科學家”，如圖

40、17所示，這款機器人能獨立推理、把理論公式化乃至探索科學知識，堪稱人工智能領域一大突破?！皺C器人科學家”將來可以投身于解開生物學謎題、研發(fā)新藥、了解宇宙等研究領域。2英國的一種具有語言學習能力的類人型機器人，如圖18所示，即將問世，研究者的目標是：機器人將來能夠對語言進行自我學習，以及在社會化環(huán)境中向他人學習，并且把這種語言能力轉化為自主化學習和處理問題的能力，并且與周圍環(huán)境互動，將來有可能使機器人掌握更多的自主性能力。</p&g

41、t;<p>　　圖17 機器人科學家 圖18機器人iCub</p><p>　　4.3傳感器技術的發(fā)展</p><p>　　未來機器人傳感器技術的研究，除不斷改善傳感器的精度和可靠性外，對傳感信息的高速處理、自適應多傳感器融合和完善的靜、動態(tài)標定測試技術也將成為機器人傳感器研究和發(fā)展的關鍵技術。未來機器人傳感器研究包括多智能傳感器技術、網絡傳感器技術、虛

42、擬傳感器技術和臨場感技術。</p><p>　　4.4服務機器人的人性化　</p><p>　　技術進步將允許在未來幾年克服當前這些技術（開放空間的導航、學習能力和智力行為、多傳感器融合和允許對所有不同類型任務進行高效處理的處理器等）的限制，設計和使用功能日益強大的機器人，集成技術將允許超越由于材料、技術等形成的目前限制，日本專家預測，在2013年到2027年之間，智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展將允

43、許機器人會保留和重復使用以前已獲得的技能和技術，如表1所示，人和機器人的交流將變得更加的簡單化了。</p><p>　　表1 日本專家對服務機器人技術的預測 </p><p><b>　　5結論</b></p><p>　　隨著技術的不斷發(fā)展，生產力的不斷提高，服務型機器人類型將不斷得到細化，分工更加明

44、確，智能化程度也將不斷提高。雖然我國對服務機器人的研究相對其他國家起步很晚，但國家對此非常重視，我國和其他國家的技術差距也將不斷縮小。雖然不同國家的服務機器人會因為不同特色而產生不同的發(fā)展，但在服務機器人的關鍵技術上技術差距將不斷拉近。并且隨著時代的發(fā)展，服務型機器人也將會逐漸普及應用，智能化程度也將不斷提高。同時服務型機器人也將使得操控變得更加簡易便利，人性化程度的提高也會使得人機互動更加普及，并且在服務型機器人大范圍普及應用的同時也

45、將更加快速的促進服務型機器人技術的發(fā)展。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]Antonio López Peláez，Dimitris．uRobots，genes and bytes technology development and social changes towards the year 2020

46、[J]．Technological Forecasting & Social Change，2008,（75）：1176–1201．</p><p>　　[2]張毅，羅元，鄭太雄．移動機器人技術及其應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．</p><p>　　[3]金周英．關于我國智能機器人發(fā)展的幾點思考 [J]．機器人技術與應用，2001,（4）：5-7．</p>