服務(wù)機(jī)器人研究

張濤+施天宇+孫春霞+孫藝鳴+劉成+薛同蓮

摘 要：經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶動了社會進(jìn)步，人民的生活水平也得以提高，如何利用服務(wù)機(jī)器人提高生活品質(zhì)和生產(chǎn)效率已成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人使用了眾多高新技術(shù)，可以說是集自動化和智能化為一體的科技實(shí)用典范。該文借鑒國內(nèi)外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，主要研究了我國的服務(wù)機(jī)器人的常用范圍及設(shè)計(jì)方法，試圖為未來服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展方向提供一些思路參考。

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人 市場分類 移動技術(shù)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（c）-0099-02

伴隨快節(jié)奏的現(xiàn)代社會生活和突出的老齡化問題，服務(wù)機(jī)器人越來越受到各類人群的歡迎。它對普通人生活品質(zhì)的提升起了積極作用，在老齡人及殘疾人的看護(hù)方面也扮演著非常重要的角色。服務(wù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為推動民生質(zhì)量、緩解社會壓力的熱點(diǎn)技術(shù)。縱觀全球，很多國家都在積極參與機(jī)器人的研究，部分國家在服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域也已取得了不少成功的先例。我國在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究開發(fā)起步相對較晚，就現(xiàn)階段而言，整體還落后于美國、日本等發(fā)達(dá)國家。但近年來在我國政府對科技大力支持的背景下，服務(wù)機(jī)器人在理論技術(shù)的研究有了長足的進(jìn)步，同時在實(shí)用層面能夠更貼近市場需求，開發(fā)出大量如導(dǎo)游機(jī)器人、商場迎賓機(jī)器人、掃地機(jī)器人、機(jī)器人護(hù)理床、智能輪椅等機(jī)器人實(shí)用型產(chǎn)品。該文將就市場應(yīng)用角度和技術(shù)發(fā)展角度來分析服務(wù)機(jī)器人的使用現(xiàn)狀。

1 市場應(yīng)用

服務(wù)機(jī)器人是龐大的機(jī)器人家族中的新進(jìn)成員，從其市場應(yīng)用角度來看，可以分為專業(yè)領(lǐng)域使用的服務(wù)機(jī)器人和家庭相關(guān)的服務(wù)機(jī)器人。

1.1 專業(yè)服務(wù)機(jī)器人

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人一般以其應(yīng)用的專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行的劃分，大致可以歸類為醫(yī)療、建筑、野外、水下、物流等多個種類。

其中在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用越來越頻繁，現(xiàn)在常用的有護(hù)士助手、腦外科機(jī)器人、口腔修復(fù)機(jī)器人和進(jìn)入血管機(jī)器人等。 1990年，“護(hù)士助手”機(jī)器人即開始被出售，它是一種能幫助減輕護(hù)士工作強(qiáng)度的機(jī)器人，不需要事先給予命令，一旦對其處理器編好程序，就可以完成以下各種原來護(hù)士常做的任務(wù)：運(yùn)送醫(yī)療器材、康復(fù)設(shè)備和藥品，為病人送飯或病歷、報表及個人信件等。

北京航空航天大學(xué)、海軍總院和清華大學(xué)共同研究開發(fā)了腦外科機(jī)器人輔助系統(tǒng)。

在使用該機(jī)器人系統(tǒng)之前，“框架腦立體定向手術(shù)”在世界各國醫(yī)院的普遍做法是由醫(yī)生在患者的顱骨上鉆4個小洞，然后在這里固定一個金屬框架，醫(yī)生通過這個金屬框架確定病灶的具體位置，并分析決定手術(shù)的具體位置，操作難度非常高，同時給病患帶來很大的痛苦。

采用腦外科機(jī)器人輔助系統(tǒng)之后，不僅消除了固定框架給病患帶來的痛苦，而且極大程度地方便了醫(yī)生的操作，從而前所未有地提高了手術(shù)定位精度，并且使手術(shù)操作更加直觀，完善了此類手術(shù)過程的可視性，為病患最大限度降低了手術(shù)帶來的創(chuàng)傷。

建筑行業(yè)因其危險性高、勞動強(qiáng)度大被定位為最不受歡迎的行業(yè)之一，在避免事故頻發(fā)、勞動力短缺方面，使用建筑服務(wù)機(jī)器人是一個有效途徑。

當(dāng)前，斜拉橋因其具有梁體尺寸較小，橋梁跨越能力較大等優(yōu)點(diǎn)已成為我國“大跨徑橋梁”最普遍采用的橋梁設(shè)計(jì)之一。它的主要受力組件“纜索”長期與空氣直接接觸，在常年的風(fēng)吹雨打以及愈發(fā)嚴(yán)重的化工氣體的侵蝕下，纜索的表面往往會形成持續(xù)性損害，對斜拉橋的承載能力造成不利的影響。因此，各橋梁維護(hù)公司逐漸開始使用爬纜索機(jī)器人完成對纜索的定期維護(hù)。最早的一臺爬纜索機(jī)器人是在1997年由上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所與上海黃浦江大橋工程建設(shè)處合作研制成功的，它由具有攀爬功能的機(jī)器人本體和立足于地面向本體提供后勤服務(wù)的機(jī)器小車兩個部分組成，工作時由本體機(jī)器人攀爬至高空纜索，操控人員通過本體上安裝的CCD攝像頭傳來的反饋，對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時操控，指揮機(jī)器人本體完成點(diǎn)檢、去靜電、打磨、清洗、油漆等一系列保養(yǎng)維護(hù)工作，同時供應(yīng)維護(hù)設(shè)備及材料的地面小車聯(lián)動作業(yè)，確保及時正確地向本體提供后勤服務(wù)。

伴隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加深，各地區(qū)摩天大樓的數(shù)量明顯增多，很多大樓的新型設(shè)計(jì)為打造未來都市的印象，同時兼顧采光和觀景視線往往多采用強(qiáng)化玻璃材質(zhì)的大型落地門窗，這就給后來的清潔帶來了諸多問題。其實(shí)不僅是玻璃窗，其他材料的壁面也需要定期清洗。 這時，就要用到擦窗機(jī)器人和壁面清洗機(jī)器人。

建筑服務(wù)機(jī)器人還有很多，這里只列了部分。如果建筑服務(wù)機(jī)器人能更廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，不但可以提高作業(yè)質(zhì)量和效率，而且可以降低建筑工人的勞動強(qiáng)度和意外傷害，從而對改善建筑業(yè)從業(yè)人員的工作條件起到作用。

此外，還有各種工作于野外、水下等惡劣環(huán)境的機(jī)器人，以及能承擔(dān)高強(qiáng)度、重復(fù)勞動的物流機(jī)器人。

1.2 家庭服務(wù)機(jī)器人

家庭服務(wù)機(jī)器人又分為家務(wù)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、老人及殘障輔助機(jī)器人等。

家務(wù)機(jī)器人可以完成洗衣、掃地、擦窗、斟茶、倒水等工作，其中最常用的是掃地機(jī)器人。目前的掃地機(jī)器人根據(jù)其路徑尋找方式大致可分成兩種：一種是類似iRobot采取的“隨機(jī)尋路方式”，先通過算法設(shè)定其可覆蓋的極限范圍，工作時它在此范圍內(nèi)隨機(jī)移動并進(jìn)行清理掃除，屬于無序?qū)ぢ贩绞降囊环N。另一種即Neato為代表的典型尋路方式的機(jī)器人，它通過自身攜帶的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠做到精準(zhǔn)地規(guī)劃行經(jīng)路徑，避免無序碰撞。

娛樂機(jī)器人能夠與外界進(jìn)行互相交流，能夠接受指令行走并完成被要求的動作，能夠供人娛樂及觀賞，會說話、唱歌，有一定感知能力。如足球機(jī)器人、玩具機(jī)器人、機(jī)器人歌手和舞蹈機(jī)器人等。商場迎賓機(jī)器人娛樂機(jī)器人一樣，通過檢測外部環(huán)境，給出相應(yīng)的語音反應(yīng)。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，建立新型的高科技福利社會已經(jīng)是眾望所歸，越來越多的老年人或身體障礙者期待通過新科技改善其生活的品質(zhì)。

加之天有不測風(fēng)云，在復(fù)雜的現(xiàn)代社會環(huán)境中，每年均會有很多不幸的人患上難以治愈的病痛，乃至失去部分行為能力。研發(fā)用于協(xié)助身體障礙者自由行動的輪椅型智能設(shè)備——“機(jī)器人輪椅”開始成為了研究的一個熱點(diǎn)。機(jī)器人輪椅可以幫助殘疾人士行走、上下樓梯、提取物品等。根據(jù)其設(shè)計(jì)初衷，該類機(jī)器人是在基于實(shí)時定位的GPS系統(tǒng)和語音識別系統(tǒng)上，加入多方位傳感器反饋而研發(fā)成功的，機(jī)器人可以做到識別指定語音下的幾百條口令，并有自動避障、導(dǎo)航定位等功能。

2 技術(shù)發(fā)展角度

從技術(shù)應(yīng)用的范圍來看，服務(wù)機(jī)器人不同于傳統(tǒng)工業(yè)用機(jī)器人，它把重心放在了基于現(xiàn)階段發(fā)展迅速或者說得上日新月異的聲光電傳感技術(shù)在交互層面的運(yùn)用上。

現(xiàn)階段的交互技術(shù)主要分為以下3類：語音識別、語音匹配以及視覺處理。

識別、匹配以及最終的處理是實(shí)現(xiàn)傳感并確保能夠完成智能反饋的技術(shù)基礎(chǔ)，服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)交互并運(yùn)作的關(guān)鍵，現(xiàn)階段對于語音識別模塊的研究已經(jīng)初具規(guī)模，目前各大公司開發(fā)有初具效能的語音包、語音模塊以及視覺模塊。其中語音識別是一個處于基礎(chǔ)地位的核心功能，運(yùn)用何種算法才能達(dá)成儲存語音的提取、解碼、匹配、反饋、最后實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備間的交互是需要不斷完善的重中之重。蘋果公司的Siri即可視為一臺智能化機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人可在了解各種相應(yīng)模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)市場需要的變化開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)機(jī)器人。

同時，在機(jī)器人位移技術(shù)層面，可以以傳統(tǒng)工業(yè)類機(jī)器手臂為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上增加定位及視覺處理等技術(shù)。比如，家用吸塵器+隨機(jī)尋路方式傳感設(shè)備就是掃地機(jī)器人，再加上CCD攝像識別系統(tǒng)和測距導(dǎo)航定位系統(tǒng)就是智能避讓節(jié)能型掃地機(jī)器人，進(jìn)一步加上口令識別就可以是人機(jī)互動管家式智能機(jī)器人。其中測距可以采用超聲波和紅外波段導(dǎo)航的方式，但其也有可控測范圍有限這一個缺點(diǎn)，如果同時采用CCD攝像頭拍攝圖像，運(yùn)用機(jī)器視覺及相關(guān)技術(shù)識別路徑，完善視覺導(dǎo)航則有希望可以克服該方面的不足。

總之，隨著科技的發(fā)展，未來的服務(wù)機(jī)器人研究會在利用外部傳感器和云信息增強(qiáng)服務(wù)機(jī)器人感知能力方面進(jìn)行有力的探索，對軟件、內(nèi)容、渠道的要求越來越高。所以服務(wù)機(jī)器人與新原理、新材料、具體環(huán)境及云數(shù)據(jù)的結(jié)合會越來越緊密。未來發(fā)展是與全社會的關(guān)注及眾多學(xué)者專家的不懈努力分不開的。

參考文獻(xiàn)

[1] 王田苗，陶永，陳陽.服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2012（9）：1049-1066.

[2] 服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2012（3）：1-5.

[3] 蔡有杰，王世剛，周長明.家用服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].電子世界，2013（6）：118-119.