服務機器人設計原則淺談

趙宇浩+劉洋

摘 要：近年來，服務機器人市場增長迅速，隨著互聯網技術日新月異的發展，人工智能、物理網、新材料、為機器人的設計創新提供了更多可能。人們生活水平日益提高，對生活品質將會有更多的要求，智能、靈活、功能強大的服務機器人具有廣闊的發展前景。本文通過對機器人發展歷程和新技術的文獻研究，以用戶為中心對未來服務機器人的設計提出安全、實用、情感交互、智能、低成本等的設計原則。

關鍵詞：服務機器人；人工智能；物聯網；設計原則

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）30-0167-02

一、引言

機器人的發展一直都是社會討論的熱點，近年來，隨著科學技術發展，互聯網技術給各行業、各領域的發展帶來新的可能，人們對機器人的研究和思考已經不只是科學家的技術研究以及哲學家的學術討論，各行各業的翹楚在互聯網發展的熱潮里看到了機器人發展的新方向。據市場研究顯示，2016年我國家用服務機器人的市場規模已達 140 億元人民幣，預計 2017 年將達到 240 億元人民幣。隨著國民生活水平的提高，人們對于生活品質將會有新的要求，屆時家用服務機器人市場將進一步擴大，相信未來科技的發展，生產成本的降低，服務機器人將如同普通家用電器一樣走入尋常百姓家，為人們的生活提供便利。

二、近現代機器人發展概述

創造一種能夠代替自身進行各種勞動的事物是人類長期以來的愿望，“機器人”的概念便伴隨著這個美好的愿望誕生。國內外歷史古籍對機器人相關故事均有記載，《列子·湯問》中記有“偃師獻藝”寓言，描述了戰國時期巧匠偃師善做能歌善舞的人偶，雖然寓言帶有科幻色彩，但充分表達了人們對于機器人的幻想。1959年，美國發明家英格伯格和德沃爾設計制造出第一臺工業機器人，由此拉開了現代機器人研究發展的帷幕。

（一）現代機器人發展歷程

從機器人技術革新的角度看，現代機器人的發展可分為三個階段。示教再現機器人（第一代機器人）根據示教編程存儲的固定程序不斷重復執行的機械動作，對外界信息不具備反饋能力，自上世紀50年代末至90年代，示教再現機器人作為工業機器人在全球范圍工業生產制造領域應用；各類傳感器的發明和應用為機器人提供了感知周圍環境的可能，在第一代機器人的基礎上發展出感知機器人（第二代機器人），可根據環境變化進行簡單判斷并對自身動作做出調整，減少工作錯誤，又被稱為自適應機器人，目前已作為工業機器人被生產企業應用；智能機器人（第三代機器人），不僅具備感知機器人感應外界信息的能力，而且具有推理、規劃、學習能力，將感知和行動智能結合起來，目前正處于研發階段。

（二）機器人分類

機器人的分類方法多樣，我國機器人研究者從應用環境的角度將機器人類別劃分為兩大類，即制造環境下的工業機器人和非制造環境下的特種機器人。工業機器人多為用于工業生產制造的多關節機械手或多自由度機器人，可協助或代替工人在高危環境中完成勞動強度大的工作，普遍應用于3C制造業、汽車零部件及整車裝配、建筑等領域，服務于國民經濟幾十個行業大類。特種機器人根據具體用途又可劃分為服務機器人、軍用機器人、農業機器人等，應用領域廣泛，其中家用服務機器人市場發展態勢良好，2010年至2016年，家用服務機器人的全球市場銷量已從220萬臺增至640萬臺，家政服務機器人、家用安全監視機器人、教育娛樂機器人等家用服務機器人已逐步進入普通家庭，給人們生活帶來新體驗。隨著人們生活水平的提高，新需求細化，提供對應服務的服務機器人將會出現，機器人的類別將進一步細分，應用領域將進一步擴大。如圖1所示。

三、 新技術對機器人的影響

（一）人工智能

人工智能是以計算機系統為基礎，通過信息收集、信息處理、執行命令，以達到模擬人類的某些思維過程以及諸如學習、思考、推理等智能行為的學科，研究領域主要包括機器人、模式識別、自然語言處理、專家系統、機器學習，計算機視覺等。

人工智能分為強人工智能（Artificial General Intelligence，簡稱AGI）和弱人工智能（Artificial Narrow Intelligence，簡稱ANI）。由于強人工智能的智能程序要求達到人類級別，既可以像人一樣對各種層次的問題做出應對，還需要具備自我學習和理解復雜理念等能力，研究開發困難。目前被廣泛研究和應用的在單個領域較強的人工智能程序屬于弱人工智能，其深度學習能力和云計算能力強大，在大數據分析、人機交互、醫療護理、無人駕駛、工業機器人和智能家居等多個領域普遍應用，iPhone 的語音助手siri、購物App智能客服、手機面部識別等都是弱人工智能。各大互聯網公司十分看好人工智能與真人深度交互的特點，積極開發各類人工智能相關的產品，如百度“度秘”、阿里小蜜、Facebook M助理等人工智能產品，能夠通過與用戶深度交流，了解用戶信息，判斷用戶需求，為用戶提供相應的服務。

目前，人工智能研究領域的人工神經網絡、專家系統、蟻群算法、進化算法等技術在機器人領域的應用，使機器人的深度學習能力和信息處理能力更出眾，增強了對環境的自適應能力；控制系統智能化，科學計算規劃最優工作路徑，工作效率提高；智能化程度進一步提高，促進了機器人的擬人化發展，為機器人處理復雜工作提供了更多的技術支持。

（二）物聯網

物聯網（Internet of things，簡稱IoT）是以互聯網為基礎，通過射頻識別（RFID）、紅外傳感器、氣體傳感器、聲波傳感器、定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定協議，將現實物品與互聯網連接，進行物與物之間的信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的網絡。物聯網具有全面感知、可靠傳遞、智能處理三大特征，被廣泛應用于智能交通、安保監測、物業管控、健康護理、植物栽培、軍情偵查等多個領域。endprint

物理網的廣泛應用，為機器人的控制提供了新的環境，基于物聯網的特性，機器人能通過信息傳遞和智能處理，完成大部分需要人工勞動完成的任務；將射頻、條碼標簽、傳感器等技術應用于工業機器人生產線，對零部件、產品自動打碼，可實現生產過程的實時數據采集和信息監測，對產品生產過程追蹤定位；多機器人系統可通過物聯網的感知，信息傳遞、智能規劃任務和活動路徑，實現協同工作，提高工作效率。

（三）其他新技術

2016年英國《自然》雜志刊登了由哈佛大學生物工程研究所團隊研發的全球首個全軟體機器人“Ocobot”（章魚機器人），該機器人全部使用柔性材料硅橡膠，成本低廉，不含任何堅硬的零件，依靠化學反應產生的氣體壓強變化實現自主運動，擺脫了外置電纜的限制。柔性材料的多自由度、高靈活、可變形、能量吸收等特性，使機器人能在更極端的環境下靈巧的運動，承受外部沖擊的能力更強，勝任更多任務，在狹小空間故障檢查、醫療診斷、軍事偵查探測領域具有廣泛應用前景。

液態金屬控制技術是一直通過控制電磁場準確控制液態金屬材料外觀特征、運動狀態的新技術，目前主要應用于3C制造領域，具有熔融后塑形能力，為機器人的可變形發展提供了可能。生肌電控制技術是利用人類肢體表面肌電信號控制機器活動的技術，通過生物信號控制機器人，在遠程控制、醫療、軍事領域具有較好的應用前景。情感識別技術，可通過采集、分析人類面部、肢體信息，有效識別人類情感和心理活動，使機器人具備了類似人類的觀察能力，可以用于輔助醫療，刑偵鑒別等領域。

四、服務機器人的發展現狀

服務機器人研究和應用在一些發達國家發展迅速，其中掃地機器人發展已經完全成熟穩定。日本在機器人研究方面處于世界前列，日本政府已經將推動家用機器人產業發展定為國策，各國都出臺了相對應的既定國策。日本機器人協會最新研究發現，工業機器人的相關技術研究趨于成熟，未來發展空間及其有限，服務機器人研發、應用將大幅增長，預計2025年將有517億美元的市場規模。

大多數服務機器人如掃地機、教育娛樂機器人、醫療機器人等服務于人的日常生活，與工業機器人相比使用環境信息更復雜，這就要求服務機器人需要對周圍環境信息、用戶信息識別精準，且具備仿人的情感、思維，動作反饋擬人化、情感化，以滿足社會服務需求。本田公司研發的ASIMO仿人機器人從第一次以雙腳流暢行走亮相至今已發展了17年，其最新版的ASIMO造型簡約，已經可以流暢完成包括攀爬樓梯、手語交流、倒茶、踢球等高難度擬人行為。

目前，國內機器人研發多注重技術應用，編程人員與工業設計師、用戶之間溝通交流欠缺，邏輯思維相差甚遠，造成國內服務機器人外觀偏機械，交互體驗差，與國外服務機器人相比缺乏市場競爭力。服務機器人本身是技術的集合，其核心技術不存在壟斷，如何利用自身優勢，研發滿足我國市場需求的服務機器人，阻止發達國家的輸出，改變市場現狀，是我國目前最迫切需要的。

五、服務機器人設計原則

服務機器人基本設計原則，如圖1所示。

根據未來科技發展趨勢分析以及服務機器人的實際市場需求，服務機器人的設計應滿足以下幾個原則：（1）安全；不僅指機器人自身外觀設計、動作設計的安全，所用材質綠色環保無公害，還應包括內部信息的安全。物聯網環境下，物與物之間信息交流通訊，服務機器人應設置信息安全鎖，保護核心代碼及用戶信息，防止黑客篡改，減小安全隱患。（2）實用；機器人結構復雜，智能系統模塊多樣，服務機器人在功能實現的基礎上，各個部件應實現模塊化設計，便于更換，方便普通用戶日常維修、維護，同時便于硬件的升級拓展，節省使用成本。（3）情感交互；機器人不同于普通智能產品，其交互是從單一的界面交互到肢體和界面綜合的立體交互，交互過程注重人的情感，動作反饋充滿趣味性，擬人化的動作與工業機器人有明顯的區別。（4）智能；“智能機器+網絡”的智能系統，在人工智能和物聯網等互聯網技術普及下，服務機器人應針對不同的工作環境，通過信息獲取，深度學習，不斷適應新環境，提升自身工作效率；多機器人在物聯網通信環境下，協作完成復雜任務。（5）低成本；目前功能強大的服務機器人技術尚在實驗階段，制作成本較高，隨著技術發展，未來量化生產，服務機器人制造成本應進一步控制，降低消費門檻。

六、結語

2017年被譽為人工智能元年，互聯網技術的進步、新材料工藝的發展為服務機器人的設計創新提供了更多的可能。隨著《中國制造2025》一系列政策的推進，中國服務機器人將面臨更多的機遇和挑戰，實現服務機器人的全面化、智能化、市場化，不僅需要科技的支持，還需要設計思維的指導，滿足大眾審美和功能需求，充分發揮本土優勢，才能提升中國服務機器人的市場競爭力。

參考文獻：

[1]柏程繽.人工智能在機器人領域中的應用展望[J].內燃機與配件，2017（14）.

[2]邢妍.服務機器人交互設計研究與應用[D].沈陽：沈陽工業大學，2017.

[3]鄭偉，劉學彬，任保飛.淺談家用服務機器人的現在和未來[J].內蒙古煤炭經濟，2017（09）.

[4]梁小曉，唐玲，曹莉，樂英高，高祥，陳超.物聯網環境下的機器人技術研究[J].煤礦機械，2015（04）.

[5]王田苗，陶永，陳陽.服務機器人技術研究現狀與發展趨勢[J].中國科學：信息科學，2012（09）.endprint