服務(wù)機器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢研究＊

黃人薇，洪 洲

（1.廣州城市職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，廣東 廣州 510405；2.廣州城市職業(yè)學(xué)院科研處，廣東 廣州 510405）

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的變快、老齡化現(xiàn)象的凸顯及生活水平的日益提高，像掃地機器人、擦玻璃機器人、烘焙機器人、陪伴機器人等服務(wù)型機器人已開始走入尋常百姓家，服務(wù)機器人對提升人們的生活品質(zhì)起到了積極的推動作用。

數(shù)據(jù)顯示，目前世界上至少有48個國家在發(fā)展機器人，其中，25個國家已涉足服務(wù)型機器人開發(fā)。迄今，在日本、北美和歐洲，已有7種類型計40余款服務(wù)型機器人進入實驗和半商業(yè)化應(yīng)用；美國正致力于將為軍隊傷病員開發(fā)的機器人假肢和小型無人偵察直升機等技術(shù)轉(zhuǎn)為民用；歐盟啟動了全球最大民用機器人研發(fā)項目，到2020年將投入28億歐元用于研發(fā)醫(yī)療、護理、家務(wù)、農(nóng)業(yè)和運輸?shù)阮I(lǐng)域的機器人。在服務(wù)機器人領(lǐng)域，處于領(lǐng)先地位的是以美國、德國和法國為代表的西方國家，以日本和韓國為代表的亞洲國家。代表性產(chǎn)品有：德國研制的Care-0-Bot4，這是一款助殘助老獨立生活（擺放桌椅、取拿飲料、控制空調(diào)、報警呼救等）的看護機器人；日本安川電機公司研制的摩托曼，這是一款可以烹飪煎餅的家政機器人；韓國研制的Mahru-Z，這是一款可以打掃房子、加熱食物、輔助洗衣等的女仆機器人。

2017-12-14，我國工信部發(fā)布《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018—2020年）》[1]（以下簡稱《行動計劃》）。《行動計劃》提出，支持智能交互、智能操作、多機協(xié)作等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提升清潔、老年陪護、康復(fù)、助殘、兒童教育等家庭服務(wù)機器人的智能化水平，推動巡檢、導(dǎo)覽等公共服務(wù)機器人及消防救援機器人等的創(chuàng)新應(yīng)用。發(fā)展三維成像定位、智能精準(zhǔn)安全操控、人機協(xié)作接口等關(guān)鍵技術(shù)，支持手術(shù)機器人操作系統(tǒng)研發(fā)，推動手術(shù)機器人在臨床醫(yī)療中的應(yīng)用。《行動計劃》明確指出，到2020年，智能服務(wù)機器人環(huán)境感知、自然交互、自主學(xué)習(xí)、人機協(xié)作等關(guān)鍵技術(shù)取得突破，智能家庭服務(wù)機器人、智能公共服務(wù)機器人實現(xiàn)批量生產(chǎn)及應(yīng)用，醫(yī)療康復(fù)、助老助殘、消防救災(zāi)等機器人實現(xiàn)樣機生產(chǎn)，完成技術(shù)與功能驗證，實現(xiàn)20家以上應(yīng)用示范。《行動計劃》的發(fā)布為我國服務(wù)機器人的發(fā)展提供了明確的方向，將極大地促進服務(wù)機器人行業(yè)的發(fā)展。

1 服務(wù)機器人概述

1.1 服務(wù)機器人的定義

國際機器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics，IFR）將服務(wù)機器人定義為一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備[2]。我國對服務(wù)機器人的定義是用于完成對人力福利和設(shè)備有用的服務(wù)（制造操作除外）的自主或半自主機器人。

1.2 服務(wù)機器人的分類

服務(wù)機器人是具有感覺、思維、決策和動作功能的智能機器，按照用途可分為專用服務(wù)機器人和個人服務(wù)機器人兩大類。專用服務(wù)機器人是在特殊環(huán)境下作業(yè)或具有商業(yè)用途的機器人，通常由訓(xùn)練有素的操作員操作，例如公共場所清潔機器人、醫(yī)用外科手術(shù)機器人、康復(fù)機器人、鐳射治療機器人、軍用無人駕駛機器人、反恐防暴機器人、地雷探測機器人、特殊用途的消防救援機器人、深海工作機器人、挖掘救災(zāi)機器人、管路探勘機器人等。

個人服務(wù)機器人是非商業(yè)活動用的機器人，例如家政服務(wù)機器人、助老助殘機器人、娛樂休閑機器人、寵物機器人、教育機器人、機器人輪椅等。

1.3 服務(wù)機器人的特性

隨著傳感器和智能化的發(fā)展，服務(wù)機器人已逐步克服了視覺感官差、動作表現(xiàn)差、服務(wù)功能單一等弱點，正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

1.3.1 機械結(jié)構(gòu)柔性好、動作靈活度高

服務(wù)機器人主要進行的是各種服務(wù)動作，而操控它的多是非技術(shù)人員，因此在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)具備柔性，以避免操控者受到不必要的傷害。通過改變服務(wù)機器人機械結(jié)構(gòu)和各電動機的參數(shù)，可提高服務(wù)機器人的動作靈活度，以提供給操控者更便利的服務(wù)。

1.3.2 感知認知能力強、智能化程度高

服務(wù)機器人面對的環(huán)境更為復(fù)雜多變，需要在非結(jié)構(gòu)化場景中進行感知、認知，最終通過邏輯分析判斷進行智能反饋，對人工智能技術(shù)的要求更高。通過語音識別、語音匹配及視覺處理等將聽覺、視覺、觸覺、溫度、位置、力矩等多種傳感器信息融合與處理，可使服務(wù)機器人具有甚至超過人類的感知能力，提高服務(wù)機器人的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)能力和智能化程度。

1.3.3 云存儲、云計算、云服務(wù)機器人

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與機器人技術(shù)的加速融合，服務(wù)機器人作為一種信息傳輸?shù)妮d體，會發(fā)送信息至云端和接收云端送回的信息，從而完成其相應(yīng)的服務(wù)動作。建立基于云服務(wù)的服務(wù)機器人系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全球范圍的知識和信息共享、機器人之間信息和資源的共享；利用云計算和云存儲可進行復(fù)雜計算和數(shù)據(jù)存儲，以加速機器人學(xué)習(xí)進程、降低機器人研發(fā)制造成本。

2 服務(wù)機器人關(guān)鍵技術(shù)

服務(wù)機器人的未來發(fā)展目標(biāo)是，如同“真人”一般進行動作、互動和思考，納米制造、仿生技術(shù)、語言識別、視覺處理、傳感器技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的交叉滲透是必然的。

2.1 納米仿生技術(shù)

仿生學(xué)是把各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，并改善現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備、創(chuàng)造新工藝技術(shù)的學(xué)科[3]，服務(wù)機器人的研發(fā)運用了納米制造、仿生技術(shù)（包括人體結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生等）來模仿生物的外部形狀或某些技能，使之具有“真人”一般的外形，做出“真人”一般的動作。

2.2 傳感交互技術(shù)

服務(wù)機器人身上有多種傳感器，比如感知觸摸的壓力傳感器、感知環(huán)境情況的煙霧和有害氣體傳感器、感知光線強弱的光電傳感器、進行人機對話的語音傳感器、識別定位抓取物體的視覺傳感器，各種傳感器構(gòu)成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，感知空間環(huán)境，完成物體的識別、定位和抓取。語音識別、語音匹配及視覺處理等技術(shù)是實現(xiàn)傳感、完成智能反饋的基礎(chǔ)，是機器人完成交互與服務(wù)動作的關(guān)鍵。其中，語音識別是核心，語音匹配和視覺處理是重點。

2.3 導(dǎo)航定位技術(shù)

服務(wù)機器人只有準(zhǔn)確知道自身的位置、工作空間中障礙物的位置、障礙物的運動情況，才能安全有效地進行自主移動，定位是移動的前提。根據(jù)工作環(huán)境復(fù)雜性、配備傳感器種類和數(shù)量等的不同，可采用基于慣性定位、基于陸標(biāo)定位、基于全方向圖像定位、基于聲音定位、基于視覺伺服定位、基于激光雷達定位等來確定機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位姿，再利用RFID導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、語音導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等導(dǎo)航技術(shù)，使機器人實現(xiàn)自主移動。

2.4 智能決策控制技術(shù)

在無他人干預(yù)的情況下，自主地驅(qū)動服務(wù)機器人進行精確定位、自主移動、識別抓取、人機交互、網(wǎng)絡(luò)控制等，這就是智能決策控制，包括仿人控制、模糊控制、混沌控制、人工智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，用以解決控制對方無法精確建模的復(fù)雜控制問題，智能決策控制具有非線性的特點。

2.5 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

傳感數(shù)據(jù)、聲音、圖像等從服務(wù)機器人身上采集到的數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，機器人接受來自網(wǎng)絡(luò)的命令和控制，借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可得以實現(xiàn)。基于TCP/IP的有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信、基于WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、基于GSM手機網(wǎng)絡(luò)通信是當(dāng)前常用的遠程通信方式，可以方便地操控服務(wù)機器人。

3 服務(wù)機器人發(fā)展趨勢

3.1 服務(wù)機器人的需求分析

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018—2023年中國服務(wù)機器人行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》[4]，2012—2017年中國專業(yè)服務(wù)機器人銷售額復(fù)合增長率達10.46%，個人/家用服務(wù)機器人銷售額年復(fù)合增長率達31.17%，具體如圖1所示。總體來看，個人/家用服務(wù)機器人增長動力較強。

圖1 2012—2017年我國專業(yè)服務(wù)機器人與個人/家用服務(wù)機器人銷售額情況圖（單位：億美元）

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2023年，個人/家用服務(wù)機器人銷售額達24.1億美元，如圖2所示。

圖2 2018—2023年我國個人/家用服務(wù)機器人銷售額增長預(yù)測圖（單位：億美元）

3.2 服務(wù)機器人存在的問題

服務(wù)機器人仍存在著以下問題：①約75%的精密減速器從日本進口，超80%的伺服驅(qū)動器從歐美和日本進口，關(guān)鍵零部件長期大量依賴進口，自主創(chuàng)新能力不強，關(guān)鍵核心技術(shù)缺乏創(chuàng)新理念和原創(chuàng)性成果；②國內(nèi)市場由安川電機、ABB等外企主導(dǎo)，自主品牌以中低端為主，多是三軸或四軸機器人，市場認可度不高，生產(chǎn)規(guī)模偏小，企業(yè)盈利能力較差；③情感檢測、精確定位與抓取、圖像與視頻處理、連續(xù)工作的續(xù)航能力、網(wǎng)絡(luò)化人機交互等技術(shù)都未得到很好的解決；④物理安全、功能安全、信息安全等缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和認證規(guī)范，部分企業(yè)技術(shù)不成熟或忽視技術(shù)研發(fā)，以產(chǎn)品組裝為主打，造成產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊和質(zhì)低價廉的惡性循環(huán)。

3.3 服務(wù)機器人的發(fā)展趨勢

結(jié)構(gòu)的模塊化與可重構(gòu)化、功能的多樣化、作業(yè)的柔性化是服務(wù)機器人的技術(shù)發(fā)展方向，技術(shù)的提高有賴于機械、生物、材料、仿生、信息等多學(xué)科的共同發(fā)展，只有涉及到的各學(xué)科技術(shù)都提高了，服務(wù)機器人技術(shù)才將全面提高。服務(wù)機器人正朝著人性化、智能化的方向前進，伴隨著信息技術(shù)、無線傳感技術(shù)及智能處理算法的發(fā)展，服務(wù)機器人將會實現(xiàn)任何地方、任何時間、任何環(huán)境的實時交互、無障礙操作，服務(wù)機器人將會完成互聯(lián)網(wǎng)上豐富資源的自動搜索、查詢和處理，智能化程度將會越來越高。

4 結(jié)論與展望

《中國制造2025》[5]規(guī)劃綱要中將服務(wù)機器人列為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一，提出“突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅(qū)動器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計制造等技術(shù)瓶頸”。服務(wù)機器人作為新一代智能產(chǎn)品，被視作21世紀(jì)高技術(shù)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，攻克精密減速器、伺服啟動器等關(guān)鍵零部件技術(shù)瓶頸，開展服務(wù)機器人生命周期可靠性和制造工藝技術(shù)研究，建設(shè)感知、識別、驅(qū)動、控制和人工智能的新型技術(shù)研發(fā)平臺，關(guān)注服務(wù)機器人在材料、安全和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，任重而道遠。