物聯網技術背景下服務機器人應用與開發

翟 慧，孫鵬濤

（1.上海電子信息職業技術學院，上海 200240；2.上海信息技術學校，上海 201411）

0 引 言

物聯網技術是國際電信聯盟（ITU）于2005年首次正式提出的概念，物聯網（Internet of Things，IoT）即“萬物相連的互聯網”，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，實現在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。隨著網絡技術和智能手機的普及覆蓋，物聯網技術已經從研發階段逐漸走向人們的日常生活，如今用手機監控家中的實時狀況、開啟空調或者監控私家汽車的實時狀態已經不再是科幻電影中的情景[1]。

原有單一功能的掃地機器人、烹飪機器人、陪讀機器人已無法滿足消費者的需求和心理預期，服務機器人需要在網絡化、智能化等方面進行技術提升，才能滿足行業痛點。

1 服務機器人技術發展現狀

服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，能完成與人類衣食住行相關的服務工作。具備感知、決策、執行3個能力是服務機器人的主要特征。服務機器人本身是一個復雜的系統。

當前服務機器人市場已有的產品，根據不同的功能，對以上技術進行了融合實現。受到硬件、軟件、研發成本方面的限制，技術提升的難度會成指數增長。兼具物理信息和數據通信功能的物聯網技術，自然而然成為解決這一難題的研究方向。兩項技術的融合能有效突破各自技術的瓶頸，實現優勢互補。首先，具有數據采集、網絡傳輸、終端應用構成的物聯網能給服務機器人提供準確實時的全局感知定位，形成立體化的路徑規劃和實時位置修正，彌補了服務機器人感知范圍小、計算能力差的自身缺陷。其次，5G網絡的推廣，可以通過固定的計算終端實時傳輸云計算數據，給服務機器人裝上真正的大腦，讓服務機器人真正兼具人工智能。最后，利用網絡通信和移動終端，服務機器人可以真正實現多機協作和人機交互等功能，讓人與機器人、機器人與機器人實現無縫對接。傳統服務機器人和具有物聯網技術的服務機器人對比情況見表1。可以直觀地看到，通過物聯網技術的網絡支撐，服務機器人將在產品性能、使用成本以及用戶體驗等方面實現質的飛越。

2 物聯網服務機器人系統

以家庭環境下物聯網服務機器人系統為例，遍布房間的傳感設備實現對房間中人和物體的位置、形狀、動作進行精確捕捉，并將相關信息傳輸給服務機器人。通過集成的高速計算機運算分析，協調服務機器人實現對房間中所有終端設備的控制，主動或協同完成人類的服務需求。圖1是一個典型的家庭場景下物聯網服務機器人系統示意圖。家庭物聯網系統中，溫度、光電、氣體等傳感器監控室內環境狀態，感知的信息會通過無線網絡傳輸給家庭控制計算主機終端，由主機終端進行運算決策，并將指令傳輸給服務機器人和其他執行器做出反應，執行打開空調、關上窗簾、調低電視音量等服務。

表1 服務機器人技術對比分析

圖1 家庭場景下物聯網服務機器人系統示意圖

根據以上設計方式和研究思路，未來服務機器人不應再固化于電影、電視中可以移動跟隨人完成簡單任務，而是通過物聯網技術控制終端設備實現全程服務。因此，有必要探討未來服務機器人應用和開發的方向。

3 物聯網技術背景下服務機器人開發與應用方向

3.1 人工智能技術的有機結合

人工智能（Artificial Intelligence，AI）本質是對人的意識、思維的信息過程的模擬。基礎層的云計算、大數據等因素逐漸發展成熟，催化了人工智能的進步。從技術層來看，當前的各類人工智能算法主要是利用深度神經網絡等算法來模擬人腦的思考方式，應用范圍主要包括語音識別、圖像識別、語義理解、預測規劃和智能控制等。從應用層來看，機器人是人工智能應用于多樣化領域的重要載體。當前，人工智能技術更多助力于制造業中自動化與柔性化生產的推行。長期來看，面對遠比當前工業生產復雜的環境，服務機器人對人工智能技術的要求更高、更全面，市場空間更大。由于服務機器人需要在復雜多變、不確定或不受控制的環境下自主運行，必須具備對周遭環境和事物高效的識別、感知、理解、判斷及行動能力。隨著深度學習算法以及計算機視覺、機器學習、智能語音等多種智能算法的應用，服務機器人的機器視覺、人機交互能力以及基于大數據的機器學習能力等方面的人工智能水平呈現質的飛躍。當前，物聯網與服務機器人的結合主要是發揮兩個技術的優勢所在，如導航定位、跟蹤尋跡、多數據采集等。事實上，人們對服務機器人的需求絕對不僅僅是根據語言指令去完成某些特定功能的“機器狗”，而是具有自主學習能力和宜人化特點。這就要求物聯網服務機器人系統由“感知”功能進一步升級到“認知”功能，甚至具有“人格化”特征。而單純依靠機器人本體的程序運算和硬件升級很難達到這一預期，只有依靠人工智能技術才可能突破當前的技術瓶頸。

3.2 普適機器人系統應用開發

普適機器人系統的應用開發是從普適計算的角度出發，將智能、行為、感知等功能分別設置在軟件機器人、嵌入機器人、移動機器人中，借助物聯網技術構成一個有機系統。這樣的普適機器人系統更適應商場、醫院、家庭等室內服務功能。目前，普適機器人系統主要側重在運用感知技術提升服務質量。普適機器人強大的普適計算和云計算能力可以將其感知和計算獲得的知識通過物聯網共享到云端，并進行語言感知和推理執行，使機器人提供更加豐富智能的服務。

應用層面，運用普適機器人實現的圖書管理機器人系統，可以準確定義圖書和書架的具體位置和圖書信息管理。普適機器人系統基于傳感器和終端執行機構可以實現食材的選擇和制作，以構成普適機器人廚房[2]。

3.3 服務機器人細分功能的應用

未來的服務機器人市場需求會更加豐富多樣，由于受到數據采集、運算執行、通信傳輸等技術的限制，不可能研究出一款服務機器人產品符合家用、醫療、商務等所有場合。因此，未來的服務機器人技術開發應在物聯網技術的支持下，注重細分市場的產品開發。例如，Google公司開發的無人車智能機器人系統，通過網絡數據傳輸的快速響應，實現復雜路況的無人駕駛；養老助老市場中的智能用藥服務機器人，有別于普通的居家功能服務機器人，通過大數據采集和物聯網終端，可以監控老人的身體狀況、用藥情況、醫院的病例情況及后續的治療方案，切實解決老年人用錯藥物、忘記用藥、藥量錯誤等問題[3]。這些細分的服務機器人市場無疑將成為未來服務機器人發展的主流。

4 結 論

物聯網技術背景下的服務機器人系統，改變了原有單一的服務機器人一元發展的固有模式，為服務機器人的全面普及提供了可行的技術支持。這一新興的、革命性的研究方向充滿了挑戰和機遇，對于促進我國機器人產業快速發展，實現“彎道超車”有著重要的歷史意義。

同時，物聯網服務機器人系統并不可能是簡單的物聯網與機器人的疊加，其中很多技術問題需要不斷完善，如物聯網機器人系統的整體框架研究、物聯網服務機器人復雜任務的規劃和實現、物聯網服務機器人系統標準的制定、物聯網服務機器人認知能力的研究等一系列問題。這需要人工智能技術、網絡通信技術、芯片研發技術等多方面取得突破。當前，我國正處在改革深入發展的關鍵時期，快節奏的生活模式和社會老齡化日趨嚴重已成為城市化發展亟待解決的突出問題。加快產業轉型發展，提升核心技術競爭力，讓服務機器人走進千家萬戶，必將會對提高人們生活質量、改善人們生活條件、推進產業快速發展產生深遠的影響。希望隨著我國對各項高端技術的突破，物聯網服務機器人系統的各項技術難題將會被逐一解決。