服务机器人概况

1、服务机器人概况(黑龙江大学电子工程学院自动化 哈尔滨150080)摘要：智能服务机器人技术代表一个国家高科技水平和自动化程度，它具有广阔的开展空间和市场前景。 本文介绍了服务机器人的定义和开展前景，分析了国内外服务机器人的研究现状，并阐述了当前服务机器 人研究领域的关键技术，最后展示服务机器人的未来开展方向和研究趋势。关键词：服务；机器人；人工智能；多传感器信息融合；智能；控制A PROFILE OF SERVICE ROBOTS(Automation Department, Institute of electronic Encgineering, Heilongjiang Universi

2、ty, Harbin 150080, China)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 prospects. This article describes the definition and development prospects of service robots, analyses th

3、e current situation of service robot research at home and abroad, and introduces the key technologies in the fields of the current service robot research.Finally ,the direction of development and research trends of service robot in the future is showed.Keywords： service ; robot;artificial intelligen

4、ce; multi-sensor information fusion;intelligent ; control1引言机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动 化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的成功。进入二十一世纪，人们已 经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄 化越来越严重，更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结 构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有 更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方

5、面服务 机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业，使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和 危险的生产作业中解放出来。本文对服务机器人技术的研究现状和应用及其未来开展进行了 综述。2国内外的研究现状服务机器人的定义服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同 国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的整理，给了服务机器人一 个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康 的服务工作，即除了手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外，参考文献:1Antonio Lopez Pelaez, Dimitri

6、s. uRobots, genes and bytes technology development and social changes towards the year 2020J. Technological Forecasting & Social Change, 2008, (75) ： 1176-1201.张毅，罗元，郑太雄.移动机器人技术及其应用M.北京：电子工业出版社，2007.金周英.关于我国智能机器人开展的几点思考J.机器人技术与应用，2001, (4) ： 5-7.4孟庆春，齐勇，张淑军.智能机器人及其开展J.中国海洋大学学报，2004, 34 (5) ： 831-838

7、.5魏育成.智能服务型机器人的视觉人机交互与导航D.中国科学院自动化研究所，2004.也包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、 排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮品分类拾取和送信机器人以及加油 机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、 家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难。服务机器人的市场现状和前景服务型机器人可进一步区分为个人和家用机器人与专业服务型机器人。市场调研与预测根据国际机器人联盟（IFR）统计部门于2008年10月公怖的最新资料，全球服务型机 器人市场概况分

8、述如下：1个人和家用服务型机器人：至2007年底，个人和家用服务型机 器人累计装置量已超过340万台，娱乐休闲用机器人已到达200万台。至2011年底，全球 家务用机器人将会到达460万台，娱乐休闲用机器人将会到达735万台，合计约1200多万 台，未来四年服务机器人市场总值合计约57亿美元，到2015年，全球个人和家庭机器人市 场的规模预计将到达150亿美元，同时，将出现多种类型的个人机器人。2专业服务型机器 人：至2007年底，全球已有4. 9万台的使用数量，预计到2011年底，将增加5. 4万台专业 服务型机器人，总价值约91. 2亿美元，其中农林矿牧用机器人最多，共将有1. 9万台，防

9、 御救灾与保全机器人预计将有1. 56万台销售量，专业清洁机器人亦约有4000台销售量，医 疗用机器人约达3420台，多用途机器人移动平台约2375台，水底作业系统预估将有超过 925台销售量。专家预测I中国机器人专家、工程院院士徐扬生教授说：“只要10年时间，机器人将在世界范 围内，普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场，预计将比现在的汽车市场还 要大。” 2韩国科学家预测：到2015年至2020年，每个韩国家庭将拥有一个机器人。3日 本专家估计：到2020年日本将有25%的人口年龄超过65岁，护理型机器人将供不应求。4德 国科学家预计：将在未来的几十年间，家庭生活中将出现的最大变

10、化就是机器人的普及，家 庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来越重要的角色，承当越来越多的工作。国内外的研究现状从二十世纪八十年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境一 医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同 协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人，特别是最近几年，对会清洁地面、 割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步，大家都有目共睹。中国中国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视，1986年3月才开始把研究、 开发智能机器人的内容已列入国家863高科技开展规划中，从1986年至2009年的20多

11、年 中，智能机器人主题在863的旗帜下，团结了近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务, 建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国21世纪机 器人技术的持续创新开展奠定了基础。1如图1所示，这是我国首台具有国际一流语音交互 水平和复杂动作及智能运动控制水平的“美女机器人”，这款“美女机器人”具有仿真的美 女外形，服装和发型可以根据应用场合更换。她能够根据工作人员说出的指令，马上完成相 应的动作，她能够讲英语、四川方言和唱歌、讲笑话，可以与游客进行语音聊天和知识问答, 在移动行走时，她能自动识别途中碰到的障碍物，并做语音提示。2由北京理工大学牵头、 中科院沈阳自动化

12、所、兵器工业集团惠丰机械、中科院自动化所等单位参加，通过 三年的奋斗，研制的“汇童”仿人机器人，如图2所示，取得了重大成果，“汇童”仿人机 器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人，功能到达了 国际先进水平，研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复 杂动作。目前，我国服务机器人研究技术已跨入世界先进行列，但与日本、美国等国家的技术相 比还是有差距的，我国科技工作者正在努力向前，热切地期盼着我们自己水平更高的、功能 更强的服务型机器人与大家见面。图1美女机器人图1美女机器人图2 “汇童”机器人日本日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，

13、而且日本根据目前机器人产业面 临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以 领先世界，一方面和他们的机器人文化也有关，在日本，有一种“让机器人成为人”的气氛, 在日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承当劳力的工作，因此培 养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以 投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在2006年至2010年间，每年投 入1000万美元用于研发服务机器人。日本服务机器人技术的成果例举如下：1日本创造出 人形的个性机器人保姆“ar”，如图3所示，不仅会洗衣，清扫卫生，还会收

14、拾餐具等诸多 家务杂活，它依靠车轮移动，共搭载有5台照相机以便确认家具的位置。在公开展示活动中, “ar”演示了翻开洗衣机盖，将需要清洗的衣物放入洗衣机，用托盘端着餐具送到厨房和拖 地等工作。2由日本产业技术综合研究所智能系统研究部门仿人研究小组研制的美女机器人 HRP-4C,如图4所示，以用户为中心的机器人开放架构(Centered Robot Open Architecture) 开发而成，该架构采用产综研一直在研发的实时Linux、机器人使用的“RT ( Robot Technology)中间件”、可进行机器人仿真的软件“0penHRP3”、语音识别技术以及由日本产 业技术综合研究所智能

15、系统研究部门开发的人形机器人“HRP系列”所采用的双足行走技术 等。图3机器人保姆图4美女机器人HRP-4C韩国韩国将服务机器人技术列为未来国家开展的10大“发动机”产业，他们已经把服务型 机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重开展，对机器人技术给予了重点扶持，通过 不断地努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示, 虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚，但是有望在未来510年内 迎头赶上，1韩国科学家成功研制出世界上最聪明的类人机器人Android”，如图5所示， 它集众多前沿科技在一身，包括实时数据传输、音像和力觉感应器、高速处理器等，通

16、过它 身上装备的音像及力觉感应器可以探测前方物体的运动，能够识别说话声，然后向服务器发 送数据，服务器将数据处理后会下达指令给机器人，帮助它与人类以及周围环境进行互动。 2“夏娃机器人2号”，如图6所示，是韩国科学家最新研制的一款娱乐型机器人，这位“女 性”机器人不仅能和观众进行对话，还能和人进行眼神接触，并会表达各种情绪和唱歌，唱 歌时能对上口形和随着歌曲扭动手臂、臀部和膝盖。图5机器人Android图6夏娃机器人2号美国美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人开展史上走过一条重视理论研究，忽视应 用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、 先进，适应性

17、也很强。例如：1专治中风的机器人医生，如图7所示，将在密歇根州圣约瑟 夫默西奥克兰医院率先上岗，这种机器人头部是一个显示屏，能显示网络另一端医生的形象 和声音，显示屏上方安装了一个摄像头，可以把医院现场的图像和声音传回给医生，有了这 种机器人，医生在任何地方只要利用一台笔记本电脑和互联网，就可以远程遥控机器人为病 人提供治疗服务。2美国军方为战争中下半身受伤而不能行走的士兵设计出了一款新型助残 机器人，如图8所示，它可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来，以便更好的感知用户臀部 或其他位置的运动，从而提供更加灵敏的操控。图7机器人医生图8助残机器人欧洲1德国的社会环境却是有利于机器人工业开展的，因

18、为战争，导致劳动力短缺，以及国 民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了 70年代中后期，政府采用行政手段 为机器人的推广开辟道路,即对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代 替普通人的劳动，这个计划推动了服务机器人技术的开展。德国经过近十年的努力，其服务 机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位：新一代机器人保姆Care-0-Bot3, 如图9所示，遍布全身的不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像 头，让它既能识别生活用品也能防止误伤主人；它还具有声控或手势控制有自我学习能力， 还能听懂语音命令和看懂手势命令。2法国不仅在机器人拥有量上居于世

19、界前列，而且在机 器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平，这主要归功于法国政府一开始就比拟重视机 器人技术，大力支持服务机器人研究计划，并且建立起一个完整的科学技术体系，特别是把 重点放在开展机器人的应用研究上。这款名为NAO的两台双足智能机器人，如图10所示， 是法国阿德巴兰机器人公司研制的，它具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和25个灵活的关 节,能执行多种动作指令。图9机器人Carc-O-Bot3图10机器人NAO3从70年代末开始，英国政府推行并实施了一系列支持机器人开展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国

20、机器人开始了在生产和服务领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。譬如：英国机器人研究公司（RM）开发的霹雳舞机器人MechRC,如图11所示，既能在课堂上大显身手，会帮助孩子们学数学、几何、物理、设计和工程学，又能跳舞，因为这个机器人身上有着多个灵活的关节，通过计算机设定好的程序，就能做出各种人类的舞蹈动作。4俄罗斯由于没有国家开展服务机器人的统一规划，有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的开展以科研和实验为主，以储藏技术，便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人，当前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化程度较低，需要不断地增加功能、完善技术和提高质量。今后，俄罗斯将重点开展检查

21、类机器人和室内外清扫和清洁机器人。近几年来，俄罗斯服务机器人技术上也取得可喜的成绩：俄罗斯首次研制的人形机器人“阿涅亚”利用了 “新纪元”公司许多独特的研究，如图12所示，这款机器人机械结构和程序保障系统十分先进，它们能用双脚行走，能与人对话。图11霹雳舞机器人图11霹雳舞机器人图12 “阿涅亚”机器人3服务机器人的关键技术服务机器人技术在本质上与所有其它类型的机器人是相似的，其主要技术包括:环境感知传感器和信号处理方法多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多 个传感资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时 间上的互补与冗余

22、信息依据某种优化准那么组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述, 多传感器信息融合技术按照数据的抽象层次分类可分为数据层融合、特征层融合和决策层融 合三种。智能控制智能控制主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等，且逐渐成为成熟的控制思想。模 糊控制源于模糊数学，或称弗晰数学，是研究如何表现和处理模糊性现象的一个数学分支, 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。人 工神经网络控制，从生物学的观点来看，神经网络的功能为信息处理和推理、联想和思维等 高级的思想活动，而人工神经网络控制是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能 的一种技术系统，它是一种大规

23、模并行的非线性动力学系统。导航与定位在服务机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。 把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合用于服务机器人的导航定位系统，如图13 所示。图13服务机器人导航定位系统图13服务机器人导航定位系统超声传感器-为仃机构控制t F任务st路径规划路径规划就是指在服务机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法：1传统路径规划方法主要有 以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法，在这几种方法中，人工势场 法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模

24、型进行路径规划，但是没有考 察路径是否最优。2智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方 法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的 需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法、Q学习及混合算法等， 这些方法在障碍物环境或未知情况下均已取得一定的研究成果。把模糊控制和人工神经 网络控制相融合，形成的模糊神经网络控制用于服务机器人的避障，以BP网络作为机体， 以基于模糊规那么的模糊神经网络，采用CCD摄像机和多个超声波测距传感器，对服务机器人 能够避障进行控制，如图14所示。厂子神经网络，模糊规那么库， 超声传感器“图14

25、服务机器人模糊神经网络图4服务机器人的未来展望服务机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果，未来智能机器人技术将沿着自主性、智 能通信和适应性三个方向开展。人与机器人的融合美国科学家正在研制的独特机械控制假手臂，如图15所示，可以通过“思维力”进行 控制。当患者需要借助于机械手完成某种动作时，他只要简单地想要做什么即可，大脑发出 的信号会刺激肌肉，相应的电脉冲会被电极记录，随后信号会转变成控制机械手臂的指令可 以完成各种复杂动作，其中包括拿住物体，它不仅能恢复患者的动作效能，而且能感受到触 觉。据日本媒体报道，新开发的装置由头盔状的传感器及测量记录器构成，如图16所示， 如果人设想使用左手的动作，

26、脑涉及脑血流的变化便会参照事先存储的数据，使机器人举起 左手，该技术今后有可能运用于家务机器人，帮助人们从事端菜、给植物浇水等家务和肢体 残疾或瘫痪人士。图15思维力控制假手臂图16意念控制机器人人工智能技术的全面应用各种机器学习算法的出现推动了人工智能的开展，强化学习、蚁群算法、免疫算法等可 以用到服务机器人系统中，使其具有类似人的学习能力，以适应日益复杂的、不确定和非结 构化的环境。例如：1英国科学家研发出首名“机器人科学家”，如图17所示，这款机器人 能独立推理、把理论公式化乃至探索科学知识，堪称人工智能领域一大突破。“机器人科学 家”将来可以投身于解开生物学谜题、研发新药、了解宇宙等研究领域。2英国的一种具有 语言学习能力的类人型机器人，如图18所示，即将问世，研究者的目标是：机器人将来能 够对语言进行自我学习，以及在社会化环境中向他人学习，并且把这种语言能力转化为自主 化学习和处理问题的能力，并且与周围环境互动，将来有可能使机器人掌握更多的自主性能 力。图17机器人科学家图17机器人科学家图18机器人iCub传感器技术的开展未来机器人传感器技术的研究，除不断改