服务机器人定义、分类、特点及趋势系列介绍.doc

服务机器人定义、分类、特点及趋势系列介绍 一、关于服务机器人的初步定义严格来讲，服务机器人（资讯，视频）并没有国际上普遍认同的定义。如何将其与其他类型设备特别是工业用操纵机器人划定界限仍然存有争议。不过，国际机器人联合会（IFR）给出了一个初步定义。服务机器人是指这样一类机器人，通过半自主或完全自主运作，为人类健康或设备良好状态提供有帮助的服务，但不包含工业性操作。根据这项定义，工业用操纵机器人如果被应用于非制造业，也被认为是服务机器人。服务机器人可能安装，也可能不安装机械手臂，工业机器人也是如此。通常，但并不总是，服务机器人是可移动的。某些情况下，服务机器人包含了一个可移动平台，上面附着一条或数条“手臂”，其操控模式与工业机器人相同。从2007年起，国际标准化组织（ISO）的一个工作小组便着手修订ISO 8373，最终将会给出关于服务机器人的官方正式定义。二、服务机器人行业分类1.护士助手护士助手”是自主式机器人，它不需要有线制导，也不需要事先作计划，一旦编好程序，它随时可以完成以下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、报表及信件，运送药品，运送试验样品及试验结果，在医院内部送邮件及包裹。2.脑外科机器人该脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学、清华大学和海军总院共同研制开发的。1997年5月用该机器人为病人实施了首例开颅手术，到2000年11月已为140多位病人实施了这种手术。2000年11月在北京举办“中美医用机器人临床应用学术交流会”。3.口腔修复机器人这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型，利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形态的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外，发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换装置可调节排牙器。4.进入血管机器人5.智能轮椅机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。6.爬缆索机器人7.户外清洗机器人随着城市的现代化，一座座高楼拔地而起。为了美观，也为了得到更好的采光效果，很多写字楼和宾馆都采用了玻璃幕墙，这就带来了玻璃窗的清洗问题。其实不仅是玻璃窗，其它材料的壁面也需要定期清洗。8.消防机器人常言道水火无情，这其中道出了水火对人类的威胁及人们对水火的无奈。提起火灾，人们会联想起一起起悲剧。据有关部门统计，仅1995年一年我国就发生火灾38000起，死亡2233人，受伤3770人，直接经济损失10.8亿多元。1997年发生火灾14万余起，死亡2722人，伤4930人，造成财产损失15.4亿元。多么触目惊心的数字啊!三、服务机器人的现状及其发展趋势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1。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2。本文对服务机器人技术的研究现状和应用及其未来发展进行了综述。1 国内外的研究现状1.1 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搜集整理，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3，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，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、邮拾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4。1.2 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。1.2.1 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月公佈的最新资料，全球服务型机器人市场概况分述如下：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达到200万台。至 2011年底，全球家务用机器人将会达到460万台，娱乐休闲用机器人将会达到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达到150亿美元，同时，将出现多种类型的个人机器人。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。1.2.2 专家预测 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。”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。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。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，承担越来越多的工作5。1.3 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6。1.3.1 1.3.1 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高科技发展规划中，从1986年至2009年的20多年中，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发展奠定了基础7。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。由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、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)，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，功能达到了国际先进水平，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2 “汇童”机器人Fig.1 Beauty robot Fig.2 Huitongrobot1.3.2 日本 日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，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”的氛围，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担劳力的工作，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：日本发明出人形的个性机器人保姆“ar”(如图3)，不仅会洗衣，打扫卫生，还会收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”演示了打开洗衣机盖，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。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)，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“OpenHRP3”、语音识别技术以及产综研开发的人形机器人“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-4CFig.3 Robot nanny Fig.4 Beauty robot HRP-4C1.3.3 韩国 韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的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发展，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，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)，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。“夏娃机器人2号”(如图6)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Fig.5 Robot Android Fig.6 Eve Robot 21.3.4 美国 美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人发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，适应性也很强。例如：专治中风的机器人医生(如图7)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。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)，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Fig. 7 Robot doctor Fig.8 Assistive robot1.3.5 欧洲 德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的,因为战争，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发展。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-O-Bot3(如图9)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避免误伤主人;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。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，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较重视机器人技术，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)，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Care-O-Bot3图10 机器人NAOFig.9 Robot Care-O-Bot3 Fig.10 Robot NAO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发展的政策和措施，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)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。俄罗斯由于没有国家发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发展以科研和实验为主，以储备技术，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，俄罗斯将重点发展检查类机器人和室内外清扫和清洁机器人 8。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)，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12 “阿涅亚”机器人Fig.11 Break dance robot Fig.12 Anieyarobot2 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:2.1 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信息依据某种优化准则组合起来，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9。2.2 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10。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11-12，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13，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，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。2.3 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14。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Fig.13 Navigation and positioning systems for service robot2.4 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：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，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优15。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已知或未知情况下均已取得一定的研究成果16。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，以基于模糊规则的模糊神经网络，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。图14 服务机器人模糊神经网络图Fig.14 Chart of fuzzy neural network for service robot3 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发展。3.1 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)，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)，如果人设想使用左手的动作，脑波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。Fig.15 Fake arm controlled with the power of the thoughtFig. 16 Robot controlled with the idea3.2 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发展，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：英国科学家研发出首名“机器人科学家”(如图17)，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。英国的一种具有语言学习能力的类人型机器人(如图18)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18机器人iCubFig.17 Robot scientist Fig.18 Robot iCub3.3 传感器技术的发展未来机器人传感器技术的研究，除不断改善传感器的精度和可靠性外，对传感信息的高速处理、自适应多传感器融合和完善的静、动态标定测试技术也将成为机器人传感器研究和发展的关键技术。未来机器人传感器研究包括多智能传感器技术、网络传感器技术、虚拟传感器技术和临场感技术17。3.4服务机器人的人性化技术进步将允许在未来几年克服当前这些技术(开放空间的导航、学习能力和智力行为、多传感器融合和允许对所有不同类型任务进行高效处理的处理器等)的限制，设计和使用功能日益强大的机器人，集成技术将允许超越由于材料、技术等形成的目前限制边缘，日本专家预测，在2013年到2027年之间，智能机器人系统的发展将允许机器人会保留和重复使用以前已获得的技能和技术，如表1所示，人和机器人的交流将变得更加的简单化了184 结论随着服务机器人技术不断发展和开发成本的不断下降，服务机器人将会走进千家万户，将成为人们生活、工作和学习上的好帮手，相信这一天将很快到来的。表1 日本专家对服务机器人技术的预测Tab.1 Japanese experts predicted the technology of service robot时间 事件2013年 智能系统的发展能够将在与流程、技能、知识和经验相关的人类决