家政服务机器人技术的发展与应用

1、家政服务机器人技术的发展与应用 作者：郭芙琴 来源：科技创新导报 2012 年第 24 期郭芙琴( 延安职业技术学院 陕西延安 716000)摘 要 : 本文简要回顾国内外对服务机器人的研究与发展现状。分析介绍一些上门服务机器 人的通用技术、关键技术及辅助技术。主要概述机器人移动平台技术、模块化设计、智能化等 , 以及对家政服务机器人的展望。关键词 : 家庭服务机器人 通用技术 关键技术 智能化中图分类号 :F723.84 文献标识码 :A 文章编号 :1674-098X(2012)08(c)-0024-021 引言随着现代服务业和通讯技术的发展 , 家政服务机器人面对科学技术和教育、文化娱乐

2、、国内 的经济服务、医疗等问题 , 是一个逐渐成长的新领域 ,是第三代智能机器人的典型代表 , 具有巨大 的市场前景。家庭服务机器人在许多国家已经研究完成使用 ,在中国 ,从 2005 年已经发展纷纷。 目前, 服务机器人还没有统一的定义,在我国主要指用于完成对人类福利和设备有用的服务(制造操作除外 )的自主或半自主的机器人 ,主要包括 : 清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及 康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、救灾机器人、酒店售货及餐 厅服务机器人等。能够替代人完成家政服务工作的机器人, 它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置

3、、交互装置等。所谓感知装置将在家庭居住环境内感知到的信 息传送给控制装置 , 控制装置指令执行装置作出响应 , 并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、 物品搬运、家电控制 , 以及家庭娱乐、病况监测、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。2 国内外研究的现状与发展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 , 如医 院、办公室、家庭及其杂乱的环境 , 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。特别是近几年, 机器人技术的发展速度很快。(1) 在中国 , 服务机器人的研究还没有形成系统 , 还处于相对落后状态。

4、至 2005 年底哈尔滨 工业大学才研制出一种能看家护院、自动清扫、操持家务, 智能相当于七八岁孩子的家政服务机器人。机器人项目负责人洪炳熔教授介绍 , 这款家政服务机器人是机器人足球技术的具体应用。 它全身将装设超声波、各种传感器及保护装置 , 通过这些设备 , 机器人自己可以测距离、识别障 碍物，不会碰撞家具和人。他的身体主要是由PC机组成，所有的“智慧”都囊括其中。机器人身上还将装有摄像系统充当“眼睛” , 拾音器和扬声器则帮助他识别声音并开口与人交谈, 通过安装轮子 , 使机器人行进运动自如灵活。目前,哈工大新研制出的备受全校师生员工瞩目的机器人舞蹈亮相于2012年央视龙年春节联欢晚会

5、 , 成为央视春晚舞台上一道独特的风景。伴随着速度变化激烈的勃拉姆斯钢琴曲, 机器人们连续展现岀或明快、或高难、或激昂、或热烈欢快的舞蹈动作，体现岀了不同的情趣深圳将在 2015 年推广家庭服务机器人。深圳市科学技术发展“十二五”规划提出要转 化和产业化服务机器人技术成果。争取 2013 年前制定完成服务机器人的行业标准 , 使深圳成为 我国服务机器人主要生产基地 , 服务机器人产业成为新的经济增长点。在中国 , 随着中国人口呈 现老龄化的趋势 ,以及居民在消费上支出的增加 ,在未来的十年之内 , 服务机器人在中国的需求也 会有明显的增长。(2) 日本将机器人作为一种战略产业。日本爱知世博会曾

6、举办了“机器人专题展” ,65 种机 器人与观众见面。有伴舞机器人、机器人播音员、机器人骑手、可进肚检查肠胃病机器人、 “味觉”机器人等新型服务机器人 , 为人们展示了服务机器人广泛的应用和广阔的发展前景。如 日本松下电器公司研制出的一种能帮助人们提重物的机器人。鉴于日本人老龄化速度的加快 , 科 研人员对此类家政服务机器人的销路持乐观的态度。还有日本东京大学研制的“ HRP- 2”机器人在该大学内演示向人提供茶水服务。这种机器人是专门用来做日常家庭服务的。(3) 德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的 , 由于战争 , 导致劳动力短缺及国民技术水 平高等原因 ,对一些特出职业 (包括保姆

7、)都可用机器人来替代。如德国研制的新型独臂机器人 , 可提供家政服务。它的身高仅 1.45 米, 其设计用于帮助人们处理一些家庭琐碎杂事, 这款学习能力很快的家庭助手机器人是由德国斯图加特市弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所(IPA) 研制而成的。科学家们在机器人上安装了众多传感器 , 立体视觉色彩摄像仪、激光扫仪、3D 摄像仪能够确保家政机器人实时地将周围环境以三维视觉形式呈现。如果某个人进入它的手臂半径范围 内,它将会停止下来 ,避免与某人发生碰撞。此外, 它还能以任何方位移动。(4) 韩国已将服务机器人技术列为未来国家发展的十大“发动机”产业。韩国科学技术研究所日前研究岀了一个名为“ Ma

8、hru - Z”的智能机器人女仆，。Mahru-Z有1.3米高、55公斤重，她 的头部可以转动 ,并有 6根手指和三维视觉功能 ,这让它能分辨人和不同的家务任务。她能帮助 主人打扫房子、将衣服倾倒进洗衣机、用微波炉加热食物等。据悉, 韩国科学技术研究所用了两年时间才完成这项研究。 Mahru-Z 正在烤三明治。(5) 美国是机器人的发源地 , 尽管走过了一条重理论、轻开发应用的曲折道路 , 但美国机器人 的技术在国际上却一直处于领先地位。例如 , 研制岀的专治重风的机器人医生 , 将在比歇根州圣 约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗。这种机器人头是一个显示屏, 可以把医院现场的图像和声音通过互联网传回

9、给医生 , 医生可在不同地点遥控机器人给病人治疗。还有美国军方为战争中下半身 受伤不能行走的士兵设计岀一款新型助残机器人 , 他可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来 , 以 便更好的感知髌部或其他位置的运动 , 从而提供更加灵敏的操控。在机器人研究非常发达的国家 , 例如德国、日本和韩国 , 服务机器人研究大多是企业岀面进 行研究的 , 将研究与产业发展、市场需求非常好的结合起来 , 使研究服务于企业 , 企业促使研究发 展, 形成一个良性循环。因此这些国家服务器人的产业化, 已经取得了非常好的成果。3 家政服务机器人的共性技术基于同样的房间环境和服务对象 ,家庭服务机器人有一些关键的通用技术,

10、比如,机器人的移动平台技术、机制和驱动器技术、传感器技术、人机交互技术, 机器人在房间的定位和导航 , 智能化及机器人技术标准化等。其中机器人的移动平台技术可以延长模块化设计技术、可重构机 器人技术、运动控制技术 , 机器人远程控制和监测技术、家用机器人智能化、技术标准化。因此 它是非常重要的产业。3.1 模块化和可重构设计技术上门服务机器人有很广泛的应用前景。模块化和可重构设计唯一的方法是机器人产业化。 他们解决了一个服务机器人能否适合多用途和应用的问题。可重构模块机器人系统可以满足机器人灵活的市场需求。它由一些模块化关节、模块连杆、模块化终端、模块化驱动器 , 模块化控 制系统、模块化通信

11、设施等组成。这些模块对象可以组合成一些能应付新情况的机器人。3.2 移动平台技术一般服务机器人都有移动平台 ,如轮式 ,履带式,人形以及拥有复杂结构和多单元的机器人。 家庭服务机器人一般采用轮式或人形机器人 , 适合家庭的地形和追踪。比如 , 一个家庭护理机器 人, 追踪结构不符合家的地形 , 轮子的结构有易打滑的缺点。如设计成的移动平台 , 即两个驱动轮 和一个导向轮。移动原理采用三轮式结构和机理两轮独立驱动模型 , 两个驱动轮子被两个伺服电 机独立。这样 ,机器人的运动方向由不同的速度值来控制 , 移动平台能够满足使用需求和机器人 视觉系统。4 移动机器人的关键技术目前,在机器人学术界中

12、, 对仿人形机器人的研究最为活跃 ,并且对仿人机器人的开发实现了许多人类的功能。为了满足复杂的运动和操纵, 人形机器人需要成熟的身体设计 ,同时 ,机器人学研究人员开展了一些实验 , 使得机器人在搬运物品时能够全身协调并且稳定运行。两足步行机器 人的研究焦点在于使其稳定而快速的双腿走路, 不同的是 , 对移动机器人的研究主要集中在控制与操纵上 , 目的是识别阻抗控制的原则和实现基本功能。日本的大多数工程项目都是研究仿人形移动机器人 , 早稻田大学是该项技术的领导团体。随 着对先进的人类科学和工程的研究发展 ,早稻田大学在 1995年和 1997年已经发展出了以 Hadaly-1 和 Hadal

13、y-2 为原型的移动人形机器人。 Hadaly-1 能够结合视听信息实现与人类的信 息互动 , 声音对话 , 使用机械手并进行运动和姿态转换。随着 Hadaly-1 物理交互作用能力的改 进,Hadaly-2 可以携带起满足经营者需求的物品。温迪，开发于1998年，具有物理扩展能力，能够实现信息和心理互动 , 并且可以在人类的生活空间进行日常工作。温迪最基本的特性的是服从 性、敏捷性和灵活性 , 那是因为该类机器人必须确保主人的安全。不但要行动敏捷, 而且要有很好的流动性 , 使得仿人形机器人能在人类的日常环境与人类很好地合作。5 结语服务机器人将快速进入家庭 , 它们的主要通用技术深刻影响产

14、业上门服务机器人的快速发展 需求, 并能进一步促进行业之发展家政服务机器人。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。日本专家对服务机器 人技术的预测 :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策方面帮助人 类作出决定。2014 年, 在人机界面的实际使用中 , 设置在人机界面中带有对话与理解功能的虚拟用户 , 可 通过与人类的对话帮助信息处理、设备执行任务或程序。2023 年, 随着与生物体隔膜相似功能的人工载的发展 , 人脑可以通过计算机控制电机的技术 使得对假装进行直接和自主控制而不依赖于脊柱或周围神