服务机器人的现状及其发展趋势

----------------------------------------作者简介：嵇鹏程（1975-），男，硕士，助教，主要研究方向：服务机器人。E-mail:[e-mail]服务机器人的现状及其发展趋势嵇鹏程沈惠平（江苏工业学院机械与能源工程学院，江苏常州2130161）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，它具有广阔的发展空间和市场前景。本文介绍了服务机器人的定义和发展前景，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发展方向和研究趋势。关键词：服务机器人；人工智能；多传感器信息融合；智能控制中图法分类号：TP242.6文献标识码：ATheCurrentSituationandDevelopmentTrendofServiceRobotJIPeng-cheng，SHENHui-ping（CollegeofMechanicalandEnergyEngineering，JiangsuPolytechnicUniversity，Changzhou,Jiangsu213016,China）Abstract:Thetechnologyoftheintelligentservicerobotrepresentsanationalhigh-techlevelandthedegreeofautomation,ithasabroaddevelopmentspaceandmarketprospects.Thisarticledescribesthedefinitionanddevelopmentprospectsofservicerobots,analysesthecurrentsituationofservicerobotresearchathomeandabroad,andintroducesthekeytechnologiesinthefieldsofthecurrentservicerobotresearch.Finally,thedirectionofdevelopmentandresearchtrendsofservicerobotinthefutureisshowed.Keywords:servicerobot;artificialintelligence;multi-sensorinformationfusion;intelligentcontrol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[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：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。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①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]。1.3.11.3.1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]。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.1BeautyrobotFig.2Huitongrobot1.3.2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：①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。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)，以用户为中心的机器人开放架构（CenteredRobotOpenArchitecture）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（RobotTechnology）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.3RobotnannyFig.4BeautyrobotHRP-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5～10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)，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。②“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.5RobotAndroidFig.6EveRobot21.3.4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：①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。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)，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.7RobotdoctorFig.8Assistiverobot1.3.5欧洲①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