（日本）加賀谷豐明 著

張煒 編譯

強化信息通信技術(shù)和機器人技術(shù)融合

（日本）加賀谷豐明 著

張煒 編譯

隨著M2M（Machine to Machine）和傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，與云計算協(xié)同工作的機器人創(chuàng)造新附加價值的時代已經(jīng)來臨。對此，本文通過介紹一些開放系統(tǒng)和研發(fā)活動，以驗證實現(xiàn)信息通信技術(shù)和機器人融合的戰(zhàn)略。

1 機器人的定義

在日本，“機器人”一般指的是工業(yè)機器人或人形機器人。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省機器人政策研究會把“機器人”廣義地定義為“具有傳感器、智能控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三種技術(shù)要素的機械裝備”，也就是“機器人是一種智能化的機械系統(tǒng)”①。然而，近年隨著機器人技術(shù)的應用領(lǐng)域不斷擴大，業(yè)界對上述定義的解釋也在發(fā)生變化。

本文探討的機器人，不僅僅指的是機器人本體，而是把它看成為利用機器人本體和機器人技術(shù)組成的機器人集成系統(tǒng)。而且，這里所研究的機器人也不是采用獨立的計算機控制進行作業(yè)的機器人，而是包括通過與云計算中的資源和服務協(xié)作，在整個智能化空間里有效、安全地作業(yè)的機器人，同時，機器人也是在整個智能化空間中行動并提供服務。

2 機器人技術(shù)的環(huán)境

近年來，信息通信技術(shù)（ICT）的迅速發(fā)展加快了智能電網(wǎng)和智能城市的建設（圖1）。由于傳感器網(wǎng)絡和智能空間的擴大，和網(wǎng)絡連接的機器人的應用領(lǐng)域也在不斷地擴大。

圖1 智能空間和機器人應用領(lǐng)域

不斷涌現(xiàn)的M2M和傳感器網(wǎng)絡等新的信息基礎設施和解決方案，形成了機器人協(xié)作的良好環(huán)境，大大促進了信息通信技術(shù)和機器人技術(shù)的融合，使得機器人能夠?qū)ι鐣褪袌鎏峁└嗟姆铡?/p>

例如，機器人通過傳感器網(wǎng)絡獲取外部信息，成為能夠進行更有效、更安全移動的智能化移動機器人；或者機器人從大數(shù)據(jù)中獲取具有更高附加價值的信息，反饋給現(xiàn)實世界；或者機器人根據(jù)從云計算中收集到的大數(shù)據(jù)信息，自動決策自己的行動等。

3 從M2M到M2M2A

M2M指的是通過網(wǎng)絡連接起來的機械設備（Machine）之間可以不需要人的介入就能相互交流信息，以形成最佳自動控制的系統(tǒng)，機器人實際上也是其中重要的機械設備之一。

將來，傳感器技術(shù)和機器人技術(shù)融合，使傳感器的可視化信息和服務協(xié)同起來，除了M2M，還可以將結(jié)果傳送給執(zhí)行操作（Actuate-Action）的機器人，形成現(xiàn)實和虛擬融合的M2M2A解決方案（圖2）。

圖2 傳感器技術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢

4 信息通信技術(shù)和機器人技術(shù)融合的應用領(lǐng)域

4.1 生活支援

在護理服務設施內(nèi)，需要利用機器人技術(shù)幫助要求護理的人盡量自立生活，從而幫助護理人員減輕體力勞動的強度。實際上，日本在2012年就已經(jīng)決定，護理機器人從2015年起作為護理保險的對象，并加快了在該領(lǐng)域應用機器人的研究開發(fā)和演示實驗進程。

高齡老人和需要護理的人周圍的各種護理和醫(yī)療設

施等，經(jīng)過M2M協(xié)同起來，在云計算上收集重要的生命數(shù)據(jù)和日常行動要求，將PHR（Personal Health Records個人健康記錄）和生命檔案進行對照，從而減輕看護人員的負擔，實現(xiàn)對被護理人健康狀態(tài)的綜合管理。

應用機器人技術(shù)能夠更容易地感知和獲取生命數(shù)據(jù)，使康復器材和程序最有效地控制個人的健康狀態(tài)，建立針對過量或者忘記吃藥的服藥管理系統(tǒng)等，真正對實際生活發(fā)揮有效的作用。

目前最需要研究開發(fā)的是能夠自主移動的情感交流機器人。由于遠距離或人手不夠，醫(yī)院的工作人員、患者、家屬等在不容易進行交流時，這種機器人能夠安全有效地在醫(yī)院或地區(qū)護理設施內(nèi)，移動到任何一個人的身旁，采用視頻會議的功能識別對方的表情、話語，與對方進行對話。這類對話不是簡單的對話，它包括在需要診斷或?qū)I(yè)洽談時，或者需要通過機器人對被護理人的生活習慣提出建議時，這種機器人能夠利用云計算數(shù)據(jù)，提供全面的個人健康記錄或者建議，這樣就給服務對象和醫(yī)務工作人員都帶來許多方便。

4.2 社會基礎設施維修

大規(guī)模的建筑物、水電氣生活設施等社會基礎設施的維修問題近年受到重視，這些基礎設施一旦毀壞，會給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失，所以預先檢修和維修是非常重要的工作。在日本，社會基礎設施大多是在日本經(jīng)濟高度成長期建造的，近年面臨著需要同時更新的局面，再加上出生率低和高齡化社會的到來，地方自治體稅收有所減少，所以必須以最低的成本實現(xiàn)最佳的維修效果。而維修作業(yè)往往需要在高空或危險、苛刻和骯臟的環(huán)境下進行，所以更需要機器人來完成任務。

日本現(xiàn)已研發(fā)了有關(guān)社會基礎設施維修中對于橋梁的監(jiān)測系統(tǒng) BRIMOS（Bridge Monitoring System），這是基于M2M云計算的解決方案，用于監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的變化。該方案在橋梁上設置有各種傳感器，能夠?qū)崟r和持續(xù)地監(jiān)視橋梁的變化狀態(tài)。

BRIMOS中雖然沒有直接采用機器人本體，但是它是M2M云計算解決方案和機器人技術(shù)的融合，目的是實現(xiàn)更具附加價值的服務。只有當在維修對象上難以設置傳感器器材，或者需要進行長距離、大范圍內(nèi)進行檢查時，采用自主移動機器人，利用云計算的地圖信息服務，通過自主移動和位置同定功能，實施有效的檢查作業(yè)；機器人在自主移動的過程中，把檢查對象的圖像傳送到云計算上，在云計算上基于大量的圖像數(shù)據(jù)進行高速高精度的圖像處理，從而實現(xiàn)異常環(huán)境下的檢測工作。

5 機器人的開發(fā)環(huán)境

5.1 RT（Robot Technology）中間件

機器人業(yè)界大力提倡開放化，以利用資源開放和環(huán)境開放的開發(fā)環(huán)境，這對于建立機器人技術(shù)和信息通信技術(shù)的協(xié)作關(guān)系也是非常重要的。

在日本服務機器人業(yè)界起主導研究作用的獨立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡稱產(chǎn)綜研），為了普及服務機器人，作為開放戰(zhàn)略，提出了機器人的軟件組件（RTC: RT Component）的標準接口規(guī)格OMG（Object Management Group）②，并于2008年公布了OMG的標準規(guī)格。同時，產(chǎn)綜研根據(jù)該規(guī)格開發(fā)和公開了應用RTC的中間軟件，即RT中間件③。

為了提高對應 RTC、RT中間件的設計質(zhì)量，產(chǎn)綜研還開發(fā)了狀態(tài)遷移表設計工具（ZIPC），這有效地提高了軟件的開發(fā)效率（圖3）。

圖3 擴展分層狀態(tài)遷移表（EHSTM）

5.2 性能安全

許多機器人都具有驅(qū)動系統(tǒng)，為了不給人和環(huán)境帶來危險，機器人必須有高度的安全對策④。

在國際上，2013年發(fā)布了以性能安全規(guī)格IEC61508⑤為基礎的個人機器人（與人接觸的交流型機器人）的國際安全標準ISO13482，引起了機器人業(yè)界的關(guān)注。為了有利于機器人取得IEC61508認證，日本對機器人高可靠性軟件的開發(fā)環(huán)境進行了討論，探討了在嵌入式軟件的V字型開發(fā)周期內(nèi)，如何實現(xiàn)在ZIPC產(chǎn)品組和其他有力的OSS工具之間能夠進行無縫跟蹤要件的結(jié)構(gòu)和方式，開發(fā)方在風險評估中，能夠在總體上承擔從要求到設計、組裝、驗證的說明責任，使開發(fā)工具能夠容易地設計出高可靠性的軟件（圖4）。

圖4 高可靠性軟件的實現(xiàn)進程（工具鏈）

5.3 從開發(fā)環(huán)境到與云計算的協(xié)同

與云計算協(xié)同有許多優(yōu)點，由于RT中間件能夠使分散在網(wǎng)絡上的RTC連接起來，如果云計算上具有RTC標準接口，即云計算服務應用程序接口API（ Application Program Interface），那么具有RT中間件的機器人就能夠很容易地利用云計算服務。

從開放化的觀點出發(fā)，日本將來的目標是構(gòu)建在云計算上容易利用各種RTC的開發(fā)環(huán)境，以及能夠很簡單地組裝RTC接口的開發(fā)環(huán)境，以實現(xiàn)云計算上的資源和機器人的應用軟件協(xié)同作業(yè)的環(huán)境。

圖5 云計算機器人概觀

6 今后的方向

6.1 機器人遠程操作管理

對機器人的普及而言，機器人本身的維修和操作管理技術(shù)是非常重要的。例如，在有希望應用機器人的衛(wèi)生保健領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)有許多租賃的福利器械和用具，由于用戶是高齡老人，所以周到的維修服務和監(jiān)測很重要。因此，在開發(fā)環(huán)境中，需要有能夠獲取機器人或設備運行的日志信息、誤操作故障信息和工作效率信息的模塊和接口，以便在M2M云計算中容易得到這些信息，并可以表現(xiàn)在福利器械的服務計劃中，提高維修操作服務的附加價值。

6.2 云計算機器人

有權(quán)威人士曾經(jīng)說過，“云計算能使機器人變得更加輕巧、廉價和智慧”。原來單獨操作的機器人可以從云計算上得到以前不具備的高速計算機、寄存器、性能和知識，成為能夠為用戶提供更多服務的機器人系統(tǒng)，所以，如何將云計算機器人基礎技術(shù)和解決方案與M2M云計算協(xié)同運行是日本今后研究開發(fā)的課題（圖5）。

①日本專利局對機器人的定義：機器人是

具有機械手操作功能的機械；

具有移動功能，并具有自動從外部獲取信息決定自己行動功能的機械；

具有通信功能，并具有自動從外部獲取信息決定自己行動功能的機械。

②OMG：推進指向?qū)ο髽藴驶姆怯麍F體，推進具有代表性UML和CORBA的標準化。OMG內(nèi)從2005年開始進行有關(guān)機器人的活動“Robotics DTF（Domain Task Force）”。

③ RT中間件：以組件的形式提供控制機器人構(gòu)成單元（傳感器、驅(qū)動器）和機器人的軟件稱為中間件。

④ 性能安全：在性能上下工夫，在允許的范圍內(nèi)確保安全。對應的術(shù)語是“基本安全”。

⑤ IEC61508：IEC（國際電氣標準會議）制定的有關(guān)制造行業(yè)電氣、電子、可編程序電子設備的性能安全國際標準，是許多領(lǐng)域性能安全標準的基礎準則。