梁榮健，張濤，王學(xué)謙（清華大學(xué) 自動(dòng)化系，北京 100084）

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家用服務(wù)機(jī)器人綜述

梁榮健，張濤，王學(xué)謙
（清華大學(xué) 自動(dòng)化系，北京 100084）

摘要：近二十年來，家用服務(wù)機(jī)器人技術(shù)逐漸成為一個(gè)國際范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展歷程、分類、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢進(jìn)行了梳理和總結(jié)，提供了一份較全面的綜述。首先，介紹了家用服務(wù)機(jī)器人在各國的發(fā)展歷程以及全球研發(fā)現(xiàn)狀和市場規(guī)模。然后，從不同的角度對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行了分類并介紹了各類型中的典型例子。進(jìn)而分析了家用服務(wù)機(jī)器人的重要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。最后，總結(jié)了家用服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：家用服務(wù)機(jī)器人；發(fā)展歷程；分類；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

0　引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍已經(jīng)不僅僅局限在工業(yè)領(lǐng)域，在軍事、醫(yī)療、公共服務(wù)、家庭勞務(wù)等領(lǐng)域也隨處可見機(jī)器人的身影。家用服務(wù)機(jī)器人有著潛力巨大的需求，近二十年來，家用服務(wù)機(jī)器人技術(shù)逐漸成為一個(gè)國際范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都在爭相研發(fā)各種類型的家用服務(wù)機(jī)器人，并且已經(jīng)推出了一些商業(yè)化的產(chǎn)品，如著名的NAO機(jī)器人［1］和iRobot公司的Roomba清潔機(jī)器人［2］等。機(jī)器人已經(jīng)不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)性的科學(xué)研究，而是漸漸走向?qū)嵱没?，進(jìn)入人們的日常生活。比爾·蓋茨在2007年曾撰文預(yù)計(jì)機(jī)器人將像個(gè)人電腦一樣會(huì)走入千家萬戶［3］。工業(yè)機(jī)器人之父約瑟夫·恩格爾伯格也認(rèn)為家用服務(wù)機(jī)器人擁有潛力巨大的市場［4］。機(jī)器人進(jìn)入家庭領(lǐng)域已是一種必然趨勢。

1　發(fā)展歷程

家用服務(wù)機(jī)器人起步較晚，一直到1999年寵物機(jī)器人愛寶的推出［5］，才標(biāo)志著家用服務(wù)機(jī)器人第一次大規(guī)模地在商業(yè)市場中亮相。然而，二十一世紀(jì)以來，家用服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)迅速成為一個(gè)熱點(diǎn)，具有巨大潛在市場的家庭、個(gè)人服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也逐漸發(fā)展壯大起來。不同國家對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)重點(diǎn)不一樣，發(fā)展歷程也不一樣。

1.1日本

日本是最早進(jìn)行家用服務(wù)機(jī)器人研發(fā)的國家之一，并制定了一系列推動(dòng)家用服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策。日本在上世紀(jì)80年代就將“研發(fā)能在生活中與人類進(jìn)行友好交互的機(jī)器人”作為具有重要社會(huì)意義的課題寫入國家層面的發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中［6］。其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省為家用服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展做了詳盡的戰(zhàn)略規(guī)劃，計(jì)劃以仿人娛樂機(jī)器人為突破口，采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化道路，推進(jìn)家用服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化［7］。

仿生、擬人，是日本家用服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的一大特色［6］。1999年Sony公司推出會(huì)走、會(huì)判斷環(huán)境、會(huì)與人交流的機(jī)器寵物狗愛寶。2007 年，東京早稻田大學(xué)與 20多個(gè)公司合作、花費(fèi)十幾年研制成功仿人機(jī)器人“Twendy-One”［8］，如圖1所示?！癟wendy-One”極其靈巧，能實(shí)現(xiàn)從烤箱取面包，端盤子等操作。日本東京大學(xué)和豐田汽車公司等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)出家務(wù)幫手機(jī)器人“AR”（Assistant Robot）［9］，如圖2所示。AR接近人類體型，能根據(jù)褶皺區(qū)分衣物，會(huì)使用洗衣機(jī)、送餐、拖地，能幫助減輕家務(wù)負(fù)擔(dān)。2014年，日本軟銀集團(tuán)和法國Aldebaran Robotics聯(lián)合推出全球首款配備情感識(shí)別功能的機(jī)器人Pepper［10］，如圖3所示。Pepper配備了語音識(shí)別技術(shù)以及基于表情和聲調(diào)的情緒識(shí)別技術(shù)，并可以通過靈活的肢體語言可與人進(jìn)行交流。 2015年6月-8月，Pepper正式面向普通顧客發(fā)售。

圖1　Twendy-one 機(jī)器人

圖2　AR機(jī)器人

圖3　Pepper機(jī)器人

1.2美國

美國家用服務(wù)機(jī)器人發(fā)展起步早，是在服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化方面做得最好的國家［11］。美國把家用服務(wù)機(jī)器人定位為解決老齡化、醫(yī)保等重大社會(huì)問題的突破口，認(rèn)為家用服務(wù)機(jī)器人將滲透到我們的生活當(dāng)中，深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)的形態(tài)。

專用化［6］、產(chǎn)業(yè)化是美國家用服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的一大特色。2002年，iRobot公司推出了家用清潔機(jī)器人Roomba，如圖4所示。Roomba雖然功能單一，但是其以相對(duì)低廉的價(jià)格提供了相當(dāng)實(shí)用的功能，實(shí)現(xiàn)了成本與功能之間一個(gè)較好的平衡，因此贏得了消費(fèi)者的喜愛：至2014年Roomba 系列產(chǎn)品的銷售量已經(jīng)超過了1000萬臺(tái)［6］。圖5所示的ROVIO［12］是由美國WOWWEE公司開發(fā)的一款安保機(jī)器人。ROVIO有兩項(xiàng)基本功能：通過內(nèi)置攝像機(jī)觀看機(jī)器人周圍環(huán)境并進(jìn)行互動(dòng)；通過Wifi控制對(duì)ROVIO進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

圖4　Roomba機(jī)器人

圖5　ROVIO機(jī)器人

建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［13］、推進(jìn)家用服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)的模塊化和平臺(tái)統(tǒng)一化將有利于家用服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［14］。一些反應(yīng)敏捷的IT巨頭看到了蘊(yùn)含的巨大商機(jī)，如微軟和谷歌公司憑借各自在IT技術(shù)上的雄厚實(shí)力，分別推出了機(jī)器人操作系統(tǒng) Robotics Studio和ROS，并占據(jù)了相當(dāng)高的市場份額。

1.3韓國

韓國把智慧型服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)定位為21世紀(jì)推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)快速增長的十大引擎產(chǎn)業(yè)之一，把智慧型服務(wù)型的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為“839”戰(zhàn)略計(jì)劃重要組成部分［15］，希望通過開創(chuàng)新市場實(shí)現(xiàn)成為世界三大機(jī)器人強(qiáng)國目標(biāo)［11］。2009年韓國知識(shí)經(jīng)濟(jì)部發(fā)布了《服務(wù)型機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》，計(jì)劃通過該戰(zhàn)略讓韓國機(jī)器人在世界機(jī)器人市場占有率從2009年的10％躍升到2018年的20％。

韓國機(jī)器人發(fā)展突出了服務(wù)機(jī)器人與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。2004年，韓國SK電信推出保安機(jī)器人Mostitech［7］，如圖6所示。該機(jī)器人能夠在家庭的房間里走動(dòng)，如果檢測到失火、煤氣泄露或者有不速之客進(jìn)入家中等緊急情況，機(jī)器人會(huì)拍下室內(nèi)照片并把相關(guān)信息發(fā)送到指定的手機(jī)用戶，收到信息的用戶還可以通過手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)命令機(jī)器人對(duì)可疑的情況或者人進(jìn)行調(diào)查。韓國Yujin Robotics公司推出iRobi［7］機(jī)器人，如圖7所示。當(dāng)家長外出時(shí)，通過跟網(wǎng)絡(luò)連接iRobi，家長可以借助機(jī)器人上攝像頭監(jiān)看孩子們的活動(dòng)，還可以通過顯示屏跟孩子們進(jìn)行交流。另外，iRobi還會(huì)念書和唱歌，因此也是教育孩子的新媒介。

圖6　Mostitech機(jī)器人

圖7　iRobi機(jī)器人

1.4中國

與日美等國家相比，中國在家用服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚。但是近年來，為了迅速縮小與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距，搶占新興服務(wù)機(jī)器人市場，中國制定了一系列有利于發(fā)展智能服務(wù)機(jī)器人的政策。2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，智能服務(wù)機(jī)器人被定位為重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。2012年，中國出臺(tái)《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》和《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，發(fā)展智能服務(wù)機(jī)器人被寫入國家發(fā)展戰(zhàn)略［16，17］。

在政策利好和市場潛力巨大的背景下，中國的家用服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開始萌發(fā)，并涌現(xiàn)了一些具有競爭力的公司，如全球領(lǐng)先的家用服務(wù)機(jī)器人企業(yè)科沃斯。2013年，科沃斯推出了“地寶九系”智能掃地機(jī)器人［18］，如圖8所示?！暗貙毦畔怠惫δ苌细绹鴌Robot公司的Roomba清潔機(jī)器人相近，但價(jià)格更加低廉。此外，科沃斯還推出了可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙霧的濃度“家寶”系列機(jī)器人，和集遠(yuǎn)程控制、娛樂、教育、安保等功能于一身的“親寶”系列機(jī)器人。目前，科沃斯公司的產(chǎn)品已成功出口到全球三十多個(gè)國家和地區(qū)，成為中國家用服務(wù)機(jī)器人企業(yè)走向世界的先驅(qū)。

圖8　“地寶九系”掃地機(jī)器人

1.5全球家用機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀與市場規(guī)模

根據(jù)IFR（International Federation of Robotics）［19］統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在2014年，全球市場共銷售470萬臺(tái)個(gè)人/家用服務(wù)機(jī)器人，比2013年增長28％，總銷售額高達(dá)22億美元。IFR 預(yù)計(jì)，在2015-2018年期間，個(gè)人/家用服務(wù)機(jī)器人的銷售額將會(huì)達(dá)到3500萬臺(tái)。目前應(yīng)用較廣泛的家用服務(wù)機(jī)器人為清潔機(jī)器人和割草機(jī)器人。但I(xiàn)FR 預(yù)計(jì)，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，用于看護(hù)、陪伴、娛樂、多功能家務(wù)的擬人化智能家用機(jī)器人的市場份額將會(huì)逐漸提升。

家用服務(wù)機(jī)器人的迅猛發(fā)展與科技創(chuàng)新是密不可分的。中國科技部［20］對(duì)德溫特創(chuàng)新索引（DII）專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行家用服務(wù)機(jī)器人相關(guān)的檢索并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。截止于2010年5月，共檢索到與家用服務(wù)機(jī)器人研究相關(guān)的專利4839件，專利數(shù)量隨年度變化的情況如圖9所示。從圖中可以看出，近20年來，家用服務(wù)機(jī)器人專利申請(qǐng)數(shù)量持續(xù)高速增長（因?yàn)閷＠墓_和授權(quán)存在一定的滯后期，所以近3年數(shù)據(jù)僅供參考），這表明家用服務(wù)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)受到越來越多關(guān)注，研發(fā)熱度持續(xù)上升。

該機(jī)構(gòu)還對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人專利技術(shù)的國家/地區(qū)分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在專利受理數(shù)量上，日本和韓國占有絕對(duì)優(yōu)勢，日本受理的專利數(shù)量最多，約占總量的42.5％，韓國約占總量的30％。其次是美國、中國和德國，各占總量的11％、7.3％和4％。家用服務(wù)機(jī)器人專利申請(qǐng)數(shù)量居前10位的申請(qǐng)人為三星、LG、豐田、松下、應(yīng)用材料公司等韓、日、美大型企業(yè)。這說明，家用服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)在日本、韓國、美國、中國、德國最為活躍，日、韓、美三國在引領(lǐng)著家用服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

圖9　家用服務(wù)機(jī)器人年度專利申請(qǐng)趨勢

2　分類與典型例子

IFR按照從事的工作類型，把機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人與服務(wù)機(jī)器人兩大類［17］。家用服務(wù)機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人中的重要一類，指可以在家庭中為用戶提供服務(wù)的機(jī)器人?？梢詮牟煌慕嵌葘?duì)家用服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的分類，如表1總結(jié)所示。

表1　家用機(jī)器人的分類

3　重要特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1重要特點(diǎn)

家用服務(wù)機(jī)器人由于其工作場合、服務(wù)對(duì)象、從事任務(wù)的特殊性，其設(shè)計(jì)要求相對(duì)其他機(jī)器人有很多不同。

3.1.1工作在復(fù)雜的、半結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境

家用服務(wù)機(jī)器人的工作場所——家庭，是一個(gè)比較復(fù)雜的環(huán)境，里面有各種家具、樓梯和臺(tái)階、狹長的走廊、移動(dòng)的人類與寵物，甚至還有火爐等一些危險(xiǎn)物品。與工業(yè)機(jī)器人往往工作在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境不同，家用服務(wù)機(jī)器人往往是工作在復(fù)雜的半結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境［24］中。工作環(huán)境的復(fù)雜多變一方面對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，另一方面也使得家用機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位面臨許多困難。

3.1.2長時(shí)間與人共處，服務(wù)對(duì)象大多未經(jīng)過訓(xùn)練

家用服務(wù)機(jī)器人是為家庭和個(gè)人服務(wù)的機(jī)器人，往往跟長時(shí)間人類在同一個(gè)空間進(jìn)行工作，工作過程中與人類有著密切的交互。而且不同于工業(yè)機(jī)器人往往由專門的操作員進(jìn)行操作，家用服務(wù)機(jī)器人是由極平常的普通人，甚至是老人和病人來操作的［25］。因此家用服務(wù)機(jī)器人應(yīng)具有自然、容易掌握、高效的人機(jī)交互界面。良好的人機(jī)交互一方面有助于機(jī)器人理解和執(zhí)行用戶的指令；另一方面，通過交互式學(xué)習(xí)［26］等方式，讓用戶參與到機(jī)器人的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，能促進(jìn)人的智能與機(jī)器人智能的有機(jī)融合，大大延伸了機(jī)器人的服務(wù)能力。同時(shí)，為了保障人類的安全，家用服務(wù)機(jī)器人需要采用十分可靠的安全技術(shù)［27，28］。

3.1.3往往需要跟多種對(duì)象進(jìn)行交互

一項(xiàng)服務(wù)任務(wù)往往包括多個(gè)步驟，不同步驟里往往需要家用服務(wù)機(jī)器人跟不同的對(duì)象進(jìn)行交互。而且為了擴(kuò)大服務(wù)范圍以及實(shí)現(xiàn)自我維護(hù)，家用服務(wù)機(jī)器人可能還需要跟門把手、讀卡器、電源開關(guān)等對(duì)象進(jìn)行交互。因此，家用服務(wù)機(jī)器人需要較強(qiáng)的物體識(shí)別與操作能力。

3.2關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1室內(nèi)自主導(dǎo)航技術(shù)

實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中的自主導(dǎo)航，是大部分家用服務(wù)機(jī)器人最基本的能力之一。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航通常涉及到三方面的問題：地圖表示與創(chuàng)建、自主定位和路徑規(guī)劃。

（a）地圖表示與創(chuàng)建

按照是使用絕對(duì)坐標(biāo)系還是抽象出來的拓?fù)潢P(guān)系來描述環(huán)境特征，可以將機(jī)器人地圖的表示方法分為三大類：度量表示、拓?fù)浔硎疽约盎旌媳硎荆?9］。度量表示法使用絕對(duì)坐標(biāo)系來描述環(huán)境特征，其又可以進(jìn)一步分為柵格法［30］和幾何表示法［31］等。拓?fù)浔硎痉ǎ?2］使用抽象出來的拓?fù)潢P(guān)系來描述環(huán)境特征，將環(huán)境表示為一系列節(jié)點(diǎn)以及連接節(jié)點(diǎn)的邊。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于環(huán)境中一個(gè)特征位置或區(qū)域，而連接節(jié)點(diǎn)的邊表示相應(yīng)位置間的連通關(guān)系?；旌媳硎痉▽⒍攘勘硎竞屯?fù)浔硎鞠嘟Y(jié)合。如可采用二級(jí)分層結(jié)構(gòu)［33］，第一層為使用拓?fù)浔硎痉ǖ娜值貓D，第二層為使用度量表示的以拓?fù)涔?jié)點(diǎn)為核心的局部地圖，這樣既發(fā)揮了拓?fù)浔硎痉ê啙?、有利于維護(hù)全局地圖一致性的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了度量表示法容易實(shí)現(xiàn)局部精確定位的優(yōu)勢。

（b）自主定位

定位是指通過融合先驗(yàn)環(huán)境信息、機(jī)器人位姿的當(dāng)前估計(jì)和傳感器測量值等信息，來獲取更準(zhǔn)確的對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位姿的估計(jì)［34］。家用服務(wù)機(jī)器人的定位方法，可分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位［35］。相對(duì)定位是指以初始位置為先驗(yàn)條件，在行進(jìn)的過程中根據(jù)每一步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定當(dāng)前家用服務(wù)機(jī)器人在局部環(huán)境中的位置。絕對(duì)定位也可以稱為全局定位，指根據(jù)預(yù)先確定好的環(huán)境地圖或者傳感器信息獲取機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中位姿。

定位和地圖創(chuàng)建這兩個(gè)問題具有高度的相互依賴性，被人們形象地比喻成“雞和蛋”的問題：機(jī)器人的定位需要依賴準(zhǔn)確的環(huán)境地圖，而為了創(chuàng)建地圖機(jī)器人又要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）［36］技術(shù)，顧名思義，試圖同時(shí)考慮機(jī)器人的定位和地圖創(chuàng)建問題。SLAM指機(jī)器人從未知位置出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)的過程中利用自身定位信息估計(jì)觀測到的環(huán)境路標(biāo)位置，建立環(huán)境地圖，然后利用已經(jīng)建立的地圖來校正機(jī)器人的定位［37］。它的基本原理是基于概率統(tǒng)計(jì)的方法，通過多特征匹配來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位與地圖創(chuàng)建并減少誤差。

（c）路徑規(guī)劃

傳統(tǒng)的機(jī)器人路徑規(guī)劃算法研究的是從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)的類型，期望輸出是一條安全的在某種意義上最優(yōu)或者較優(yōu)的路徑。常用的方法主要包括路線圖法［38］、單元分解法［39］、勢場法［40］、螢火蟲算法［41］和遺傳算法［42］等。家用服務(wù)機(jī)器人的許多應(yīng)用場合需要該類型的路徑規(guī)劃。

傳統(tǒng)的起始點(diǎn)-目標(biāo)點(diǎn)型的路徑規(guī)劃并不適用于清掃地面、割草等任務(wù)。這些任務(wù)需要進(jìn)行覆蓋路徑規(guī)劃，即要求機(jī)器人必須通過環(huán)境中的每個(gè)不被障礙物占領(lǐng)的點(diǎn)，并且要避開障礙物和盡量避免重復(fù)遍歷［43］。常用的覆蓋算法有啟發(fā)式算法、基于模板的方法、單元分解法等［44，45］。

3.2.2人機(jī)交互技術(shù)

強(qiáng)調(diào)與人的良好交互性是家用服務(wù)機(jī)器人的顯著特征。為了實(shí)現(xiàn)自然、高效的人機(jī)交互，家用服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)者引入了多種新型的人機(jī)交互方式。根據(jù)所采用的交互通道的不同，可以把目前應(yīng)用到家用服務(wù)機(jī)器人上的人機(jī)交互方式分為四大類：基于視覺、基于聽覺、基于力觸覺以及其他，如表2總結(jié)所示。值得注意的是，家用服務(wù)機(jī)器人與用戶之間的交互正呈現(xiàn)出多模化［46］的趨勢，即機(jī)器人與用戶同時(shí)利用多種而不是單一的交互通道進(jìn)行交互，如pepper機(jī)器人可以根據(jù)用戶的面部表情、肢體語言以及措辭來綜合分析用戶的情感。

表2　家用服務(wù)機(jī)器人中人機(jī)交互技術(shù)

針對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人，控制方式已經(jīng)不僅僅局限于近距離操控。隨著基于GSM（Global System for Mobile Communications）/GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)的操控、基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)操控、基于Internet的PC機(jī)操控、紅外線操控等控制方式［57］的逐漸成熟和這些技術(shù)在家用機(jī)器人上的應(yīng)用，用戶可以在遠(yuǎn)距離與家中的機(jī)器人進(jìn)行交互，這有利于家用服務(wù)機(jī)器人在我們生活中的普及。

3.2.3物體識(shí)別

為了完成服務(wù)任務(wù)，家用服務(wù)機(jī)器人需要識(shí)別的對(duì)象主要包括三類：服務(wù)對(duì)象（用戶），操作對(duì)象（垃圾、碟子、水杯等）還有環(huán)境對(duì)象（墻、桌子等）［20］。這些對(duì)象往往具有相對(duì)固定的形狀或者結(jié)構(gòu)，因此基于模型的物體識(shí)別方法通常都行之有效，也是目前家用服務(wù)機(jī)器人物體識(shí)別技術(shù)中比較常用的方法。在基于模型的物體識(shí)別算法中，特征的提取和選擇對(duì)識(shí)別結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的識(shí)別算法中，特征的選擇往往是基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的。最近幾年，有學(xué)者提出了深度學(xué)習(xí)［58］等自主特征提取算法。讓機(jī)器人通過對(duì)海量樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)來自主提取出有效的分類特征。結(jié)果表明這些新型特征提取算法在多個(gè)課題上都取得了讓人驚喜的結(jié)果［59，60］。

為了識(shí)別物體，機(jī)器人需要獲取跟識(shí)別對(duì)象相關(guān)的多方面信息?，F(xiàn)在的家用服務(wù)機(jī)器人除了裝備有相機(jī)外，還可能裝有測距儀、紅外傳感器、聲音傳感器和力觸覺傳感器等多種類型的傳感設(shè)備。通過對(duì)不同傳感器采集的信息進(jìn)行融合，能有效提高物體識(shí)別的魯棒性和準(zhǔn)確率。同時(shí)，借助于多種傳感設(shè)備，機(jī)器人能更準(zhǔn)確地獲取操作對(duì)象的狀態(tài)，這為機(jī)器人對(duì)物體的精細(xì)操作提供了條件。

4　發(fā)展趨勢

基于對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人發(fā)展歷程和重要技術(shù)的分析，下面對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)。

4.1人機(jī)交互多層次化、人性化

新一代家用服務(wù)機(jī)器人與用戶之間的交互，呈現(xiàn)出多層次化的趨勢。用戶可以給機(jī)器人下達(dá)相對(duì)高層的指令，甚至機(jī)器人可以自動(dòng)檢測到用戶的需求。用戶也可以給機(jī)器人下達(dá)相對(duì)底層的指令，或者讓機(jī)器人完全跟隨用戶的動(dòng)作。用戶可以跟機(jī)器人進(jìn)行近距離的交流，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)等信息傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。用戶跟家用服務(wù)機(jī)器人的交互將會(huì)越來越人性化，用戶可以通過語音、手勢等自然、直觀的方式與機(jī)器人進(jìn)行交互，機(jī)器人對(duì)用戶的反饋也將更多元化。

4.2與環(huán)境的交互智能化

新一代的家用服務(wù)機(jī)器人將會(huì)配備更多樣、先進(jìn)的傳感設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中物體更魯棒性的識(shí)別和對(duì)環(huán)境狀態(tài)更精確的判斷。家用服務(wù)機(jī)器人將可以對(duì)環(huán)境中物體進(jìn)行更精細(xì)的操作，從而為用戶提供更多的服務(wù)。

機(jī)器人進(jìn)入家庭，不僅僅只是機(jī)器人本身的發(fā)展，家庭環(huán)境同樣也在不斷完善。通過對(duì)環(huán)境進(jìn)行一些智能化改造，能強(qiáng)化其環(huán)境中機(jī)器人的功能［61］。在未來，家用服務(wù)機(jī)器人與家庭環(huán)境將會(huì)形成一個(gè)緊密的有機(jī)智能體。

4.3資源利用網(wǎng)絡(luò)化

互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人相結(jié)合，是家用服務(wù)機(jī)器人一個(gè)重要的發(fā)展方向［11］。互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)巨大的資源庫，包含了大量的計(jì)算資源和信息資源，跟網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的機(jī)器人則是一種有效利用這些資源的工具和手段。家用服務(wù)機(jī)器人作為一個(gè)智能終端和操作載體，本身具備移動(dòng)、感知、決策和操作功能?；ヂ?lián)網(wǎng)平臺(tái)借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，能為機(jī)器人提供一個(gè)潛力巨大的信息收集和處理平臺(tái)。跟互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，能在很大程度上延伸了家用服務(wù)機(jī)器人的感知、決策和操作能力。

4.4設(shè)計(jì)與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、體系化

建立廣泛認(rèn)可的家用服務(wù)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建家用服務(wù)機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)［62］，已成為發(fā)展家用服務(wù)機(jī)器人亟需解決的課題。推進(jìn)家用服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和體系化，有利于減少重復(fù)性勞動(dòng)，加快先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的進(jìn)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，推動(dòng)家用服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

5　結(jié)論

得益于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及潛力巨大的消費(fèi)市場，家用服務(wù)機(jī)器人逐漸成為一個(gè)國際范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)并開始走向?qū)嵱没?，進(jìn)入人們的日常生活。文中從家用機(jī)器人的發(fā)展歷程、分類、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢等角度對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行梳理和總結(jié)，這對(duì)希望了解家用機(jī)器人技術(shù)的研究人員有一定的參考價(jià)值。

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A Review of Home Service Robot

LIANG Rong-jian，ZHANG Tao，WANG Xue-qian
（Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract:In the past two decades，home service robot is becoming a hot spot worldwide.We try to provide a comprehensive review of home service robot by summarizing its development，classification，key technologies and development trends.At first，we introduce the development of home service robot in different countries and summarize the global research status of home service robot as well as its market scale.Then further classification of home service robot has been provided from different perspective.In the following，the important features and key technologies for home service robot have been analyzed.Finally，we provide a survey of the development trends of home service robot.

Keywords:Home service robot；Development history；Classification；Trends