趙宇浩+劉洋

摘 要：近年來，服務機器人市場增長迅速，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異的發(fā)展，人工智能、物理網(wǎng)、新材料、為機器人的設(shè)計創(chuàng)新提供了更多可能。人們生活水平日益提高，對生活品質(zhì)將會有更多的要求，智能、靈活、功能強大的服務機器人具有廣闊的發(fā)展前景。本文通過對機器人發(fā)展歷程和新技術(shù)的文獻研究，以用戶為中心對未來服務機器人的設(shè)計提出安全、實用、情感交互、智能、低成本等的設(shè)計原則。

關(guān)鍵詞：服務機器人；人工智能；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)計原則

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）30-0167-02

一、引言

機器人的發(fā)展一直都是社會討論的熱點，近年來，隨著科學技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給各行業(yè)、各領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的可能，人們對機器人的研究和思考已經(jīng)不只是科學家的技術(shù)研究以及哲學家的學術(shù)討論，各行各業(yè)的翹楚在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的熱潮里看到了機器人發(fā)展的新方向。據(jù)市場研究顯示，2016年我國家用服務機器人的市場規(guī)模已達 140 億元人民幣，預計 2017 年將達到 240 億元人民幣。隨著國民生活水平的提高，人們對于生活品質(zhì)將會有新的要求，屆時家用服務機器人市場將進一步擴大，相信未來科技的發(fā)展，生產(chǎn)成本的降低，服務機器人將如同普通家用電器一樣走入尋常百姓家，為人們的生活提供便利。

二、近現(xiàn)代機器人發(fā)展概述

創(chuàng)造一種能夠代替自身進行各種勞動的事物是人類長期以來的愿望，“機器人”的概念便伴隨著這個美好的愿望誕生。國內(nèi)外歷史古籍對機器人相關(guān)故事均有記載，《列子·湯問》中記有“偃師獻藝”寓言，描述了戰(zhàn)國時期巧匠偃師善做能歌善舞的人偶，雖然寓言帶有科幻色彩，但充分表達了人們對于機器人的幻想。1959年，美國發(fā)明家英格伯格和德沃爾設(shè)計制造出第一臺工業(yè)機器人，由此拉開了現(xiàn)代機器人研究發(fā)展的帷幕。

（一）現(xiàn)代機器人發(fā)展歷程

從機器人技術(shù)革新的角度看，現(xiàn)代機器人的發(fā)展可分為三個階段。示教再現(xiàn)機器人（第一代機器人）根據(jù)示教編程存儲的固定程序不斷重復執(zhí)行的機械動作，對外界信息不具備反饋能力，自上世紀50年代末至90年代，示教再現(xiàn)機器人作為工業(yè)機器人在全球范圍工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域應用；各類傳感器的發(fā)明和應用為機器人提供了感知周圍環(huán)境的可能，在第一代機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展出感知機器人（第二代機器人），可根據(jù)環(huán)境變化進行簡單判斷并對自身動作做出調(diào)整，減少工作錯誤，又被稱為自適應機器人，目前已作為工業(yè)機器人被生產(chǎn)企業(yè)應用；智能機器人（第三代機器人），不僅具備感知機器人感應外界信息的能力，而且具有推理、規(guī)劃、學習能力，將感知和行動智能結(jié)合起來，目前正處于研發(fā)階段。

（二）機器人分類

機器人的分類方法多樣，我國機器人研究者從應用環(huán)境的角度將機器人類別劃分為兩大類，即制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的特種機器人。工業(yè)機器人多為用于工業(yè)生產(chǎn)制造的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人，可協(xié)助或代替工人在高危環(huán)境中完成勞動強度大的工作，普遍應用于3C制造業(yè)、汽車零部件及整車裝配、建筑等領(lǐng)域，服務于國民經(jīng)濟幾十個行業(yè)大類。特種機器人根據(jù)具體用途又可劃分為服務機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人等，應用領(lǐng)域廣泛，其中家用服務機器人市場發(fā)展態(tài)勢良好，2010年至2016年，家用服務機器人的全球市場銷量已從220萬臺增至640萬臺，家政服務機器人、家用安全監(jiān)視機器人、教育娛樂機器人等家用服務機器人已逐步進入普通家庭，給人們生活帶來新體驗。隨著人們生活水平的提高，新需求細化，提供對應服務的服務機器人將會出現(xiàn)，機器人的類別將進一步細分，應用領(lǐng)域?qū)⑦M一步擴大。如圖1所示。

三、 新技術(shù)對機器人的影響

（一）人工智能

人工智能是以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過信息收集、信息處理、執(zhí)行命令，以達到模擬人類的某些思維過程以及諸如學習、思考、推理等智能行為的學科，研究領(lǐng)域主要包括機器人、模式識別、自然語言處理、專家系統(tǒng)、機器學習，計算機視覺等。

人工智能分為強人工智能（Artificial General Intelligence，簡稱AGI）和弱人工智能（Artificial Narrow Intelligence，簡稱ANI）。由于強人工智能的智能程序要求達到人類級別，既可以像人一樣對各種層次的問題做出應對，還需要具備自我學習和理解復雜理念等能力，研究開發(fā)困難。目前被廣泛研究和應用的在單個領(lǐng)域較強的人工智能程序?qū)儆谌跞斯ぶ悄埽渖疃葘W習能力和云計算能力強大，在大數(shù)據(jù)分析、人機交互、醫(yī)療護理、無人駕駛、工業(yè)機器人和智能家居等多個領(lǐng)域普遍應用，iPhone 的語音助手siri、購物App智能客服、手機面部識別等都是弱人工智能。各大互聯(lián)網(wǎng)公司十分看好人工智能與真人深度交互的特點，積極開發(fā)各類人工智能相關(guān)的產(chǎn)品，如百度“度秘”、阿里小蜜、Facebook M助理等人工智能產(chǎn)品，能夠通過與用戶深度交流，了解用戶信息，判斷用戶需求，為用戶提供相應的服務。

目前，人工智能研究領(lǐng)域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、蟻群算法、進化算法等技術(shù)在機器人領(lǐng)域的應用，使機器人的深度學習能力和信息處理能力更出眾，增強了對環(huán)境的自適應能力；控制系統(tǒng)智能化，科學計算規(guī)劃最優(yōu)工作路徑，工作效率提高；智能化程度進一步提高，促進了機器人的擬人化發(fā)展，為機器人處理復雜工作提供了更多的技術(shù)支持。

（二）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，簡稱IoT）是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過射頻識別（RFID）、紅外傳感器、氣體傳感器、聲波傳感器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，將現(xiàn)實物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行物與物之間的信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理三大特征，被廣泛應用于智能交通、安保監(jiān)測、物業(yè)管控、健康護理、植物栽培、軍情偵查等多個領(lǐng)域。endprint

物理網(wǎng)的廣泛應用，為機器人的控制提供了新的環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)的特性，機器人能通過信息傳遞和智能處理，完成大部分需要人工勞動完成的任務；將射頻、條碼標簽、傳感器等技術(shù)應用于工業(yè)機器人生產(chǎn)線，對零部件、產(chǎn)品自動打碼，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)測，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程追蹤定位；多機器人系統(tǒng)可通過物聯(lián)網(wǎng)的感知，信息傳遞、智能規(guī)劃任務和活動路徑，實現(xiàn)協(xié)同工作，提高工作效率。

（三）其他新技術(shù)

2016年英國《自然》雜志刊登了由哈佛大學生物工程研究所團隊研發(fā)的全球首個全軟體機器人“Ocobot”（章魚機器人），該機器人全部使用柔性材料硅橡膠，成本低廉，不含任何堅硬的零件，依靠化學反應產(chǎn)生的氣體壓強變化實現(xiàn)自主運動，擺脫了外置電纜的限制。柔性材料的多自由度、高靈活、可變形、能量吸收等特性，使機器人能在更極端的環(huán)境下靈巧的運動，承受外部沖擊的能力更強，勝任更多任務，在狹小空間故障檢查、醫(yī)療診斷、軍事偵查探測領(lǐng)域具有廣泛應用前景。

液態(tài)金屬控制技術(shù)是一直通過控制電磁場準確控制液態(tài)金屬材料外觀特征、運動狀態(tài)的新技術(shù)，目前主要應用于3C制造領(lǐng)域，具有熔融后塑形能力，為機器人的可變形發(fā)展提供了可能。生肌電控制技術(shù)是利用人類肢體表面肌電信號控制機器活動的技術(shù)，通過生物信號控制機器人，在遠程控制、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域具有較好的應用前景。情感識別技術(shù)，可通過采集、分析人類面部、肢體信息，有效識別人類情感和心理活動，使機器人具備了類似人類的觀察能力，可以用于輔助醫(yī)療，刑偵鑒別等領(lǐng)域。

四、服務機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

服務機器人研究和應用在一些發(fā)達國家發(fā)展迅速，其中掃地機器人發(fā)展已經(jīng)完全成熟穩(wěn)定。日本在機器人研究方面處于世界前列，日本政府已經(jīng)將推動家用機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展定為國策，各國都出臺了相對應的既定國策。日本機器人協(xié)會最新研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人的相關(guān)技術(shù)研究趨于成熟，未來發(fā)展空間及其有限，服務機器人研發(fā)、應用將大幅增長，預計2025年將有517億美元的市場規(guī)模。

大多數(shù)服務機器人如掃地機、教育娛樂機器人、醫(yī)療機器人等服務于人的日常生活，與工業(yè)機器人相比使用環(huán)境信息更復雜，這就要求服務機器人需要對周圍環(huán)境信息、用戶信息識別精準，且具備仿人的情感、思維，動作反饋擬人化、情感化，以滿足社會服務需求。本田公司研發(fā)的ASIMO仿人機器人從第一次以雙腳流暢行走亮相至今已發(fā)展了17年，其最新版的ASIMO造型簡約，已經(jīng)可以流暢完成包括攀爬樓梯、手語交流、倒茶、踢球等高難度擬人行為。

目前，國內(nèi)機器人研發(fā)多注重技術(shù)應用，編程人員與工業(yè)設(shè)計師、用戶之間溝通交流欠缺，邏輯思維相差甚遠，造成國內(nèi)服務機器人外觀偏機械，交互體驗差，與國外服務機器人相比缺乏市場競爭力。服務機器人本身是技術(shù)的集合，其核心技術(shù)不存在壟斷，如何利用自身優(yōu)勢，研發(fā)滿足我國市場需求的服務機器人，阻止發(fā)達國家的輸出，改變市場現(xiàn)狀，是我國目前最迫切需要的。

五、服務機器人設(shè)計原則

服務機器人基本設(shè)計原則，如圖1所示。

根據(jù)未來科技發(fā)展趨勢分析以及服務機器人的實際市場需求，服務機器人的設(shè)計應滿足以下幾個原則：（1）安全；不僅指機器人自身外觀設(shè)計、動作設(shè)計的安全，所用材質(zhì)綠色環(huán)保無公害，還應包括內(nèi)部信息的安全。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，物與物之間信息交流通訊，服務機器人應設(shè)置信息安全鎖，保護核心代碼及用戶信息，防止黑客篡改，減小安全隱患。（2）實用；機器人結(jié)構(gòu)復雜，智能系統(tǒng)模塊多樣，服務機器人在功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，各個部件應實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于更換，方便普通用戶日常維修、維護，同時便于硬件的升級拓展，節(jié)省使用成本。（3）情感交互；機器人不同于普通智能產(chǎn)品，其交互是從單一的界面交互到肢體和界面綜合的立體交互，交互過程注重人的情感，動作反饋充滿趣味性，擬人化的動作與工業(yè)機器人有明顯的區(qū)別。（4）智能；“智能機器+網(wǎng)絡(luò)”的智能系統(tǒng)，在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及下，服務機器人應針對不同的工作環(huán)境，通過信息獲取，深度學習，不斷適應新環(huán)境，提升自身工作效率；多機器人在物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境下，協(xié)作完成復雜任務。（5）低成本；目前功能強大的服務機器人技術(shù)尚在實驗階段，制作成本較高，隨著技術(shù)發(fā)展，未來量化生產(chǎn)，服務機器人制造成本應進一步控制，降低消費門檻。

六、結(jié)語

2017年被譽為人工智能元年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步、新材料工藝的發(fā)展為服務機器人的設(shè)計創(chuàng)新提供了更多的可能。隨著《中國制造2025》一系列政策的推進，中國服務機器人將面臨更多的機遇和挑戰(zhàn)，實現(xiàn)服務機器人的全面化、智能化、市場化，不僅需要科技的支持，還需要設(shè)計思維的指導，滿足大眾審美和功能需求，充分發(fā)揮本土優(yōu)勢，才能提升中國服務機器人的市場競爭力。

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