黃人薇，洪 洲

（1.廣州城市職業(yè)學院信息技術系，廣東 廣州 510405；2.廣州城市職業(yè)學院科研處，廣東 廣州 510405）

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的變快、老齡化現(xiàn)象的凸顯及生活水平的日益提高，像掃地機器人、擦玻璃機器人、烘焙機器人、陪伴機器人等服務型機器人已開始走入尋常百姓家，服務機器人對提升人們的生活品質(zhì)起到了積極的推動作用。

數(shù)據(jù)顯示，目前世界上至少有48個國家在發(fā)展機器人，其中，25個國家已涉足服務型機器人開發(fā)。迄今，在日本、北美和歐洲，已有7種類型計40余款服務型機器人進入實驗和半商業(yè)化應用；美國正致力于將為軍隊傷病員開發(fā)的機器人假肢和小型無人偵察直升機等技術轉(zhuǎn)為民用；歐盟啟動了全球最大民用機器人研發(fā)項目，到2020年將投入28億歐元用于研發(fā)醫(yī)療、護理、家務、農(nóng)業(yè)和運輸?shù)阮I域的機器人。在服務機器人領域，處于領先地位的是以美國、德國和法國為代表的西方國家，以日本和韓國為代表的亞洲國家。代表性產(chǎn)品有：德國研制的Care-0-Bot4，這是一款助殘助老獨立生活（擺放桌椅、取拿飲料、控制空調(diào)、報警呼救等）的看護機器人；日本安川電機公司研制的摩托曼，這是一款可以烹飪煎餅的家政機器人；韓國研制的Mahru-Z，這是一款可以打掃房子、加熱食物、輔助洗衣等的女仆機器人。

2017-12-14，我國工信部發(fā)布《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018—2020年）》[1]（以下簡稱《行動計劃》）?！缎袆佑媱潯诽岢?，支持智能交互、智能操作、多機協(xié)作等關鍵技術研發(fā)，提升清潔、老年陪護、康復、助殘、兒童教育等家庭服務機器人的智能化水平，推動巡檢、導覽等公共服務機器人及消防救援機器人等的創(chuàng)新應用。發(fā)展三維成像定位、智能精準安全操控、人機協(xié)作接口等關鍵技術，支持手術機器人操作系統(tǒng)研發(fā)，推動手術機器人在臨床醫(yī)療中的應用?！缎袆佑媱潯访鞔_指出，到2020年，智能服務機器人環(huán)境感知、自然交互、自主學習、人機協(xié)作等關鍵技術取得突破，智能家庭服務機器人、智能公共服務機器人實現(xiàn)批量生產(chǎn)及應用，醫(yī)療康復、助老助殘、消防救災等機器人實現(xiàn)樣機生產(chǎn)，完成技術與功能驗證，實現(xiàn)20家以上應用示范。《行動計劃》的發(fā)布為我國服務機器人的發(fā)展提供了明確的方向，將極大地促進服務機器人行業(yè)的發(fā)展。

1 服務機器人概述

1.1 服務機器人的定義

國際機器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics，IFR）將服務機器人定義為一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類的服務工作，但不包括從事生產(chǎn)的設備[2]。我國對服務機器人的定義是用于完成對人力福利和設備有用的服務（制造操作除外）的自主或半自主機器人。

1.2 服務機器人的分類

服務機器人是具有感覺、思維、決策和動作功能的智能機器，按照用途可分為專用服務機器人和個人服務機器人兩大類。專用服務機器人是在特殊環(huán)境下作業(yè)或具有商業(yè)用途的機器人，通常由訓練有素的操作員操作，例如公共場所清潔機器人、醫(yī)用外科手術機器人、康復機器人、鐳射治療機器人、軍用無人駕駛機器人、反恐防暴機器人、地雷探測機器人、特殊用途的消防救援機器人、深海工作機器人、挖掘救災機器人、管路探勘機器人等。

個人服務機器人是非商業(yè)活動用的機器人，例如家政服務機器人、助老助殘機器人、娛樂休閑機器人、寵物機器人、教育機器人、機器人輪椅等。

1.3 服務機器人的特性

隨著傳感器和智能化的發(fā)展，服務機器人已逐步克服了視覺感官差、動作表現(xiàn)差、服務功能單一等弱點，正朝著標準化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。

1.3.1 機械結構柔性好、動作靈活度高

服務機器人主要進行的是各種服務動作，而操控它的多是非技術人員，因此在機械結構設計上應具備柔性，以避免操控者受到不必要的傷害。通過改變服務機器人機械結構和各電動機的參數(shù)，可提高服務機器人的動作靈活度，以提供給操控者更便利的服務。

1.3.2 感知認知能力強、智能化程度高

服務機器人面對的環(huán)境更為復雜多變，需要在非結構化場景中進行感知、認知，最終通過邏輯分析判斷進行智能反饋，對人工智能技術的要求更高。通過語音識別、語音匹配及視覺處理等將聽覺、視覺、觸覺、溫度、位置、力矩等多種傳感器信息融合與處理，可使服務機器人具有甚至超過人類的感知能力，提高服務機器人的非結構化環(huán)境適應能力和智能化程度。

1.3.3 云存儲、云計算、云服務機器人

隨著信息技術、網(wǎng)絡技術與機器人技術的加速融合，服務機器人作為一種信息傳輸?shù)妮d體，會發(fā)送信息至云端和接收云端送回的信息，從而完成其相應的服務動作。建立基于云服務的服務機器人系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全球范圍的知識和信息共享、機器人之間信息和資源的共享；利用云計算和云存儲可進行復雜計算和數(shù)據(jù)存儲，以加速機器人學習進程、降低機器人研發(fā)制造成本。

2 服務機器人關鍵技術

服務機器人的未來發(fā)展目標是，如同“真人”一般進行動作、互動和思考，納米制造、仿生技術、語言識別、視覺處理、傳感器技術、人工智能、網(wǎng)絡技術、通信技術等多學科技術的交叉滲透是必然的。

2.1 納米仿生技術

仿生學是把各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，并改善現(xiàn)代技術設備、創(chuàng)造新工藝技術的學科[3]，服務機器人的研發(fā)運用了納米制造、仿生技術（包括人體結構仿生、材料仿生、功能仿生等）來模仿生物的外部形狀或某些技能，使之具有“真人”一般的外形，做出“真人”一般的動作。

2.2 傳感交互技術

服務機器人身上有多種傳感器，比如感知觸摸的壓力傳感器、感知環(huán)境情況的煙霧和有害氣體傳感器、感知光線強弱的光電傳感器、進行人機對話的語音傳感器、識別定位抓取物體的視覺傳感器，各種傳感器構成一個傳感網(wǎng)絡，感知空間環(huán)境，完成物體的識別、定位和抓取。語音識別、語音匹配及視覺處理等技術是實現(xiàn)傳感、完成智能反饋的基礎，是機器人完成交互與服務動作的關鍵。其中，語音識別是核心，語音匹配和視覺處理是重點。

2.3 導航定位技術

服務機器人只有準確知道自身的位置、工作空間中障礙物的位置、障礙物的運動情況，才能安全有效地進行自主移動，定位是移動的前提。根據(jù)工作環(huán)境復雜性、配備傳感器種類和數(shù)量等的不同，可采用基于慣性定位、基于陸標定位、基于全方向圖像定位、基于聲音定位、基于視覺伺服定位、基于激光雷達定位等來確定機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位姿，再利用RFID導航、GPS導航、磁導航、超聲波導航、激光導航、語音導航、視覺導航等導航技術，使機器人實現(xiàn)自主移動。

2.4 智能決策控制技術

在無他人干預的情況下，自主地驅(qū)動服務機器人進行精確定位、自主移動、識別抓取、人機交互、網(wǎng)絡控制等，這就是智能決策控制，包括仿人控制、模糊控制、混沌控制、人工智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，用以解決控制對方無法精確建模的復雜控制問題，智能決策控制具有非線性的特點。

2.5 網(wǎng)絡通信技術

傳感數(shù)據(jù)、聲音、圖像等從服務機器人身上采集到的數(shù)據(jù)要通過網(wǎng)絡進行傳輸，機器人接受來自網(wǎng)絡的命令和控制，借助網(wǎng)絡通信技術可得以實現(xiàn)?；赥CP/IP的有線或無線網(wǎng)絡通信、基于WSN無線傳感網(wǎng)絡通信、基于GSM手機網(wǎng)絡通信是當前常用的遠程通信方式，可以方便地操控服務機器人。

3 服務機器人發(fā)展趨勢

3.1 服務機器人的需求分析

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018—2023年中國服務機器人行業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》[4]，2012—2017年中國專業(yè)服務機器人銷售額復合增長率達10.46%，個人/家用服務機器人銷售額年復合增長率達31.17%，具體如圖1所示?？傮w來看，個人/家用服務機器人增長動力較強。

圖1 2012—2017年我國專業(yè)服務機器人與個人/家用服務機器人銷售額情況圖（單位：億美元）

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預測，到2023年，個人/家用服務機器人銷售額達24.1億美元，如圖2所示。

圖2 2018—2023年我國個人/家用服務機器人銷售額增長預測圖（單位：億美元）

3.2 服務機器人存在的問題

服務機器人仍存在著以下問題：①約75%的精密減速器從日本進口，超80%的伺服驅(qū)動器從歐美和日本進口，關鍵零部件長期大量依賴進口，自主創(chuàng)新能力不強，關鍵核心技術缺乏創(chuàng)新理念和原創(chuàng)性成果；②國內(nèi)市場由安川電機、ABB等外企主導，自主品牌以中低端為主，多是三軸或四軸機器人，市場認可度不高，生產(chǎn)規(guī)模偏小，企業(yè)盈利能力較差；③情感檢測、精確定位與抓取、圖像與視頻處理、連續(xù)工作的續(xù)航能力、網(wǎng)絡化人機交互等技術都未得到很好的解決；④物理安全、功能安全、信息安全等缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準和認證規(guī)范，部分企業(yè)技術不成熟或忽視技術研發(fā)，以產(chǎn)品組裝為主打，造成產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊和質(zhì)低價廉的惡性循環(huán)。

3.3 服務機器人的發(fā)展趨勢

結構的模塊化與可重構化、功能的多樣化、作業(yè)的柔性化是服務機器人的技術發(fā)展方向，技術的提高有賴于機械、生物、材料、仿生、信息等多學科的共同發(fā)展，只有涉及到的各學科技術都提高了，服務機器人技術才將全面提高。服務機器人正朝著人性化、智能化的方向前進，伴隨著信息技術、無線傳感技術及智能處理算法的發(fā)展，服務機器人將會實現(xiàn)任何地方、任何時間、任何環(huán)境的實時交互、無障礙操作，服務機器人將會完成互聯(lián)網(wǎng)上豐富資源的自動搜索、查詢和處理，智能化程度將會越來越高。

4 結論與展望

《中國制造2025》[5]規(guī)劃綱要中將服務機器人列為十大重點發(fā)展領域之一，提出“突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅(qū)動器等關鍵零部件及系統(tǒng)集成設計制造等技術瓶頸”。服務機器人作為新一代智能產(chǎn)品，被視作21世紀高技術制造業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，攻克精密減速器、伺服啟動器等關鍵零部件技術瓶頸，開展服務機器人生命周期可靠性和制造工藝技術研究，建設感知、識別、驅(qū)動、控制和人工智能的新型技術研發(fā)平臺，關注服務機器人在材料、安全和大數(shù)據(jù)等領域的技術創(chuàng)新，任重而道遠。