服务机器人的现状及其发展趋势

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1、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种国家高科技水平和自动化限度，它具有广阔的发展空间和市场前景。本文简介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，并论述了目前服务机器人研究领域的核心技术，最后展示服务机器人的将来发展方向和研究趋势。核心词：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文献标记码：A The Current Situation and Development Trend of Service Robot JI Peng-cheng，

2、SHEN Hui-ping（College of Mechanical and Energy Engineering ，Jiangsu Polytechnic University，Changzhou, Jiangsu 213016, China）Abstract:The technology of the intelligent service robot represents a national high-tech level and the degree of automation, it has a broad development space and market prospec

3、ts. This article describes the definition and development prospects of service robots, analyses the current situation of service robot research at home and abroad, and introduces the key technologies in the fields of the current service robot research.Finally ,the direction of development and resear

4、ch trends of service robot in the future is showed.Keywords: service robot;artificial intelligence; multi-sensor information fusion;intelligent control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，是现代最高意义的自动化，特别在当今的工业制造中，机器人学已获得了最伟大的成功1。进入21世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人进一步生产、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

5、更加急切，老龄化的家庭构造必然使更多的年青家庭压力增大，并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替代人从事多种生产作业, 使人类从繁重的、反复单调的、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将来发展进行了综述。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种年轻成员，到目前为止尚没有一种严格的定义，不同国家对服务机器人的结识不同。国际机器人联合会通过几年的收集整顿，给了服务机器人一种初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工

6、作的机器人，它能完毕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，也涉及多种家用机器人、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辨别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）记录部门于10月公佈的最新资料

7、，全球服务型机器人市场概况分述如下：个人和家用服务型机器人： 至底，个人和家用服务型机器人合计装置量已超过340万台，娱乐休闲用机器人已达到200万台。至 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，将来四年服务机器人市场总值合计约57亿美元，到，全球个人和家庭机器人市场的规模估计将达到150亿美元，同步，将浮现多种类型的个人机器人。专业服务型机器人：至底，全球已有4.9万台的使用数量，估计究竟，将增长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估计将有1.56万台销售

8、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 中国机器人专家、工程院院士徐扬生专家说：“只要时间，机器人将在世界范畴内，普及到每个人的平常生活之中。这将是一种巨大的市场，估计将比目前的汽车市场还要大。”韩国科学家预测：到至，每个韩国家庭将拥有一种机器人。日本专家估计：到日本将有25%的人口年龄超过65岁，护理型机器人将供不应求。德国科学家估计：将在将来的几十年间，家庭生活中将浮现的最大变化就是机器人的普及，家庭服务机器人将在平常家庭生活中扮演越来越重要的角色，承当越来越多的工

9、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，机器人已从工厂的构造化环境进入人的平常生活环境医院、办公室、家庭和其他杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完毕工作，并且能与人共同协作完毕任务或在人的指引下完毕任务的智能服务机器人，特别是近来几年，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，人们均有目共睹6。1.3.1 1.3.1 中国 中国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常注重，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年至的20近年中，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

10、毕各项任务，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，为国内21世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基本7。如图1所示，这是国内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。她可以根据工作人员说出的指令，立即完毕相应的动作,她可以讲英语、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，她能自动辨认途中遇到的障碍物，并做语音提示。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与，通过三年的奋斗，研制的“汇童”仿

11、人机器人（如图2），获得了重大成果, “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初次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。 目前，国内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，国内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人们会面。图1 美女机器人 图2 “汇童”机器人Fig.1 Beauty robot Fig.2 Huitongrobot1.3.2 日本 日本将机器人作为一种战略产业，予以了大力支持，并且日本根据目前

12、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，日本机器人工业之因此领先世界，一方面和她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，并且老龄化趋势严重，她们需要机器人来承当劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也但愿机器人研发成为本国的支柱产业，因此投入大量资金，为了攻克更核心的服务机器人技术，日本在 年至 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：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，它依托车轮移动，共搭载

13、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。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)，以顾客为中心的机器人开放架构（Centered Robot Open Architecture）开发而成，该架构采用产综研始终在研发的实时Linux、机器人使用的“RT（Robot Technology）中间件”、可进行机器人仿真的软件“OpenHRP3”、语音辨认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

14、器人HRP-4CFig.3 Robot nanny Fig.4 Beauty robot HRP-4C1.3.3 韩国 韩国将服务机器人技术列为将来国家发展的10大“发动机”产业，她们已经把服务型机器人作为国家的一种新的经济增长点进行着重发展，对机器人技术予以了重点扶持，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达，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，但是有望在将来5内迎头赶上，韩国科学家成功研制出世界上最聪颖的类人机器人“Android”(如图5)，它集众多前沿科技在一身，涉及实时数据传播、音像和力觉感应器、高速解决器等，通过它身上装

15、备的音像及力觉感应器可以探测前方物体的运动，可以辨认说话声，然后向服务器发送数据，服务器将数据解决后会下达指令给机器人，协助它与人类以及周边环境进行互动。“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，并会体现多种情绪和唱歌，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.5 Robot Android Fig.6 Eve Robot 21.3.4 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注重理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美

16、国的机器人技术在国际上仍始终处在领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强。例如：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种显示屏，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种摄像头，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运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。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)，它可以直接将顾客的下半身紧紧围拢起来，以便更好的感知顾客臀部或其她位置的运动，从而提供更加敏捷的操控。图7 机器人医生 图8 助残机器人

17、Fig. 7 Robot doctor Fig.8 Assistive robot1.3.5 欧洲 德国的社会环境却是有助于机器人工业发展的,由于战争，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,即对于某些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来替代一般人的劳动，这个筹划推动了服务机器人技术的发展。德国通过近十年的努力，其服务机器人的研究和应用方面在世界上处在公认的领先地位：新一代机器人保姆Care-O-Bot3(如图9)遍及全身的不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头，让它既能辨认生活

18、用品也能避免误伤主人；它还具有声控或手势控制有自我学习能力，还能听懂语音命令和看懂手势命令。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，并且在机器人应用水平和应用范畴上处在世界先进水平，这重要归功于法国政府一开始就比较注重机器人技术，大力支持服务机器人研究筹划，并且建立起一种完整的科学技术体系，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。这款名为NAO的两台双足智能机器人(如图10)，是法国阿德巴兰机器人公司研制的，它具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和25个灵活的关节,能执行多种动作指令。图9 机器人Care-O-Bot3 图10 机器人NAOFig.9 Robot Care-O-Bot3 Fig.10

19、Robot NAO从70年代末开始，英国政府履行并实行了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人公司以补贴、积极增进机器人研究单位与公司联合等，使英国机器人开始了在生产和服务领域广泛应用及大力研制的昌盛时期。譬如：英国机器人研究公司(RM)开发的霹雳舞机器人MechRC（如图11）既能在课堂上大显身手，会协助孩子们学数学、几何、物理、设计和工程学，又能跳舞，由于这个机器人身上有着多种灵活的关节，通过计算机设定好的程序，就能做出多种人类的舞蹈动作。俄罗斯由于没有国家发展服务机器人的统一规划，有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的发展以科研和实验

20、为主，以储藏技术，便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人，目前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化限度较低，需要不断地增长功能、完善技术和提高质量。此后，俄罗斯将重点发展检查类机器人和室内外打扫和清洁机器人 8。近几年来，俄罗斯服务机器人技术上也获得可喜的成绩：俄罗斯初次研制的人形机器人 “阿涅亚”运用了“新纪元”公司许多独特的研究（如图12），这款机器人机械构造和程序保障系统十分先进，它们能用双脚行走，能与人对话。 图11 霹雳舞机器人 图12 “阿涅亚”机器人Fig.11 Break dance robot Fig.12 Anieyarobot2 服务机器人的核心技术服务机器

21、人技术在本质上与所有其他类型的机器人是相似的,其重要技术涉及:2.1 环境感知传感器和信号解决措施多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合解决信息的过程同样，它充足地运用多种传感资源，通过对多种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将多种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息根据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述，多传感器信息融合技术按照数据的抽象层次分类可分为数据层融合、特性层融合和决策层融合三种9。2.2 智能控制智能控制重要涉及模糊控制、神经网络、进化计算等，且逐渐成为成熟的控制思想10。模糊控制源于模糊数学，或称弗晰数学，是研究如何体现和解决模糊性现象的一种数学分支1

22、1-12，模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基本的一种计算机数字控制。人工神经网络控制，从生物学的观点来看，神经网络的功能为信息解决和推理、联想和思维等高档的思想活动13，而人工神经网络控制是运用工程技术手段模拟人脑神经网络的构造和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。2.3 导航与定位在服务机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题14。把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合用于服务机器人的导航定位系统，如图13所示。图13 服务机器人导航定位系统Fig.13 Navigation and positioning syst

23、ems for service robot2.4 途径规划途径规划就是指在服务机器人工作空间中找到一条从起始状态到目的状态、可以避开障碍物的途径。途径规划措施大体可以分为老式措施和智能措施：老式途径规划措施重要有如下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法，在这几种措施中，人工势场法是老式算法中较成熟且高效的规划措施，它通过环境势场模型进行途径规划，但是没有考察途径与否最优15。智能途径规划措施是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能措施应用到途径规划中，来提高机器人途径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法重要有模糊措施、神经网络、遗传算法、Q学习

24、及混合算法等，这些措施在障碍物环境已知或未知状况下均已获得一定的研究成果16。把模糊控制和人工神经网络控制相融合，形成的模糊神经网络控制用于服务机器人的避障，以BP网络作为机体，以基于模糊规则的模糊神经网络，采用CCD摄像机和多种超声波测距传感器，对服务机器人可以避障进行控制，如图14所示。图14 服务机器人模糊神经网络图Fig.14 Chart of fuzzy neural network for service robot3 服务机器人的将来展望服务机器人的开发研究获得了举世瞩目的成果，将来智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。3.1 人与机器人的融合美国科学家正在研

25、制的独特机械控制假手臂（如图15），可以通过“思维力”进行控制。当患者需要借助于机械手完毕某种动作时，她只要简朴地想要做什么即可，大脑发出的信号会刺激肌肉，相应的电脉冲会被电极记录，随后信号会转变成控制机械手臂的指令可以完毕多种复杂动作，其中涉及拿住物体，它不仅能恢复患者的动作效能，并且能感受到触觉。据日本媒体报道，新开发的装置由头盔状的传感器及测量记录器构成（如图16），如果人设想使用左手的动作，脑波及脑血流的变化便会参照事先存储的数据，使机器人举起左手，该技术此后有也许运用于家务机器人，协助人们从事端菜、给植物浇水等家务和肢体残疾或瘫痪人士。图15 思维力控制假手臂 图16 意念控制机器人

26、Fig.15 Fake arm controlled with the power of the thought Fig. 16 Robot controlled with the idea 3.2 人工智能技术的全面应用多种机器学习算法的浮现推动了人工智能的发展，强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到服务机器人系统中，使其具有类似人的学习能力，以适应日益复杂的、不拟定和非构造化的环境。例如：英国科学家研发出首名“机器人科学家”（如图17），这款机器人能独立推理、把理论公式化乃至摸索科学知识，堪称人工智能领域一大突破。“机器人科学家”将来可以投身于解开生物学谜题、研发新药、理解宇宙等研究领域。

27、英国的一种具有语言学习能力的类人型机器人（如图18）即将问世，研究者的目的是：机器人将来可以对语言进行自我学习，以及在社会化环境中向她人学习，并且把这种语言能力转化为自主化学习和解决问题的能力，并且与周边环境互动，将来有也许使机器人掌握更多的自主性能力。 图17 机器人科学家 图18机器人iCubFig.17 Robot scientist Fig.18 Robot iCub3.3 传感器技术的发展将来机器人传感器技术的研究，除不断改善传感器的精度和可靠性外，对传感信息的高速解决、自适应多传感器融合和完善的静、动态标定测试技术也将成为机器人传感器研究和发展的核心技术。将来机器人传感器研究涉及多

28、智能传感器技术、网络传感器技术、虚拟传感器技术和临场感技术17。3.4 服务机器人的人性化技术进步将容许在将来几年克服目前这些技术（开放空间的导航、学习能力和智力行为、多传感器融合和容许对所有不同类型任务进行高效解决的解决器等）的限制，设计和使用功能日益强大的机器人，集成技术将容许超越由于材料、技术等形成的目前限制边沿，日本专家预测，在到2027年之间，智能机器人系统的发展将容许机器人会保存和反复使用此前已获得的技能和技术，如表1所示，人和机器人的交流将变得更加的简朴化了18 。4 结论随着服务机器人技术不断发展和开发成本的不断下降，服务机器人将会走进千家万户，将成为人们生活、工作和学习上的好

29、帮手，相信这一天将不久到来的。表1 日本专家对服务机器人技术的预测 Tab.1 Japanese experts predicted the technology of service robot时间 事件 智能系统的发展可以将在与流程、技能、知识和经验有关的人类决策方面协助人类作出决定。 在人机界面的实际使用中，设立在人机界面中带有对话与理解功能的虚拟顾客可通过与人类的对话借助信息解决设备执行任务或程序。2023年 随着与生物体隔阂相似功能的人工膜的发展，人脑可以通过计算机控制电机的技术使得对假肢进行直接和自主控制而不依赖于脊柱或周边神经系统。2027年 随着具有视觉功能、听觉功能、能执行其

30、他感官功能智能机器人的发展，机器人将类似于人类，可以思考，作出决定和采用行动。参照文献（References）1 The definition of service robot in the questionnaire of the international federation of robotics ( IFR) for their yearly study of world wide robot statisticsC19982 蔡鹤皋机器人将是21世纪技术发展的热点 J中国机械工程，11(1-2 )：58-603 金周英有关国内智能机器人发展的几点思考 J机器人技术与应用，（4）：5

31、-74 蔡自兴中国智能机器人研究J莆田学院学报，9（3）：36-395 吴海鸿家庭机器人大市场已呼之欲出N 中国青年报，（6）6 RoferT，LankenauA，MoratzRSevice Robotics applications and safety issues in an emerging marketJWorkshop W20 in proceeding ECAIBerlin，7 国家863筹划智能机器人专家组M北京：中国科学技术出版社，8 苏天云俄罗斯机器人技术发展趋势J 全球科技经济瞭望，1999，（2）：10-119 赵蕊，贺建军多传感器信息融合技术J 计算机测量与控制，15

32、(9)：1124-11210 张毅，罗元，郑太雄等移动机器人技术及其应用M北京：电子工业出版社，11 LiR，WallanceA，spefR，etalTwo-axis model development of cage-rotor brushless doubly-fed machinesJIEEE Trans on Energy Conversion，1991，6（3）：453-460 12 HuHBradyM.A Bayesian approach to real-time obstacle advoidance for an intelligent mobile robotJIntern

33、ational Journal of Autonomous Robots1994，1（1）：64-10213 王灏，毛宗源机器人的智能控制措施M北京：国防工业出版社，14 孟庆春，齐勇，张淑军等智能机器人及其发展J中国海洋大学学报，34（5）：831-83815 庄晓东，孟庆春，高云等复杂环境中基于人工势场优化算法的最优途径规划J机器人，25（6）： 531-53216 Chaochang ChiuLearning Path Planning Using Genetic Algorithm ApproachCProceedings of the HCI Internation99 on Human-Computer Interaction，USA：awrence Erlbaum Associates，1999，（8）：71-75 17 高国富，谢少荣，罗军等机器人传感器及其应用M北京：化学工业出版社，18 Antonio Lpez Pelez， Dimitris uRobots，genes and bytes technology development and social changes towards the year JTechnological Forecasting & Social Change ，（75）：11761201