服务机器人设计原则浅谈

赵宇浩+刘洋

摘 要：近年来，服务机器人市场增长迅速，随着互联网技术日新月异的发展，人工智能、物理网、新材料、为机器人的设计创新提供了更多可能。人们生活水平日益提高，对生活品质将会有更多的要求，智能、灵活、功能强大的服务机器人具有广阔的发展前景。本文通过对机器人发展历程和新技术的文献研究，以用户为中心对未来服务机器人的设计提出安全、实用、情感交互、智能、低成本等的设计原则。

关键词：服务机器人；人工智能；物联网；设计原则

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2017）30-0167-02

一、引言

机器人的发展一直都是社会讨论的热点，近年来，随着科学技术发展，互联网技术给各行业、各领域的发展带来新的可能，人们对机器人的研究和思考已经不只是科学家的技术研究以及哲学家的学术讨论，各行各业的翘楚在互联网发展的热潮里看到了机器人发展的新方向。据市场研究显示，2016年我国家用服务机器人的市场规模已达 140 亿元人民币，预计 2017 年将达到 240 亿元人民币。随着国民生活水平的提高，人们对于生活品质将会有新的要求，届时家用服务机器人市场将进一步扩大，相信未来科技的发展，生产成本的降低，服务机器人将如同普通家用电器一样走入寻常百姓家，为人们的生活提供便利。

二、近现代机器人发展概述

创造一种能够代替自身进行各种劳动的事物是人类长期以来的愿望，“机器人”的概念便伴随着这个美好的愿望诞生。国内外历史古籍对机器人相关故事均有记载，《列子·汤问》中记有“偃师献艺”寓言，描述了战国时期巧匠偃师善做能歌善舞的人偶，虽然寓言带有科幻色彩，但充分表达了人们对于机器人的幻想。1959年，美国发明家英格伯格和德沃尔设计制造出第一台工业机器人，由此拉开了现代机器人研究发展的帷幕。

（一）现代机器人发展历程

从机器人技术革新的角度看，现代机器人的发展可分为三个阶段。示教再现机器人（第一代机器人）根据示教编程存储的固定程序不断重复执行的机械动作，对外界信息不具备反馈能力，自上世纪50年代末至90年代，示教再现机器人作为工业机器人在全球范围工业生产制造领域应用；各类传感器的发明和应用为机器人提供了感知周围环境的可能，在第一代机器人的基础上发展出感知机器人（第二代机器人），可根据环境变化进行简单判断并对自身动作做出调整，减少工作错误，又被称为自适应机器人，目前已作为工业机器人被生产企业应用；智能机器人（第三代机器人），不仅具备感知机器人感应外界信息的能力，而且具有推理、规划、学习能力，将感知和行动智能结合起来，目前正处于研发阶段。

（二）机器人分类

机器人的分类方法多样，我国机器人研究者从应用环境的角度将机器人类别划分为两大类，即制造环境下的工业机器人和非制造环境下的特种机器人。工业机器人多为用于工业生产制造的多关节机械手或多自由度机器人，可协助或代替工人在高危环境中完成劳动强度大的工作，普遍应用于3C制造业、汽车零部件及整车装配、建筑等领域，服务于国民经济几十个行业大类。特种机器人根据具体用途又可划分为服务机器人、军用机器人、农业机器人等，应用领域广泛，其中家用服务机器人市场发展态势良好，2010年至2016年，家用服务机器人的全球市场销量已从220万台增至640万台，家政服务机器人、家用安全监视机器人、教育娱乐机器人等家用服务机器人已逐步进入普通家庭，给人们生活带来新体验。随着人们生活水平的提高，新需求细化，提供对应服务的服务机器人将会出现，机器人的类别将进一步细分，应用领域将进一步扩大。如图1所示。

三、 新技术对机器人的影响

（一）人工智能

人工智能是以计算机系统为基础，通过信息收集、信息处理、执行命令，以达到模拟人类的某些思维过程以及诸如学习、思考、推理等智能行为的学科，研究领域主要包括机器人、模式识别、自然语言处理、专家系统、机器学习，计算机视觉等。

人工智能分为强人工智能（Artificial General Intelligence，简称AGI）和弱人工智能（Artificial Narrow Intelligence，簡称ANI）。由于强人工智能的智能程序要求达到人类级别，既可以像人一样对各种层次的问题做出应对，还需要具备自我学习和理解复杂理念等能力，研究开发困难。目前被广泛研究和应用的在单个领域较强的人工智能程序属于弱人工智能，其深度学习能力和云计算能力强大，在大数据分析、人机交互、医疗护理、无人驾驶、工业机器人和智能家居等多个领域普遍应用，iPhone 的语音助手siri、购物App智能客服、手机面部识别等都是弱人工智能。各大互联网公司十分看好人工智能与真人深度交互的特点，积极开发各类人工智能相关的产品，如百度“度秘”、阿里小蜜、Facebook M助理等人工智能产品，能够通过与用户深度交流，了解用户信息，判断用户需求，为用户提供相应的服务。

目前，人工智能研究领域的人工神经网络、专家系统、蚁群算法、进化算法等技术在机器人领域的应用，使机器人的深度学习能力和信息处理能力更出众，增强了对环境的自适应能力；控制系统智能化，科学计算规划最优工作路径，工作效率提高；智能化程度进一步提高，促进了机器人的拟人化发展，为机器人处理复杂工作提供了更多的技术支持。

（二）物联网

物联网（Internet of things，简称IoT）是以互联网为基础，通过射频识别（RFID）、红外传感器、气体传感器、声波传感器、定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，将现实物品与互联网连接，进行物与物之间的信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的网络。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理三大特征，被广泛应用于智能交通、安保监测、物业管控、健康护理、植物栽培、军情侦查等多个领域。endprint

物理网的广泛应用，为机器人的控制提供了新的环境，基于物联网的特性，机器人能通过信息传递和智能处理，完成大部分需要人工劳动完成的任务；将射频、条码标签、传感器等技术应用于工业机器人生产线，对零部件、产品自动打码，可实现生产过程的实时数据采集和信息监测，对产品生产过程追踪定位；多机器人系统可通过物联网的感知，信息传递、智能规划任務和活动路径，实现协同工作，提高工作效率。

（三）其他新技术

2016年英国《自然》杂志刊登了由哈佛大学生物工程研究所团队研发的全球首个全软体机器人“Ocobot”（章鱼机器人），该机器人全部使用柔性材料硅橡胶，成本低廉，不含任何坚硬的零件，依靠化学反应产生的气体压强变化实现自主运动，摆脱了外置电缆的限制。柔性材料的多自由度、高灵活、可变形、能量吸收等特性，使机器人能在更极端的环境下灵巧的运动，承受外部冲击的能力更强，胜任更多任务，在狭小空间故障检查、医疗诊断、军事侦查探测领域具有广泛应用前景。

液态金属控制技术是一直通过控制电磁场准确控制液态金属材料外观特征、运动状态的新技术，目前主要应用于3C制造领域，具有熔融后塑形能力，为机器人的可变形发展提供了可能。生肌电控制技术是利用人类肢体表面肌电信号控制机器活动的技术，通过生物信号控制机器人，在远程控制、医疗、军事领域具有较好的应用前景。情感识别技术，可通过采集、分析人类面部、肢体信息，有效识别人类情感和心理活动，使机器人具备了类似人类的观察能力，可以用于辅助医疗，刑侦鉴别等领域。

四、服务机器人的发展现状

服务机器人研究和应用在一些发达国家发展迅速，其中扫地机器人发展已经完全成熟稳定。日本在机器人研究方面处于世界前列，日本政府已经将推动家用机器人产业发展定为国策，各国都出台了相对应的既定国策。日本机器人协会最新研究发现，工业机器人的相关技术研究趋于成熟，未来发展空间及其有限，服务机器人研发、应用将大幅增长，预计2025年将有517亿美元的市场规模。

大多数服务机器人如扫地机、教育娱乐机器人、医疗机器人等服务于人的日常生活，与工业机器人相比使用环境信息更复杂，这就要求服务机器人需要对周围环境信息、用户信息识别精准，且具备仿人的情感、思维，动作反馈拟人化、情感化，以满足社会服务需求。本田公司研发的ASIMO仿人机器人从第一次以双脚流畅行走亮相至今已发展了17年，其最新版的ASIMO造型简约，已经可以流畅完成包括攀爬楼梯、手语交流、倒茶、踢球等高难度拟人行为。

目前，国内机器人研发多注重技术应用，编程人员与工业设计师、用户之间沟通交流欠缺，逻辑思维相差甚远，造成国内服务机器人外观偏机械，交互体验差，与国外服务机器人相比缺乏市场竞争力。服务机器人本身是技术的集合，其核心技术不存在垄断，如何利用自身优势，研发满足我国市场需求的服务机器人，阻止发达国家的输出，改变市场现状，是我国目前最迫切需要的。

五、服务机器人设计原则

服务机器人基本设计原则，如图1所示。

根据未来科技发展趋势分析以及服务机器人的实际市场需求，服务机器人的设计应满足以下几个原则：（1）安全；不仅指机器人自身外观设计、动作设计的安全，所用材质绿色环保无公害，还应包括内部信息的安全。物联网环境下，物与物之间信息交流通讯，服务机器人应设置信息安全锁，保护核心代码及用户信息，防止黑客篡改，减小安全隐患。（2）实用；机器人结构复杂，智能系统模块多样，服务机器人在功能实现的基础上，各个部件应实现模块化设计，便于更换，方便普通用户日常维修、维护，同时便于硬件的升级拓展，节省使用成本。（3）情感交互；机器人不同于普通智能产品，其交互是从单一的界面交互到肢体和界面综合的立体交互，交互过程注重人的情感，动作反馈充满趣味性，拟人化的动作与工业机器人有明显的区别。（4）智能；“智能机器+网络”的智能系统，在人工智能和物联网等互联网技术普及下，服务机器人应针对不同的工作环境，通过信息获取，深度学习，不断适应新环境，提升自身工作效率；多机器人在物联网通信环境下，协作完成复杂任务。（5）低成本；目前功能强大的服务机器人技术尚在实验阶段，制作成本较高，随着技术发展，未来量化生产，服务机器人制造成本应进一步控制，降低消费门槛。

六、结语

2017年被誉为人工智能元年，互联网技术的进步、新材料工艺的发展为服务机器人的设计创新提供了更多的可能。随着《中国制造2025》一系列政策的推进，中国服务机器人将面临更多的机遇和挑战，实现服务机器人的全面化、智能化、市场化，不仅需要科技的支持，还需要设计思维的指导，满足大众审美和功能需求，充分发挥本土优势，才能提升中国服务机器人的市场竞争力。

参考文献：

[1]柏程缤.人工智能在机器人领域中的应用展望[J].内燃机与配件，2017（14）.

[2]邢妍.服务机器人交互设计研究与应用[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.

[3]郑伟，刘学彬，任保飞.浅谈家用服务机器人的现在和未来[J].内蒙古煤炭经济，2017（09）.

[4]梁小晓，唐玲，曹莉，乐英高，高祥，陈超.物联网环境下的机器人技术研究[J].煤矿机械，2015（04）.

[5]王田苗，陶永，陈阳.服务机器人技术研究现状与发展趋势[J].中国科学：信息科学，2012（09）.endprint