服务机器人研究

张涛+施天宇+孙春霞+孙艺鸣+刘成+薛同莲

摘 要：经济的飞速发展带动了社会进步，人民的生活水平也得以提高，如何利用服务机器人提高生活品质和生产效率已成为当前国内外的研究热点。服务机器人使用了众多高新技术，可以说是集自动化和智能化为一体的科技实用典范。该文借鉴国内外服务机器人的发展历程和现状，主要研究了我国的服务机器人的常用范围及设计方法，试图为未来服务机器人的技术发展方向提供一些思路参考。

关键词：服务机器人 市场分类 移动技术

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（c）-0099-02

伴随快节奏的现代社会生活和突出的老龄化问题，服务机器人越来越受到各类人群的欢迎。它对普通人生活品质的提升起了积极作用，在老龄人及残疾人的看护方面也扮演着非常重要的角色。服务机器人技术已经成为推动民生质量、缓解社会压力的热点技术。纵观全球，很多国家都在积极参与机器人的研究，部分国家在服务型机器人领域也已取得了不少成功的先例。我国在服务机器人领域的研究开发起步相对较晚，就现阶段而言，整体还落后于美国、日本等发达国家。但近年来在我国政府对科技大力支持的背景下，服务机器人在理论技术的研究有了长足的进步，同时在实用层面能够更贴近市场需求，开发出大量如导游机器人、商场迎宾机器人、扫地机器人、机器人护理床、智能轮椅等机器人实用型产品。该文将就市场应用角度和技术发展角度来分析服务机器人的使用现状。

1 市场应用

服務机器人是庞大的机器人家族中的新进成员，从其市场应用角度来看，可以分为专业领域使用的服务机器人和家庭相关的服务机器人。

1.1 专业服务机器人

专业服务机器人一般以其应用的专业领域进行的划分，大致可以归类为医疗、建筑、野外、水下、物流等多个种类。

其中在医疗产业方面的应用越来越频繁，现在常用的有护士助手、脑外科机器人、口腔修复机器人和进入血管机器人等。 1990年，“护士助手”机器人即开始被出售，它是一种能帮助减轻护士工作强度的机器人，不需要事先给予命令，一旦对其处理器编好程序，就可以完成以下各种原来护士常做的任务：运送医疗器材、康复设备和药品，为病人送饭或病历、报表及个人信件等。

北京航空航天大学、海军总院和清华大学共同研究开发了脑外科机器人辅助系统。

在使用该机器人系统之前，“框架脑立体定向手术”在世界各国医院的普遍做法是由医生在患者的颅骨上钻4个小洞，然后在这里固定一个金属框架，医生通过这个金属框架确定病灶的具体位置，并分析决定手术的具体位置，操作难度非常高，同时给病患带来很大的痛苦。

采用脑外科机器人辅助系统之后，不仅消除了固定框架给病患带来的痛苦，而且极大程度地方便了医生的操作，从而前所未有地提高了手术定位精度，并且使手术操作更加直观，完善了此类手术过程的可视性，为病患最大限度降低了手术带来的创伤。

建筑行业因其危险性高、劳动强度大被定位为最不受欢迎的行业之一，在避免事故频发、劳动力短缺方面，使用建筑服务机器人是一个有效途径。

当前，斜拉桥因其具有梁体尺寸较小，桥梁跨越能力较大等优点已成为我国“大跨径桥梁”最普遍采用的桥梁设计之一。它的主要受力组件“缆索”长期与空气直接接触，在常年的风吹雨打以及愈发严重的化工气体的侵蚀下，缆索的表面往往会形成持续性损害，对斜拉桥的承载能力造成不利的影响。因此，各桥梁维护公司逐渐开始使用爬缆索机器人完成对缆索的定期维护。最早的一台爬缆索机器人是在1997年由上海交通大学机器人研究所与上海黄浦江大桥工程建设处合作研制成功的，它由具有攀爬功能的机器人本体和立足于地面向本体提供后勤服务的机器小车两个部分组成，工作时由本体机器人攀爬至高空缆索，操控人员通过本体上安装的CCD摄像头传来的反馈，对机器人进行实时操控，指挥机器人本体完成点检、去静电、打磨、清洗、油漆等一系列保养维护工作，同时供应维护设备及材料的地面小车联动作业，确保及时正确地向本体提供后勤服务。

伴随着中国城市化进程的不断加深，各地区摩天大楼的数量明显增多，很多大楼的新型设计为打造未来都市的印象，同时兼顾采光和观景视线往往多采用强化玻璃材质的大型落地门窗，这就给后来的清洁带来了诸多问题。其实不仅是玻璃窗，其他材料的壁面也需要定期清洗。 这时，就要用到擦窗机器人和壁面清洗机器人。

建筑服务机器人还有很多，这里只列了部分。如果建筑服务机器人能更广泛应用于实际生产生活中，不但可以提高作业质量和效率，而且可以降低建筑工人的劳动强度和意外伤害，从而对改善建筑业从业人员的工作条件起到作用。

此外，还有各种工作于野外、水下等恶劣环境的机器人，以及能承担高强度、重复劳动的物流机器人。

1.2 家庭服务机器人

家庭服务机器人又分为家务机器人、娱乐机器人、老人及残障辅助机器人等。

家务机器人可以完成洗衣、扫地、擦窗、斟茶、倒水等工作，其中最常用的是扫地机器人。目前的扫地机器人根据其路径寻找方式大致可分成两种：一种是类似iRobot采取的“随机寻路方式”，先通过算法设定其可覆盖的极限范围，工作时它在此范围内随机移动并进行清理扫除，属于无序寻路方式的一种。另一种即Neato为代表的典型寻路方式的机器人，它通过自身携带的GPS导航系统，能够做到精准地规划行经路径，避免无序碰撞。

娱乐机器人能够与外界进行互相交流，能够接受指令行走并完成被要求的动作，能够供人娱乐及观赏，会说话、唱歌，有一定感知能力。如足球机器人、玩具机器人、机器人歌手和舞蹈机器人等。商场迎宾机器人娱乐机器人一样，通过检测外部环境，给出相应的语音反应。

随着经济的发展和科技的进步，建立新型的高科技福利社会已经是众望所归，越来越多的老年人或身体障碍者期待通过新科技改善其生活的品质。

加之天有不测风云，在复杂的现代社会环境中，每年均会有很多不幸的人患上难以治愈的病痛，乃至失去部分行为能力。研发用于协助身体障碍者自由行动的轮椅型智能设备——“机器人轮椅”开始成为了研究的一个热点。机器人轮椅可以帮助残疾人士行走、上下楼梯、提取物品等。根据其设计初衷，该类机器人是在基于实时定位的GPS系统和语音识别系统上，加入多方位传感器反馈而研发成功的，机器人可以做到识别指定语音下的几百条口令，并有自动避障、导航定位等功能。

2 技术发展角度

从技术应用的范围来看，服务机器人不同于传统工业用机器人，它把重心放在了基于现阶段发展迅速或者说得上日新月异的声光电传感技術在交互层面的运用上。

现阶段的交互技术主要分为以下3类：语音识别、语音匹配以及视觉处理。

识别、匹配以及最终的处理是实现传感并确保能够完成智能反馈的技术基础，服务机器人实现交互并运作的关键，现阶段对于语音识别模块的研究已经初具规模，目前各大公司开发有初具效能的语音包、语音模块以及视觉模块。其中语音识别是一个处于基础地位的核心功能，运用何种算法才能达成储存语音的提取、解码、匹配、反馈、最后实现用户与设备间的交互是需要不断完善的重中之重。苹果公司的Siri即可视为一台智能化机器人。服务机器人可在了解各种相应模块的基础上，根据市场需要的变化开发相应的服务机器人。

同时，在机器人位移技术层面，可以以传统工业类机器手臂为基础，在此基础上增加定位及视觉处理等技术。比如，家用吸尘器+随机寻路方式传感设备就是扫地机器人，再加上CCD摄像识别系统和测距导航定位系统就是智能避让节能型扫地机器人，进一步加上口令识别就可以是人机互动管家式智能机器人。其中测距可以采用超声波和红外波段导航的方式，但其也有可控测范围有限这一个缺点，如果同时采用CCD摄像头拍摄图像，运用机器视觉及相关技术识别路径，完善视觉导航则有希望可以克服该方面的不足。

总之，随着科技的发展，未来的服务机器人研究会在利用外部传感器和云信息增强服务机器人感知能力方面进行有力的探索，对软件、内容、渠道的要求越来越高。所以服务机器人与新原理、新材料、具体环境及云数据的结合会越来越紧密。未来发展是与全社会的关注及众多学者专家的不懈努力分不开的。

参考文献

[1] 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（9）：1049-1066.

[2] 服务机器人科技发展“十二五”专项规划[J].机器人技术与应用，2012（3）：1-5.

[3] 蔡有杰，王世刚，周长明.家用服务机器人的结构设计与开发[J].电子世界，2013（6）：118-119.