服务机器人 1)

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1、 1 0 引言 机器人最早出现在2 0世纪6 0年 代，其最初是作为一种工业设备中发 展起来，到1 9 9 6 年全球已经拥有8 6 万 台。在这些工业机器人中将近有一半 （4 0 万台）安装在日本，德国排名第二 （6 万台） ，美国第三。近年来亚洲（不 包括日本）的工业机器人增长速度很 快， 但是从全球来看， 工业机器人的发 展速度已经渐渐趋于停滞。在这种情 况之下，机器人产业的发展必须寻找 新的市场，开拓机器人新的应用环境。 机器人未来将逐步的把发展重点从传 统的制造业转向非制造业，尤其是服 务机器人。联合国的一个调查委员会 在2 0 0 3 年1 0 月3 日发表的2 0 0 2 全球

2、机器人调查报告 中称， 家庭服务机器 人的数量2 0 0 1 年底仅2 . 1 5 万台 （全球, 其中不包括 “爱宝” 之类的电子宠物及 高科技玩具） 。 该报告预计： “这一数字 在今后3 年内将猛增至7 1 . 9 万台” 。这 项调查报告同时也认为，服务机器人 的性价比今后将飞速提升，现在已经 出现迅速普及的前兆。 1 . 服务机器人的定义 今天，机器人技术的主流应用是 产品制造。不过，机器人一些新的应 用领域也在逐渐浮现。这种机器人以 提供服务性工作作为其特征，我们通 常将其称为服务机器人。作为一种刚 出现的，正在发展的领域，服务机器 人有这样几种概念的描述： （1）服 务机器人是一

3、种自主或者半自主的能够 提供服务而不是提供生产的机器人， 这种机器人能够改善人们的生活质 量。 （2 ）一种以半自主或全自主的方 式操作，用于完成对人类福利和设备 有用的服务( 制造操作外) 的机器人。 （3 ）服务机器人是能在日常环境中完 成对于人类活动有用的服务的、基于 传感器的、可预编程的机电一体化装 置。欧美国家多采用第一种的定义， 服务机器人的定义较为广泛。在亚洲 国家 （包括中国） 多采用第二种定义， 定义狭窄，但是更贴近普通人的理 解。 由于机器人系统和人处于同一个 工作环境中，服务机器人必然包含了 工业机器人技术的所有方面。服务机 器人和工业机器人相比同时有着自己 的特色，例如

4、安全问题、人机操作界 面，以及在复杂环境中的高度自主控 制能力，等等。今天绝大多数的服务 机器人的任务主要是在某些环境完成 一些很小的简单工作。这些工作包括 服 务 机 器 人 ? 姜 山 1 1 动机来提供动力。采用了这些方式的机器人一 般将比滚动式机器人昂贵。 2 . 2 作业环境 机器人的作业环境通常分为结构化环境 ( s t r u c t u r e d e n v i r o n m e n t ) 和非结构化环境 ( u n s t r u c t u r e d e n v i r o n m e n t ) 两类。 结构化环境是 指机器人工作的周围场所是固定的布局，非结 构环

5、境则相反。 工业机器人主要是在结构化环境 下工作， 而服务机器人作业环境则包括结构化环 境和非结构化环境两类， 但主要是在非结构环境 下工作。 特别是服务机器人经常要处于与人共存 的环境中，这种环境通常是非结构性的。非结构 环境又可以分为部分非结构化和完全非结构环 境。 部分非结构化环境是指经常发生突发性事件的 结构化环境， 又称为准结构化环境， 特征是平整的 地板、垂直的墙壁、规范的门厅走廊等。 通常是指 办公室、公众建筑、超市、家庭等。这些地方 地板一般较为平坦，墙壁一般为垂直，门口和走 廊尺寸较小，温度和湿度都可以人工控制。这是 机器人和人最经常共处的环境。一般说来，大部 分的人不会为了

6、服务机器人而接受专门训练的。 由于环境中的家具以及人的位置随时可能都有改 变，因此机器人必须设计成以自我为中心进行管 理。机器人的设计者在设计时必须充分考虑环境 变化，用来弥补由于探测技术的不足。 完全非结构化环境是指环境随时间发生变化， 一般指的是下水道、建筑场所、加工厂和核工 厂、桥梁以及建筑物的外墙和屋顶甚至是建筑物 的空间。相对于家庭环境，这种环境可能对于服 务机器人的要求更为苛刻，但是这种环境能为设 计者提供较好的预计，尤其关于建筑方面。完全 非结构化环境中，机器人和人发生关系的机会不 运输，监督，检查和探测。例如在一个建筑环境 中的投寄邮件、运输实验室样品以及药品。服务 机器人还可

7、以承担起在危险地方的监视作用，在 仓库中对非法进入者和火警进行报警；如果商品 有特殊的标签，还可以对其进行估价和按照目录 进行管理。检查的任务包括寻找桥梁的危险、核 工厂的放射性泄漏以及化学仓库的化学泄漏。 N A S A （美国国家航空航天局）的火星探测机器 人是机器人用于探测的最好的例子。 此外对于服务机器人还有一个特殊的用途， 就是用来清洁， 主要用于两个方面 ： 1 在家里面用吸 尘器清洗地板，2 清洗公共场所的地板以及清洗大 的建筑物的外墙。 2 . 服务机器人的基本特点 2 . 1 机械结构 机械结构通常指机器人的本体结构。任务和 作业环境决定了服务机器人的结构形式。 按照其本 体

8、结构的运动能力， 服务机器人从结构上一般分为 固定和移动式两种。 固定式服务机器人通常工作于 结构化环境， 机器人与环境之间的互动较少， 任务 比较单一。 采用多关节臂结构形式的服务机器人往 往就能胜任这类环境下的作业， 如汽车加油、 飞机 清洗、医疗保健、残疾人自理等。 固定机器人可能 也具有有限的活动能力， 但是他们很少移动。 移动 式结构是目前大多数服务机器人本体的结构形式。 移动机构可分为轮式结构、 履带式结构、 爬式结构、 脚式结构和滚筒式结构等。 结构形式不同其复杂程 度也不同。 服务机器人工作于结构化环境时， 一般 采用较简单的轮式移动机构。 非结构化环境对服务 机器人的移动机构

9、要求较高， 环境越复杂， 移动机 器人的移动机构的形式也越复杂， 以至于采用复合 型移动机构。这些其它行走方式需要大量的动力， 因此通常采用通过电缆供电或者采用燃烧发 1 2 是很多，但是机器人应该能够拥有较强的自主管 理能力，有时要求机器人具有频繁的攀爬能力。 这种机器人通常有缆绳提供安全上的保护。这种 环境有时被称为非建筑环境。人类的身体内部也 可以被认为是一个非结构化环境。 在绝大数与人共处的环境中，服务机器人的 控制是有另外一台特定的机器人来控制的。当机 器人出现问题时候，操作员能够有用的提供帮 助。现在典型的设计方式是通过电视予以操纵而 不是让他们自主控制。 3 . 服务机器人面临的

10、特有难题 目前，服务机器人在发展过程中存在很多难 题，这些难题每一个都很关键。也就是说， 服务机 器人发展必将遇到很多困难， 差不多任何一个难题 都可能转化为瓶颈。 服务行业所固有的特殊性质决 定了服务机器人在未来将面临两个最棘手的问题 人机工程与性/ 价比。 虽然人机工程包含了许多实际内容，不过一 旦与服务机器人结合起来，那么它就变得十分明 确和具体，服务机器人的人机工程主要指的是人 与机器人间的相互关系。如果具体一点讲，就是 人和机器人各自的智能划分、互助形式、任务完 成当中对外部环境的改变程度、命令数据、信息 传递方式，以及因机器人未来的大量使用给当今 人类社会的构成模式、心理平衡、法律

11、责任和管 理机制等方面造成的影响与冲击。 人与机器人职能划分与互助形式制定是个由来 已久的问题。尽管人们曾试图通过遥控示教再 现，地标导引和完全自治等诸类手段予以解决， 而且还进行了长期不懈地努力，但是最终仍然没 能达到预期目的。严格点讲，甚至可以说是以失 败而告终。针对这种现状，最近兴起了局部自治 研究。不过，服务机器人局部自治依旧是个非常 含糊的概念与提法，很多问题有待进一步明确、 澄清。在服务行业中，像怎样在人与机器人实现 最合理的职能划分与互助形式制定变得异常关键， 且需要深入研究。 正如各种设备使用一定会对外部环境产生影 响一样， 服务机器人在完成服务行业提出的具体 任务过程中， 同

12、样也存在类似的问题。 服务机器 人可能存在的大范围行走的特性和服务行业人与 系统之间的密切关系， 使得这一问题愈显突出和 难以处理。 由于服务行业的服务机器人与人势必 要紧密的联系在一起， 以致二者彼此合作最后共 同构成为一个有机整体， 这些决定了机器人需要 经常的工作在人的周围。 无论机器人将来性能如 何完备， 它毕竟属于通过预先编制的程序并借助 临场信息驱动的人造物， 所以不管设计者、 制造 者， 还是使用者， 谁也不敢绝对保证系统每个行 为均符合社会规范并且功能可靠而不给人类造成 危害。 服务机器人系统的可靠性主要涉及两个方 面， 软件的完备和硬件单元的稳定。 这两问题不 但是衡量系统性

13、能的基准， 同时还是检验每个工 程产品在社会上能否得到普遍接受的起码前提与 条件。 无论多么完美的硬件不可能绝对保证不发 生故障， 多么完备的软件设计无法做到将每一个 可能遇到的情况全都考虑进去， 至少现在是这样 的， 加上激发行为信息的临界变化、 外部干扰和 系统对行为的社会效应知之甚少等等。 所以， 人 们很难准确或根本不可能随时准确预测并控制机 器人行为。 无法做到这一点， 便意味着人们不得 不时时处处提防机器人“发怒” 。长此以往，加 上顾忌机器人一旦发生事故时的残忍性， 使用者 和其它人就很难消除恐惧心理。 服务机器人应用 环境复杂和瞬息万变的特性， 以及行走任务经常 多变，导致事故

14、的起因将是各种各样的。那么， 1 3 是性/ 价比就变得尤其重要且难以满足。 如果这个 问题得不到妥善的解决，服务机器人的推广就是 一个几乎不可能完成的任务。 4 . 服务机器人未来发展的趋势 世界范围（主要是在发达的国家）的服务机 器人的发展有着广阔的市场。由于发达国家的劳 动力价格日趋上涨而且人们越来越不愿意从事自己 不喜欢干的工作。因此类似于清洁、看护、保安 等工作在发达国家从事的人越来越少。为了弥补 这种简单劳动力的不足， 服务机器人巨大的市场由 此产生。 另外一个方面，全球人口的老龄化带来大 量的问题， 例如对于老龄人的看护， 以及医疗的 问题， 这些问题的解决带来大量的财政负担。

15、由 于服务机器人所具有的特点使之能够显著的降 低财政负担。因而服务机器人能够被大量的应 用。 服务机器人在未来的大量的运用对于我们来 说既是一种机遇， 同时也是面临的一场严重挑战。 首先世界大多数研究、制作单位已经清楚的意识 并看到了这一点，并投入了大量的人力、资金进 行相关课题研究和实用产品开发。 激烈的竞争、 角 逐一定不可避免。在这种情况下，正确分析形势 并结合我国的客观实际制定切实可行的发展战略 就显得有其关键、重要。其次我国服务机器人研 究无论是在广度还是深度上均与国外存在很大的 差异。 服务机器人国内虽然有不少单位从事研究， 但是在近期内仍然难以满足社会不同层次的需求。 另外，力量

16、分散、资金短缺和应用基础研究与产 品开发脱节等问题也加深了该领域开展工作的难 度 。 根据服务机器人的具体特点与实际发展现 状，我们必须清楚地认识到：在这个领域中， 一旦出现软件缺陷和硬件故障， 如何才能预先诊 断并采取有效措施防患于未然就变得非常重要。 基于规划、控制的中心决策结构模式因其中的 各个功能是依次排列的，于是序列中任何一个 模块的软件或硬件故障均可导致整个系统陷入 瘫痪。 虽然， 基于环境感知的行为包容模式由于 功能划分不同而使这一问题稍有缓和，但是如 何完成用户既定高级任务的途径尚远未解决， 即便性能而言， 故障会导致整体性能下降。 怎样 保证服务机器人的每个行为准确无误、 安全、 可 靠是必须认真对待、 切实解决的。 当前人们为提 高系统可靠性普遍采用的关键部件并列冗余方 法， 由于存在成本、 重量和体积增加等方面的严 重问题， 因此极大限制了它们的使用范围。 由于 针对工业机器人取得的故障诊断、纠错和容错 技术，也因服务机器人特有的性质限制了它的 简单应用。服务机器人行为规范制定更是一个 涉及哲学、人伦、社会道德、法律责任和教育、 修养等方面的综合性问题。 对