服务机器人的研究进展

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1、服务机器人的研究进展 工业工程 1201伍庆 201204070124胡凡成 201204070124摘要：智能服务机器人技术代表一个国家高科技水平和自动化程度，它具有广阔的发展空间和市场前景。目前服务机器人在国内外的发展都非常快，涉及到生活的方方面面，遵循人性化、情感化、智能化的设计方法，在很大程度上是“主动服务”于人，满足了现代用户的需求，在身体和自我照顾方面有需求时能获得帮助。本文介绍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，并阐述了当前服务机器人研究领域的关键技术，最后展示服务机器人的未来发展方向和研究趋势。关键字：人性化 智能化 “主动服务”于人服务机器人；人工

2、智能；多传感器信息融合；Research progress of the service robot 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 prospects. Need the development of the domestic robot at home and abroad are ver

3、y fast, involvingall aspects of life, follow the humane, emotional, intelligent design, in large measureactive service in the people, to meet the modern userneeds, physical and self-careneeds can get help.This article describes the definition and development prospects of service robots, analyses the

4、 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 research trends of service robot in the future is showed.前言：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，是当代最高意义的自动化，尤其在当今

5、的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的成功。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、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更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而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代替人从事各种生产作业, 使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。这也正是服务机器人产生的背景。本文对服务机器人技术的研究现状和应用及其未来发展进行了综述。1.1 服务机器

6、人的定义服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，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，也包括各种家用机器人、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

7、类共处，为人类排忧解难 1。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区分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）统计部门于2008 年 10 月公佈的最新资料，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 2007 年底，个人和家用服务型机器人累计装置量已超过 340 万台，娱乐休闲用机器人已达到200 万台。至 2011 年底，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，未来四年服务机器人市场总值合计约 57 亿美元，到 2015 年，全球个人和

8、家庭机器人市场的规模预计将达到 150 亿美元，同时，将出现多种类型的个人机器人。专业服务型机器人：至 2007 年底，全球已有4.9 万台的使用数量，预计到 2011 年底，将增加 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预计将有 1.56 万台销售量，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、工程院院士徐扬生教授说：“只要 10 年时间，机器人将在世界范围内

9、，普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场，预计将比现在的汽车市场还要大。”韩国科学家预测：到 2015 年至 2020 年，每个韩国家庭将拥有一个机器人。日本专家估计：到 2020 年日本将有 25%的人口年龄超过 65 岁，护理型机器人将供不应求。德国科学家预计：将在未来的几十年间，家庭生活中将出现的最大变化就是机器人的普及，家庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来越重要的角色，承担越来越多的工作 5。从调查数据和专家预测来看，服务机器人在未来将占有很大一片市场。1.3 国内外的研究现状中国 中国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视， 1986 年 3 月才开始把研究、开

10、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 2009 年的 20 多年中，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，圆满完成 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，为我国 21 世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基 础 7。目前，我国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，我国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大家见面。日本 日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了

11、加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以领先世界，一方面和他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，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在 2006 年至 2010 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” ，不仅会洗衣，打扫卫生，还会收拾餐具等诸多家务杂活，它依靠车轮移动，共搭载有 5 台照相

12、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，以用户为中心的机器人开放架构开发而成，该架构采用产综研一直在研发的实时 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” 、语音识别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。1.3.4 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重视理论研究，忽视应用开发研究的

13、曲折道路，但是美国的机 器 人 技 术 在 国 际 上 仍 一 直 处 于 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 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 个 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 个 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 利 用 一

14、 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，它可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来，以便更好的感知用户臀部或其他位置的运动，从而提供更加灵敏的操控。2 服务机器人的关键技术服务机器人技术在本质上与所有其它类型的机器人是相似的,其主要技术包括:2.1 环境感知传感器和信号处理方法多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信

15、息依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、特征层融合和决策层融合三种 2。2.2 智能控制智能控制主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等，且逐渐成为成熟的控制思想 3。模糊控制源于模糊数学，或称弗晰数学，是研究如何表现和处理模糊性现象的一个数学分支 4-5，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础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处理和推理、联想和思维等高级的思想活动 6，而人工神经网络控制是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，它

16、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 7。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，2.4 路径规划路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标状态、可以避开障碍物的路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法：传统路径规划方法主要有以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法，在这几种方法中，人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优 8。智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法