【中國智能制造網(wǎng) 學(xué)術(shù)論文】服務(wù)機(jī)器人正在以高速的增長速度加速步入我們的日常生活。根據(jù)IFR的新統(tǒng)計(jì)，未來三年內(nèi)，服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到目前的5倍。正是基于廣闊的市場前景，美國國家科學(xué)基金會頒布了《美國機(jī)器人技術(shù)路線圖》，其中服務(wù)機(jī)器人作為單獨(dú)的一章來重點(diǎn)論述。知己知彼，了解美國服務(wù)機(jī)器人發(fā)展動向，可更好地幫助我們與時俱進(jìn)。　　
　　服務(wù)機(jī)器人是一類用以輔助人們?nèi)粘９ぷ?、生活、休閑，以及幫助殘疾人與老年人的機(jī)器人系統(tǒng)。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的任務(wù)是完成高質(zhì)量、高一致性的生產(chǎn)任務(wù)。服務(wù)機(jī)器人與之不同的是，工業(yè)機(jī)器人通常工作在有人的空間或者會直接同人類協(xié)作工作，服務(wù)機(jī)器人通常從事專業(yè)服務(wù)和個人服務(wù)兩種工作。
　　
　　服務(wù)機(jī)器人的專業(yè)服務(wù)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、應(yīng)急反應(yīng)、管道、基礎(chǔ)設(shè)施、林業(yè)、運(yùn)輸、專業(yè)清理等作業(yè)領(lǐng)域。（專業(yè)服務(wù)機(jī)器人也服務(wù)于軍事領(lǐng)域，但不將其列入本報告）。這些系統(tǒng)增強(qiáng)了人們在上述領(lǐng)域的作業(yè)能力。根據(jù)IFR/VDMA的報告，當(dāng)前有超過110000臺專業(yè)機(jī)器人分布在世界各個領(lǐng)域，并且其市場規(guī)模還在逐年急速擴(kuò)大。圖1中列出了幾種專業(yè)機(jī)器人。
　　
　　而個人服務(wù)機(jī)器人，則在家庭中用以協(xié)助普通人的日常生活，或用以補(bǔ)足相關(guān)人士的生理和心理缺陷。到目前為止，大數(shù)量的個人服務(wù)機(jī)器人是家用真空清潔機(jī)器人（掃地機(jī)器人），超過600萬臺iRobot公司的Roomba機(jī)器人遍布在世界各地。同時，這個市場正在以每年超過60%的速度增長。此外，越來越多的機(jī)器人正用于個人娛樂，如人工寵物（AIBO）和玩偶等。在過去5年中，售出的個人娛樂機(jī)器人超過400萬臺，這個市場正以指數(shù)倍增長，并有望成為機(jī)器人領(lǐng)域具潛力的增長點(diǎn)之一。圖2列出了部分個人服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。在2011年，服務(wù)機(jī)器人市場總值超過42億美元。
　　
　　服務(wù)機(jī)器人專家組均來自專業(yè)和個人服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，其研究領(lǐng)域覆蓋了非常廣泛的機(jī)器人應(yīng)用問題。
　　
　　戰(zhàn)略發(fā)現(xiàn)
　　
　　經(jīng)過廣泛討論后，專家們一致同意，我們?nèi)匀恍枰?0到15年時間才能實(shí)現(xiàn)全尺寸且具有通用自主能力的機(jī)器人應(yīng)用和解決方案。一些需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行討論。出席代表達(dá)成了更進(jìn)一步的共識，即技術(shù)進(jìn)步使得一些價格可負(fù)擔(dān)的、有限尺寸的、半自主的解決方案具有了實(shí)用性，并且提供了實(shí)際的應(yīng)用價值?；诂F(xiàn)有技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)品和應(yīng)用已經(jīng)開始出現(xiàn)，企業(yè)家和投資人對實(shí)現(xiàn)機(jī)器人應(yīng)用的潛能均表示樂觀。與會專家確認(rèn)了幾個市場，這些市場出現(xiàn)了早期的商業(yè)解決方案，以及服務(wù)機(jī)器人有可能以何種方式在這些市場中得到應(yīng)用。
　　
　　老齡化人口從兩個方面影響了服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。其一是勞動力市場的縮水，另外一個因素則是提供滿足健康護(hù)理需要的解決方案的機(jī)遇。如圖3所示，美國正處于未來20年發(fā)展趨勢的入口：退休工人數(shù)量占當(dāng)前勞動力數(shù)量的百分比將近翻倍，即從當(dāng)前的每10個工人中有2個退休的狀態(tài)演變?yōu)?030年的每10個工人中有4個退休的狀態(tài)。在日本，這種情況則更加糟糕，快速增長的老齡化人口是日本提出發(fā)展機(jī)器人技術(shù)作為國家政策的主要誘因。
　　
　　當(dāng)提高生產(chǎn)率和降低成本成為服務(wù)機(jī)器人的共同特征時，針對市場特定問題或需求，人們希望每個服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)能提供的、有競爭力的解決方案。比如，在使用機(jī)器人技術(shù)組裝汽車的工廠中，一個關(guān)鍵和主要的驅(qū)動力是希望得到持續(xù)不斷且質(zhì)量得到充分保證的生產(chǎn)能力。
　　
　　主要市場及驅(qū)動來源
　　
　　醫(yī)療保健與生活質(zhì)量——機(jī)器人技術(shù)用于提供遙操作解決方案，比如依賴感覺的達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)的代表。機(jī)器人技術(shù)擁有巨大潛力，用以控制成本，增強(qiáng)健康人員的護(hù)理能力，延長老年人的壽命。
　　
　　能源與環(huán)境——與會學(xué)者認(rèn)為，這兩個緊密相連的問題對于國家的未來和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的成熟度是非常關(guān)鍵的，尤其在自動獲取能源和環(huán)境監(jiān)測方面非常關(guān)鍵。
　　
　　生產(chǎn)與物流——與會學(xué)者認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)在促進(jìn)生產(chǎn)和貨物移動自動化方面擁有巨大潛力，特別是機(jī)器人技術(shù)被用于小尺度（或微尺度）生產(chǎn)操作，且在這一過程中有助于加速制造業(yè)回歸。這種信念自從HeartlandRobotics的創(chuàng)立就可窺見一斑，該公司的主要任務(wù)就是將制造業(yè)轉(zhuǎn)移回美國。
　　
　　汽車和運(yùn)輸——雖然我們距離完全自主駕駛汽車的使用還有數(shù)十年的時間，但機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)以駕駛輔助和避碰系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。公共輸運(yùn)系統(tǒng)是另外一個有望獲得更高自動化程度的領(lǐng)域。隨著機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和成熟，用于小范圍場景，如機(jī)場的無人運(yùn)輸系統(tǒng)和解決方案將漸漸地適應(yīng)市中心的情況，以及其他的一般應(yīng)用場合。
　　
　　國土安全和基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)——與會學(xué)者認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)提供了巨大的潛能，用以邊境保護(hù)、搜索和援救、港口檢測和安保及相關(guān)領(lǐng)域。此外，機(jī)器人技術(shù)有望大量用于自動化檢測、保養(yǎng)并維護(hù)橋梁、高速公路、水源和排水系統(tǒng)、電力管道和設(shè)施，以及其他基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。
　　
　　娛樂與教育——這個領(lǐng)域比其他任何領(lǐng)域更多地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的轉(zhuǎn)化，尤其是機(jī)器人技術(shù)在解決國家面臨的科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)（記為“STEM”）危機(jī)，同時成為名副其實(shí)的“4R”教育。FIRST的巨大成功印證了這一點(diǎn)。FIRST是成立于1989的一個非營利組織，該組織舉辦國家范圍內(nèi)的機(jī)器人競賽，激發(fā)年輕人成為科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)人的興趣，同時通過引入機(jī)器人而增加受教育者的積極性。機(jī)器人為孩子們提供令其感興趣且易學(xué)的方式，去學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)以及科學(xué)的基本知識，包括工程和系統(tǒng)集成原理，用以生產(chǎn)智能機(jī)器完成特定任務(wù)。
　　
　　商業(yè)化影響因素
　　
　　如果上述領(lǐng)域全部實(shí)現(xiàn)，那么就需要大量的投資用于擴(kuò)展和開發(fā)機(jī)器人技術(shù)。正如上面提到的，距離實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人技術(shù)，即無需人類給予指令或干涉的自動運(yùn)行機(jī)器人技術(shù)，仍有很長的一段路。與會學(xué)者達(dá)成了一致的意見，即機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步使得開發(fā)和市場化機(jī)器人的初級產(chǎn)品和應(yīng)用成為了可能，并且能夠顯著“增強(qiáng)人類機(jī)能”。
　　
　　這些解決方案將能夠根據(jù)下列功能進(jìn)行自動調(diào)整：以確定的方式監(jiān)督動態(tài)物理環(huán)境、目標(biāo)識別、探測變化、感知環(huán)境狀態(tài)、分析和推薦根據(jù)檢測到的情況作出的響應(yīng)，根據(jù)人的命令作出的響應(yīng)和在預(yù)先授權(quán)的邊界內(nèi)自動而不被操作員干預(yù)地執(zhí)行行動。
　　
　　這類機(jī)器人解決方案的例子包括遙操作系統(tǒng)。如達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)以及自主的專業(yè)機(jī)器人，比如Roomba。隨著互聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，自然而然會從遠(yuǎn)距離傳感發(fā)展到遠(yuǎn)距離操作?；ヂ?lián)網(wǎng)這種向物理世界的擴(kuò)展將有助于進(jìn)一步模糊通信、計(jì)算和服務(wù)之間的界限，激發(fā)遠(yuǎn)距離通信和遙控參與的應(yīng)用。更符合實(shí)際的解決方案將出現(xiàn)，其具備分布認(rèn)知能力并能夠有效利用人類智能。這類解決方案將與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)自主感知位置的同時，允許操作員從遠(yuǎn)距離根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行干預(yù)。
　　
　　根據(jù)上述內(nèi)容，人口老齡化將導(dǎo)致未來勞動力短缺。當(dāng)工人們尋求向職業(yè)更高層級邁進(jìn)的時候，需要增加底層工作的自動化程度，而做底層工作的工人會慢慢變少甚至消失。長期范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全自動化解決方案的挑戰(zhàn)會繼續(xù)因?yàn)榧夹g(shù)限制而存在，短期挑戰(zhàn)則是調(diào)查其發(fā)展的需求和決定如何好地“跨越鴻溝”。即識別正確的價值主張、成本的降低、有效的開發(fā)、有效的系統(tǒng)工程過程，決定如何對解決方案進(jìn)行佳整合，以及如何將科技轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品。
　　
　　科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)
　　
　　一部分與會學(xué)者集中討論并確定了同前述幾節(jié)應(yīng)用和商業(yè)化緊密相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。本節(jié)重點(diǎn)在描述挑戰(zhàn)，并沒有提出如何解決這些挑戰(zhàn)的路線圖，路線圖梗概將在下節(jié)中提出。
　　
　　移動能力
　　
　　移動能力是機(jī)器人研究中的一個成功范例。這種成功在許多現(xiàn)實(shí)環(huán)境中展示性能的系統(tǒng)上均有所體現(xiàn)，包括博物館導(dǎo)游和DARPA機(jī)車挑戰(zhàn)賽以及城市挑戰(zhàn)賽中的自主駕駛汽車。但是，與會學(xué)者一致認(rèn)為還有大量重要的問題仍舊懸而未決。在移動領(lǐng)域找到這些問題的答案將對機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主控制和多用途相當(dāng)重要。
　　
　　與會學(xué)者認(rèn)為三維導(dǎo)航是移動領(lǐng)域重要的挑戰(zhàn)之一。目前，大多數(shù)映射定位和導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于地球的平面表示，比如地面任務(wù)中涉及的街區(qū)地圖。但是，當(dāng)機(jī)器人應(yīng)用的復(fù)雜性增加，且每天都有新的機(jī)器人部署的情況下，在未建模的缺少控制的擁擠環(huán)境中，這些二維表示不足以捕捉必要的信息。因此，對于支持導(dǎo)航和操作的三維世界模型的獲取將是非常重要的。這些三維表示不應(yīng)當(dāng)包括世界的幾何布局；相反，地圖一定要包含涉及環(huán)境中物體及其特征的任務(wù)相關(guān)的語義信息。
　　
　　目前，機(jī)器人已經(jīng)能夠很好地理解物理世界中物體的位置，但是還不了解或很少知道物體是什么。當(dāng)涉及抓取和環(huán)境表示的服務(wù)執(zhí)行移動功能時，環(huán)境表示也應(yīng)當(dāng)包括對象情景支持（即機(jī)器人能用某個物體干什么的信息）。實(shí)現(xiàn)語義三維導(dǎo)航將需要傳感、感知、地圖匹配、定位、對象識別、情景支持識別和規(guī)劃的新方法。這些要求中的一些內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中進(jìn)行更為詳細(xì)的討論。