家政服務機器人技術的發展與應用

摘要：本文簡要回顧國內外對服務機器人的研究與發展現狀。分析介紹一些上門服務機器人的通用技術、關鍵技術及輔助技術。主要概述機器人移動平臺技術、模塊化設計、智能化等，以及對家政服務機器人的展望。

關鍵詞：家庭服務機器人 通用技術 關鍵技術 智能化

中圖分類號：F723.84文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0024-02

1 引言

隨著現代服務業和通訊技術的發展，家政服務機器人面對科學技術和教育、文化娛樂、國內的經濟服務、醫療等問題，是一個逐漸成長的新領域，是第三代智能機器人的典型代表，具有巨大的市場前景。家庭服務機器人在許多國家已經研究完成使用，在中國，從2005年已經發展紛紛。目前，服務機器人還沒有統一的定義，在我國主要指用于完成對人類福利和設備有用的服務（制造操作除外）的自主或半自主的機器人，主要包括：清潔機器人、家用機器人、娛樂機器人、醫用及康復機器人、老年及殘疾人護理機器人、辦公及后勤服務機器人、救災機器人、酒店售貨及餐廳服務機器人等。

能夠替代人完成家政服務工作的機器人，它包括行進裝置、感知裝置、接收裝置、發送裝置、控制裝置、執行裝置、存儲裝置、交互裝置等。所謂感知裝置將在家庭居住環境內感知到的信息傳送給控制裝置，控制裝置指令執行裝置作出響應，并進行防盜監測、安全檢查、清潔衛生、物品搬運、家電控制，以及家庭娛樂、病況監測、兒童教育、報時催醒、家用統計等工作。

2 國內外研究的現狀與發展

從二十世紀八十年代中期開始，機器人已從工廠的結構化環境進入人的日常生活環境，如醫院、辦公室、家庭及其雜亂的環境，成為不僅能自主完成工作，而且能與人共同協作完成任務或在人的指導下完成任務的智能服務機器人。特別是近幾年，機器人技術的發展速度很快。

（1）在中國，服務機器人的研究還沒有形成系統，還處于相對落后狀態。至2005年底哈爾濱工業大學才研制出一種能看家護院、自動清掃、操持家務，智能相當于七八歲孩子的家政服務機器人。機器人項目負責人洪炳熔教授介紹，這款家政服務機器人是機器人足球技術的具體應用。它全身將裝設超聲波、各種傳感器及保護裝置，通過這些設備，機器人自己可以測距離、識別障礙物，不會碰撞家具和人。他的身體主要是由PC機組成，所有的“智慧”都囊括其中。機器人身上還將裝有攝像系統充當“眼睛”，拾音器和揚聲器則幫助他識別聲音并開口與人交談，通過安裝輪子，使機器人行進運動自如靈活。

目前，哈工大新研制出的備受全校師生員工矚目的機器人舞蹈亮相于2012年央視龍年春節聯歡晚會，成為央視春晚舞臺上一道獨特的風景。伴隨著速度變化激烈的勃拉姆斯鋼琴曲，機器人們連續展現出或明快、或高難、或激昂、或熱烈歡快的舞蹈動作，體現出了不同的情趣……

深圳將在2015年推廣家庭服務機器人。《深圳市科學技術發展“十二五”規劃》提出要轉化和產業化服務機器人技術成果。爭取2013年前制定完成服務機器人的行業標準，使深圳成為我國服務機器人主要生產基地，服務機器人產業成為新的經濟增長點。在中國，隨著中國人口呈現老齡化的趨勢，以及居民在消費上支出的增加，在未來的十年之內，服務機器人在中國的需求也會有明顯的增長。

（2）日本將機器人作為一種戰略產業。日本愛知世博會曾舉辦了“機器人專題展”，65種機器人與觀眾見面。有伴舞機器人、機器人播音員、機器人騎手、可進肚檢查腸胃病機器人、“味覺”機器人等新型服務機器人，為人們展示了服務機器人廣泛的應用和廣闊的發展前景。如日本松下電器公司研制出的一種能幫助人們提重物的機器人。鑒于日本人老齡化速度的加快，科研人員對此類家政服務機器人的銷路持樂觀的態度。還有日本東京大學研制的“HRP-2”機器人在該大學內演示向人提供茶水服務。這種機器人是專門用來做日常家庭服務的。

（3）德國的社會環境卻是有利于機器人工業發展的，由于戰爭，導致勞動力短缺及國民技術水平高等原因，對一些特出職業（包括保姆）都可用機器人來替代。如德國研制的新型獨臂機器人，可提供家政服務。它的身高僅1.45米，其設計用于幫助人們處理一些家庭瑣碎雜事，這款學習能力很快的家庭助手機器人是由德國斯圖加特市弗勞恩霍夫制造工程與自動化研究所（IPA）研制而成的。科學家們在機器人上安裝了眾多傳感器，立體視覺色彩攝像儀、激光掃儀、3D攝像儀能夠確保家政機器人實時地將周圍環境以三維視覺形式呈現。如果某個人進入它的手臂半徑范圍內，它將會停止下來，避免與某人發生碰撞。此外，它還能以任何方位移動。

（4）韓國已將服務機器人技術列為未來國家發展的十大“發動機”產業。韓國科學技術研究所日前研究出了一個名為“Mahru-Z”的智能機器人女仆，。Mahru-Z有1.3米高、55公斤重，她的頭部可以轉動，并有6根手指和三維視覺功能，這讓它能分辨人和不同的家務任務。她能幫助主人打掃房子、將衣服傾倒進洗衣機、用微波爐加熱食物等。據悉，韓國科學技術研究所用了兩年時間才完成這項研究。Mahru-Z正在烤三明治。

（5）美國是機器人的發源地，盡管走過了一條重理論、輕開發應用的曲折道路，但美國機器人的技術在國際上卻一直處于領先地位。例如，研制出的專治重風的機器人醫生，將在比歇根州圣約瑟夫默西奧克蘭醫院率先上崗。這種機器人頭是一個顯示屏，可以把醫院現場的圖像和聲音通過互聯網傳回給醫生，醫生可在不同地點遙控機器人給病人治療。還有美國軍方為戰爭中下半身受傷不能行走的士兵設計出一款新型助殘機器人，他可以直接將用戶的下半身緊緊圍攏起來，以便更好的感知髕部或其他位置的運動，從而提供更加靈敏的操控。

在機器人研究非常發達的國家，例如德國、日本和韓國，服務機器人研究大多是企業出面進行研究的，將研究與產業發展、市場需求非常好的結合起來，使研究服務于企業，企業促使研究發展，形成一個良性循環。因此這些國家服務器人的產業化，已經取得了非常好的成果。

3 家政服務機器人的共性技術

基于同樣的房間環境和服務對象，家庭服務機器人有一些關鍵的通用技術，比如，機器人的移動平臺技術、機制和驅動器技術、傳感器技術、人機交互技術，機器人在房間的定位和導航，智能化及機器人技術標準化等。其中機器人的移動平臺技術可以延長模塊化設計技術、可重構機器人技術、運動控制技術，機器人遠程控制和監測技術、家用機器人智能化、技術標準化。因此，它是非常重要的產業。

3.1 模塊化和可重構設計技術

上門服務機器人有很廣泛的應用前景。模塊化和可重構設計唯一的方法是機器人產業化。他們解決了一個服務機器人能否適合多用途和應用的問題。可重構模塊機器人系統可以滿足機器人靈活的市場需求。它由一些模塊化關節、模塊連桿、模塊化終端、模塊化驅動器，模塊化控制系統、模塊化通信設施等組成。這些模塊對象可以組合成一些能應付新情況的機器人。

3.2 移動平臺技術

一般服務機器人都有移動平臺，如輪式，履帶式，人形以及擁有復雜結構和多單元的機器人。家庭服務機器人一般采用輪式或人形機器人，適合家庭的地形和追蹤。比如，一個家庭護理機器人，追蹤結構不符合家的地形，輪子的結構有易打滑的缺點。如設計成的移動平臺，即兩個驅動輪和一個導向輪。移動原理采用三輪式結構和機理兩輪獨立驅動模型，兩個驅動輪子被兩個伺服電機獨立。這樣，機器人的運動方向由不同的速度值來控制，移動平臺能夠滿足使用需求和機器人視覺系統。

4 移動機器人的關鍵技術

目前，在機器人學術界中，對仿人形機器人的研究最為活躍，并且對仿人機器人的開發實現了許多人類的功能。為了滿足復雜的運動和操縱，人形機器人需要成熟的身體設計，同時，機器人學研究人員開展了一些實驗，使得機器人在搬運物品時能夠全身協調并且穩定運行。兩足步行機器人的研究焦點在于使其穩定而快速的雙腿走路，不同的是，對移動機器人的研究主要集中在控制與操縱上，目的是識別阻抗控制的原則和實現基本功能。

日本的大多數工程項目都是研究仿人形移動機器人，早稻田大學是該項技術的領導團體。隨著對先進的人類科學和工程的研究發展，早稻田大學在1995年和1997年已經發展出了以Hadaly-1和Hadaly-2為原型的移動人形機器人。Hadaly-1能夠結合視聽信息實現與人類的信息互動，聲音對話，使用機械手并進行運動和姿態轉換。隨著Hadaly-1物理交互作用能力的改進，Hadaly-2可以攜帶起滿足經營者需求的物品。溫迪，開發于1998年，具有物理擴展能力，能夠實現信息和心理互動，并且可以在人類的生活空間進行日常工作。溫迪最基本的特性的是服從性、敏捷性和靈活性，那是因為該類機器人必須確保主人的安全。不但要行動敏捷，而且要有很好的流動性，使得仿人形機器人能在人類的日常環境與人類很好地合作。

5 結語

服務機器人將快速進入家庭，它們的主要通用技術深刻影響產業上門服務機器人的快速發展需求，并能進一步促進行業之發展家政服務機器人。服務機器人的開發研究取得了舉世矚目的成果，未來智能機器人技術將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發展。日本專家對服務機器人技術的預測：

2013年，智能系統的發展能夠將在與流程、技能、知識和經驗相關的人類決策方面幫助人類作出決定。

2014年，在人機界面的實際使用中，設置在人機界面中帶有對話與理解功能的虛擬用戶，可通過與人類的對話幫助信息處理、設備執行任務或程序。

2023年，隨著與生物體隔膜相似功能的人工載的發展，人腦可以通過計算機控制電機的技術使得對假裝進行直接和自主控制而不依賴于脊柱或周圍神經系統。

2027年，隨著具有視覺功能、聽覺功能、能執行其他感官功能智能機器人的發展，機器人將類似于人類，能夠思考、做出行動和采取行動。

參考文獻

[1]陳振華，陳六月.機械設計雜志[J].2010，7.

[2]徐方，張希偉.我國家庭服務機器人產業發展現狀調研報告.機器人技術與應用，2009.

[3]于忠海.共性技術上門服務機器人.應用力學與材料[J]，2011，10.

[4]沈惠平.服務機器人的現狀及其發展趨勢.技術資料，2009，6.