家庭服務機器人研究現狀及發展建議

張悅 劉嘉元 陳振 黃瑩 辛昊軒

摘? 要：隨著我國社會的快速發展，科學技術的日新月異，我國的服務機器人迎來發展黃金時代。機器人在越來越多的方面發揮出重要作用，人們對機器人的發展也越來越重視，因此對服務機器人的現狀及發展的研究具有重要意義。本文首先介紹服務機器人的應用現狀及相關技術，然后總結出現在服務機器人存在的一些問題，最后結合現存問題及發展前景提出新型家庭服務機器人。

關鍵詞：服務機器人;研究現狀;發展建議

引言

近年來，全球新一輪科技和產業革命的蓬勃發展，并且十九大報告明確指出，要加快建設制造強國，加快發展先進制造業。而機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創新能力和產業競爭力的重要標志，已成為全球新一輪科技和產業革命的重要切入點。所以近年來我國機器人產業發展勢頭迅猛，產業規模與市場空間不斷擴大。

1? 服務機器人技術的研究現狀

近年來服務機器人向著更高智能化，模塊化和網絡化的技術趨勢發展，在這一部分主要圍繞服務機器人導航，識別與人機交互技術展開進行論述。

1.1? 服務機器人導航技術

導航的基本任務有定位和路勁規劃，就是通過對周圍環境的理解進行地圖構建，確定自己在世界坐標系中的位置，并且通過目標識別和障礙物監測規劃出到指定地點的行駛路徑。陸新華^[1]等人對幾年來室內服務機器人的導航研究進行了綜述，介紹了導航系統的特點，分類和工作原理，并且給出了幾種有效的導航數據處理，方法如勢場法和柵格法，增強的卡爾曼濾波器和神經網絡等。楊娜^[2]等人分析介紹了機器人定位和路徑規劃的算法和最新研究，其中定位技術有相對定位和絕對定位技術，路徑規劃有在線和離線方式，具體算法有改進的遺傳算法，神經網絡，蟻群算法等全局路徑規劃和向量場矩陣法等局部路徑規劃。宋大雷^[3]針對傳統柵格環境建模方法雖然能準確建模但其建模范圍小，實時性差，效率低等缺點，提出了一種通用性好，可靠性高，簡單易行的非柵格的環境建模方法，且在LabVIEW仿真效果良好。

1.2? 服務機器人識別技術

在導航過程中，機器人需要獲得物體標識和空間信息，需要識別周圍場景并且躲避障礙物，或者是識別操作者身份和命令等。對人對物識別的效率和質量會影響到機器人的對外界的正確反應。

黃海衛^[4]等人提出了一種結合三位點云分割和三維全局特征匹配的實時物體識別與定位系統，采用基于聚類視點特征直方圖（CVFH）特征匹配方法識別目標物體，計算其空間位置。因為傳統經典圖像識別和機器學習算法在復雜環境很難有突出表現，石杰^[5]等人將基于區域的卷積神經網絡（R-CNN）的快速算法Faster R-CNN引入系統，而且具有較好的檢測效果。范淇元^[6]等人采用EmguCV基礎上對圖像進行灰度轉換，降噪和均衡化處理的同時運用Haar特征對圖像進行人臉檢測處理，再通過對局部二值模式（LBP）人臉識別算法的反復實驗，修改編程設計、簡化代碼并添加語音互動系統，實現了對人體臉部的特征信息進行對比識別的技術。

2 目前服務機器人存在的問題

早在2010年，比爾蓋茨就首次提出服務機器人進入日常家庭的設想，但其未能如預期實現規模化發展，究其原因，是這十年的發展并未達到實質性突破，很多問題亟需解決。目前常見服務機器人的載體，通常有車形、仿人形、醫療機器人、無人機、掃地機器人等。家庭服務機器人的功能需求集中于做家務與情感陪護方面，就前者而言，大多數機器人對于大功率的需求但卻沒有生產高效動力電池的現實，使得它們只能完成單一任務，且一般存在承重能力差、精準度欠缺、感知能力弱等諸多問題，因此鮮有具有多類型家務功能的機器人，即使有如此生產能力的廠商，高額價格帶來的較低性價比也使得該產品缺乏市場。其次家庭機器人的移動避障以及路徑規劃也是一大研究熱點。

2.1 家庭機器人在移動避障和路徑規劃中的問題

胡慶朋^[7]提出對于為了實現家庭機器人在室內環境中的自由移動，大量的學者分別在障礙物檢測、室內定位以及路徑規劃中做出了很多研究，但是仍然存在以下問題：

（1）障礙物檢測存在很多種方式，激光雷達對障礙物測距最為精確，但是存在價格過于昂貴的問題。通過紅外傳感器、超聲波傳感器以及視覺傳感器又存在容易受環境干擾，障礙物距離測量不準確的問題。

（2）通過慣性傳感器以及里程計進行室內定位存在時間過長容易積累誤差的問題。通過標記定位會存在對家庭環境改動過大的問題。

（3）對于路徑規劃規劃算法很多學者進行了改進，也取得了不錯的效果，但是在復雜的家庭環境中，仍需提高對障礙物的隨意變化的適應能力。

2.2 家庭機器人在情感交互中的問題

實現情感交互功能，依托于AI技術，有三大問題需要攻克和解決，分別是情感計算、情感建模和情感識別技術^[8]。情感計算通過考慮各種引發和影響情緒的人類情感信息，建立起感知和識別人類情感的計算機系統;可獲取的人類情感信息包括外在情感信息如聲音、手勢、面部表情等和內在情感信息如心跳、脈搏、呼吸和體溫等。情感建模是情感仿真研究的重要一環，目前取得了初步研究進展，具有代表性的模型有反映人類情感認知、將情感刺激分為22類的OCC情感模型，融合環境數據的智能化Agent模型，通過建立與人相似的應對策略機制指引智能體做出與人情感狀態一致的行為反應的EMA模型^[9]。在情感識別技術方面，包括基于機器視覺的面部表情識別技術，通過圖像處理捕捉人類面部肌肉變化來分析人類情感及情緒;語音識別及自然語言處理技術，其中創建豐富優質的情感語料數據庫和關聯情感與聲學特征問題是研究的熱點。

3 家庭服務機器人發展建議

目前的家庭機器人大多是清潔機器人，功能偏向單一的掃地、除塵，很少會有功能集中的情感陪護機器人。

（1）功能方面：現在的清潔機器人技術相對來說已經比較成熟，會有專門的掃地機器人來進行清潔工作，情感陪護機器人添加這方面的功能顯得有些多此一舉。所以陪護機器人的功能應該集中在人機交互、人臉識別以及自主巡邏方面，未來的家庭機器人應該是多功能集合的綜合體。

（2）技術方面：過去的交互機器人大多是數據封閉的，能夠回答的只有那些固定的問題，隨著現在互聯網的快速發展加上5G時代的到來，在網速得到保障的前提下，新一代的陪護機器人應該與百度、谷歌、訊飛等企業合作，利用這些企業先進的語音識別和人臉識別技術，并且在云端實時更新內容。

（3）自主導航方面：可以在機器人上安裝傳感器利用RFID測距，然后用粒子過濾器（PF）定位;再使用激光來建立網格圖確認障礙物位置;最后使用SLAM定位和映射以及Djikstra算法確認最短路徑。

（4）應用方面：此類機器人一般適合家庭使用，可以是家長沒時間照顧孩子的情況，也可以是獨居老人的情況，隨著人口老齡化，相對于其他服務機器人，該類陪護機器人的市場潛力更大。

4 總結

伴隨著人工智能技術的不斷進步，機器人代替人工做一些重復性的勞動已是必然趨勢。服務機器人行業正處于迅速發展的階段，相信在不久的將來，機器人會在改善人類生活方面起著舉足輕重的作用。

參考文獻

[1] ?陸新華，張桂林.室內服務機器人導航方法研究[J].機器人 ROBOT，2003，25（1）：80-87.

[2] ?李娜，李漢舟.服務機器人導航技術研究進展 [J].機電工程 Journal of Mechanical & Electrical Engineering，2015，32（12）：1641-1648.

[3] ?宋大雷，孫玉楨，時永霞，周麗芹.服務機器人工作環境下導航定位仿真研究[J].計算機仿真.2018，35（8）：283-288.

[4] ?黃海衛，孔令成，譚治英.室內服務機器人實時目標識別與定位系統設計[J].計算機工程與設計 COMPUTER ENGINERING AND DESIGN，2016，37（8）：2228-2232.

[5] ?石杰，周亞麗，張奇志.基于Faster R-CNN 的服務機器人物品識別研究[J].計算機應用研究 Application Research of Computers，2019，36（10）：3152-3156.

[6] ?范淇元，覃羨烘，朱培杰.基于EmguCV的智能服務機器人人臉識別系統設計[J].應用科技 Applied Science and Technology，2019，46（3）：58-63.

[7] ?胡慶朋，智能家庭機器人的移動避障與路徑規劃研究，山東建筑大學，2019

[8] ?Cambria E. Affective computing and sentiment analysis [J]. IEEE Intelligent Systems，2016，31（2）：102-107

[9] ?Bartels A，Zeki S. The neural correlates of maternal and romantic love [ J]. Neuroimage，2004，21（3）：1155- 1166

基金項目：合肥工業大學2019年省級大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：S201910359170）