服務機器人行業發展現狀分析

劉逸倫，何倩鴻（通訊作者），王科盛

（電子科技大學機械與電氣工程學院 四川 成都 611731）

0 引言

根據國際機器人聯合會（IFR）的定義[1]，服務機器人可分為專業領域服務機器人和個人/家庭服務機器人。專業服務機器人分為物流機器人、醫療機器人、國防機器人、農場機器人等。個人/家庭服務機器人包括娛樂機器人、教育機器人、家庭清潔機器人、助老助殘機器人等。

服務機器人的使用最早起源于20 世紀80 年代，由“機器人之父”恩格爾伯格設計的醫護助手機器人是世界上第一臺服務機器人。隨后關于服務機器人的研究逐漸興起，市場上出現了軍用無人機、水下勘探機器人、農場擠奶機器人、家用除草機等服務機器人。21 世紀以來，世界服務機器人發展空前迅速，服務機器人市場也進入繁榮階段。隨之出現了民用無人機、掃地機器人、物流運輸機器人、手術機器人等大量服務機器人的相關研究和應用。

1 研究內容

根據國際機器人聯合會的統計數據顯示[2]，2000 年以前，全球服務機器人數量為6 600 臺左右。進入21 世紀后，服務機器人行業蓬勃發展，經過20 年的發展，2020 年服務機器人總數已達到2 700 萬臺以上，為2000 年服務機器人數量的4 060 倍。

1.1 服務機器人市場數據統計

圖1 和圖2，為近年來服務機器人銷售量統計。

由圖1 及圖2 可以看出，2005—2010 年，服務機器人銷售量較低，專用服務機器人與個人/家庭服務機器人銷售量增長趨勢基本一致，且增速緩慢；2010 年后，服務機器人銷量出現了較為明顯的增長；2015 年左右增長幅度迅速提升；2018—2019 年，相比于專用服務機器人，個人/家庭服務機器人銷售量增幅出現了明顯提升。

根據國際機器人聯合會的數據[3]，在專用領域服務機器人中，2010 年前世界上銷量最廣泛的是軍用無人機和擠奶機器人，其次為水下作業機器人。物流和醫療機器人銷量僅占比15%，但由于醫療機器人價格昂貴，總銷售額占專用服務機器人的35%以上。從2010 年起，隨著自主移動機器人的概念提出，物流機器人銷量大幅增長，從2010 年物流機器人銷量占專用服務機器人總銷量的7%增長到2019 年的43%。2015 年后，農場機器人銷量增幅逐漸降低，擠奶機器人等市場逐漸飽和。整體來看，雖然專用服務機器人銷量相比個人/家庭服務機器人少很多，但專用服務機器人的銷售額卻一直是個人/家庭服務機器人的兩倍以上，專用服務機器人一直是大部分企業進行研究與產業化的核心。

在個人/家庭服務機器人中，2002 年以前，家庭服務類機器人中銷量占比最高的為真空吸塵器與除草機器人，娛樂機器人占比最高的為玩具機器人，玩具機器人制作簡單，價格低廉。而家庭服務機器人價格較為昂貴，性能較差，因此應用較少，銷量僅為娛樂機器人的一半左右。2010 年，隨著技術的發展與市場價格的降低，家庭服務機器人銷量已經超過了娛樂機器人的兩倍。

1.2 服務機器人論文數據統計

據圖3 和圖4 所示，1990—1995 年，幾乎沒有相關服務機器人的研究論文出現。從1995 年開始，關于服務機器人的研究開始增長；2000—2014 年，相關研究數量一直在穩定增長；2015—2018 年，論文數量出現了爆發式增長，在2018 年左右達到最高峰。但自2018 年后，服務機器人相關論文數量出現了下降趨勢，服務機器人整體研究出現了飽和現象。

圖5 列出了中國知網關于服務機器人詞頻最高的35個詞匯，按照2015—2020 年詞頻遞增順序排列。由圖5可以看出，2010 年前機器人相關詞頻均較少，其中“導航”“ARM”“水下機器人”“吸塵機器人”等詞頻相對較高，此階段對機器人的研究主要集中在傳統導航和單片機控制方面，水下機器人和吸塵機器人有著較為廣泛的應用。

2010—2015 年，“家政服務”“機器人產業”等詞匯增加較多，說明服務機器人的研究方向正在向家庭化、產業化方向發展。“神經網絡”“定位”等詞匯增加，表明機器人的算法正趨于復雜化，由傳統固定參數的算法逐漸向神經網絡算法應用。“機械臂”“護理機器人”詞頻的出現，表明了該階段的機器人產品正在走向工業生產和人民生活。

2015 年以后，“機器視覺”“云技術”“人工智能”“路徑規劃”等詞匯數量大增，表明機器人正朝著云端化、智能化的方向發展。“機器人情感”“深度學習”詞匯的增加，說明關于機器人自主學習的相關研究開始出現，但該類詞匯在詞匯總量上還相對較少。“家用機器人”“家政服務”詞匯自2010 年繼續增加，家用服務機器人的相關研究正處于繁榮階段。同時“醫療機器人”“助老助殘”“特種機器人”詞頻增加，說明服務機器人中關于此類機器人的研究大量增加。“節省成本”“機器人產業”詞頻增加，說明服務機器人正在由科研大量向市場轉移。

1.3 國外服務機器人發展概述

據國際機器人聯合會數據統計[4]，2019 年，全球范圍內有890 家企業正在研制服務機器人。在專業服務機器人領域，約90%的物流機器人和醫療機器人在歐洲和北美生產，而僅有10%在亞洲生產。家庭服務機器人有75%是由美國企業生產的，亞洲企業的生產份額占比約為19%，歐洲企業占6%。

在南水北調受水區內要根據不同區域的地下水情況，分區分類確定地下水生態水位。以地下水生態水位作為地下水合理開采的控制性指標，比較直觀地衡量地下水開采情況，保護地下水資源。

美國在服務機器人領域起步較早，處于行業前列。2013 年掃地機器人全球累計銷量超過1 000 萬臺。中國在2018 年掃地機器人累計銷量為560 萬臺左右。雖然美國服務機器人行業發展較早，技術積累較多，但美國服務機器人市場較小，應用場景也較少。就掃地機器人而言，2019 年中國掃地機器人年銷售量已經超越美國兩倍以上，這表明中國相對于美國具有更廣闊的服務機器人市場。

日本在20 世紀60 年代末從美國引進機器人技術后，已經成為機器人第一大生產國，且日本的機器人文化氛圍較好，日本企業熱衷于研發服務機器人。與中國不同的是，日本機器人研發流程主要針對市場，根據需求設計產品。然而2008 年全球經濟危機后，日本經濟持續低迷，由于市場環境以及機器人零部件的價格問題等因素，日本服務機器人行業發展也屢遇瓶頸，服務機器人市場銷售量一度遠遠低于預期。

歐洲在服務機器人領域同樣處于領先地位。2000 年以來，歐洲整體制造業出現下滑，服務機器人發展進入低谷時期。2017 年，歐盟發布了“地平線 2020 計劃”，其中對服務機器人進行了大量規劃，促進了歐洲服務機器人的研究與應用。其中，德國與意大利在人工智能、機電一體化、人機交互方面有著較強的技術實力[5]。

2015 年以來，由于全球老齡化現象日益嚴重，為老年人或殘疾人提供援助的助殘機器人的市場不斷增長。2019 年全球助殘機器人銷售額增長了17%。因此，許多國家的研究項目都集中在這個巨大的服務機器人市場上[6]。

1.4 國內服務機器人發展現狀

根據以上統計數據，我國服務機器人行業的發展大致分為3 個階段：2010 年前發展階段；2010—2015 年為上升階段；2015 年至今為繁榮階段。

1.4.1 2010 年前發展現狀

自20 世紀中期開始，在國外已經出現了機器視覺、機器學習、智能控制、自主移動等智能機器人的概念，國內在20 世紀開始也進行了相關方向的研究。但限于硬件技術的制約，大部分服務機器人的研制主要還處在理論和實驗室階段，價格昂貴，無法做到量產，百姓日常生活無法普及相關產品。只有農場擠奶機器人和安防無人機方面，由于技術上相對成熟且價格適中，因此市場應用相對較為廣泛。2004 年，中國第一個擠奶機器人在蒙牛安裝，而由國內完全自研的擠奶機器人在2019 年才完成研制并在洛陽投入使用。

2010 年以來，計算機市場飛速發展，2012 年，英國劍橋大學發售了世界上最小的臺式機Raspberry Pi電腦板，中文譯名“樹莓派”，該電腦僅有一張信用卡大小。樹莓派的出現，代表低成本微型計算機開始進入市場。

隨著計算機的微型化和性能的提升，微型的計算機可以裝入小型機器人并為機器人帶來大量的算力，使得機器視覺等所需要的復雜的計算量變得可以接受，同時使得更加智能的家庭服務機器人成本降低，逐漸進入市場。

2012 年左右，隨著自主移動機器人和智能工廠概念的提出，AGV 的應用數量出現了爆發式的增長。同時，AGV 由傳統的電磁等導航方式轉向雷達及視覺導航，向著多傳感器融合方向發展。國際機器人聯合會主席曾表示[7]：“以物流機器人壽命15 年來計算，運營成本僅為年度投資的5%左右。用于物流的服務機器人的投資能被迅速回收。”

2018 年，共有7 700 臺AGV 用于制造行業和近10.3萬輛用于非制造行業中。中國電商行業的發展也提升了倉庫與物流線對于自動化機器人的需求，推動了非制造業自動化物流的趨勢，使得AGV 并不僅被用于制造業企業的工廠，同時廣泛出現在電商企業的倉庫，造就了巨大的市場。

2010 年后，由于硬件價格的降低和芯片性能的提升，使用激光雷達或視覺導航的掃地機器人大量進入市場[8]。隨著iRobot 等掃地機器人產品的出現，家庭服務機器人市場銷量大增。2017 年，打掃機器人、除草機器人、擦玻璃機器人已經占服務機器人銷售量總數的3/4。

1.4.3 2015 年至今發展現狀

2014 年開始，4G 網絡正式投入商用，隨著通信速度的提升，機器人的發展也由本地轉向云端。同時，隨著計算機性能增加，計算量得到提升，神經網絡算法也不斷進步。此階段服務機器人向著云平臺、云計算、人機智能交互方向發展。同時，越來越多的國內廠商開始參與家庭服務機器人的研發，產品價格逐漸平民化，開始進入市場。

中國目前正面臨著老齡化越來越嚴重的問題，2021年，中國60 歲及以上人口為26 402 萬人，占總人口數的18.70%，這催生了巨大的助老服務機器人市場。早在2010年，國家863 計劃就對助老助殘機器人進行大量的支持，如中科院自動化研究所研制的智能輪椅等，極大地方便了老年人的出行[9]。2019 年助老機器人銷量占個人服務機器人的17%，目前助老機器人的發展還處在起步階段，預計此類機器人未來5 年還會有較大的發展前景。

近年來，醫療機器人同樣發展迅速，隨著機器視覺的發展和機械臂控制精度的提升，手術機器人達到了真正遠超人類的手術精確度。2015 年，我國醫用機器人年度申請專利數量已在服務機器人中位列第1，為上一年度的4 倍，2017 年醫用機器人累計申請專利數已超越排名第2的無人機1 萬件以上[10]。2019 年醫療機器人的銷售額在專用服務機器人中占47%。

2019 年，新冠肺炎疫情的出現使服務機器人市場繼續增長。由于疫情帶來的勞動力工作不便情況，使用服務機器人是非常好的替代方案。同時，這也對機器人消毒的解決方案、工廠和倉庫中的機器人物流解決方案或家用送貨機器人的需求大幅提高，促進了服務機器人行業技術水平提升。

2 結語

《中國制造2025》[11]中要求家庭服務機器人具備自主移動、自主學習、與人自然交互的能力；養老助殘機器人實現產業化、與人自然交互，實現可穿戴輔助等；醫療機器人向著軟體、多手指、醫用影像結合方向發展；無人機向多機合作、預編程控制方向發展；仿生飛行器實現產業化。由此可見，根據《中國制造2025》對服務機器人行業發展的指導和要求，服務機器人向著機器自主學習、能與人類自然交互以及多機互聯的方向發展，未來養老助殘機器人、醫療機器人以及無人機特種機器人是幾個重要發展方向。

隨著技術的進步、全球老齡化趨勢和勞動力不足等因素推動，未來服務機器人產業將進入快速持續的增長期。雖然我國機器人研究起步較晚，但服務機器人在全球也是新興產業，相關研發與制造依然處在探索階段，我國同樣有許多服務機器人生產企業可以站在世界前列。與工業機器人不同，服務機器人是面向廣大消費者的，擁有著十分廣闊的市場，對服務機器人的研究應結合技術與市場，統籌國家政策與相關行業規范，堅持自主研發與自主創新，才能真正做到讓服務機器人進入每一個人的生活。