家用机器人发展概况：从Roomba到汇童

从20世纪80年代中期开始，服务机器人逐步从工厂的结构化环境进入医院、办公室、家庭等日常生活环境，特别是最近几年，在清洁地面、割草或充当导游、保姆和安保等方面取得了显著进步。

我国非常重视对服务机器人的研究，1986年3月就把研究、开发智能机器人的内容列入国家863高科技发展规划中，20多年来，在个人及服务机器人领域取得了可喜成绩。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、美国等国家相比还有一定的差距。2006年由中国科学院自动化研究所先进机器人研究中心研制出我国首台具有国际一流语音交互水平和复杂动作及智能运动控制水平的“美女机器人”，如图5-1所示。这款“美女机器人”能够根据工作人员说出的指令，完成相应的动作，能讲英语、四川方言，能唱歌、讲笑话，能与游客进行语音聊天和知识问答，能自动识别途中碰到的障碍物并做语音提示。2009年，由北京理工大学、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等多家单位共同研制成功了“汇童”仿人机器人，如图5-2所示。该仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能，在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。

图5-1　美女机器人

图5-2　“汇童”机器人

不但我国高度重视服务机器人的研究与应用，欧美国家也将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持。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。2009年，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出的个性机器人保姆“ar”（见图5-3），不仅会洗衣、打扫卫生，还会收拾餐具等多项家务杂活。它依靠车轮移动，共搭载有5台照相机以便确认家具的位置。2010年，由日本产业技术综合研究所和大阪大学等共同研制出一台人形机器人。该机器人以年轻女性为原型，皮肤由硅胶制成，连接计算机的摄像头在识别出操作者后会指挥机器人做出同样的表情，如喜悦、悲伤等。该机器人会摇头和点头，还可以将操作者的声音转换成年轻女性的声音。2012年，日本东京大学的JSK实验室为了研究肌肉组织的运动情况及其同骨骼的兼容性，制造了一台世界上最接近人体构造的人形机器人“Kenshiro”，如图5-4所示。Kenshiro身上大约拥有160块主要的肌肉：每条腿有25块，每个肩膀有6块，躯干有76块而颈部有22块。不过其中大多数肌肉事实上反而会妨碍机器人的运动，这也是为什么其他人形机器人不完全按照人体结构设计的原因。同样重要的还有机器人的骨架。与前几款机器人不同，Kenshiro的骨骼采用铝合金打造，比起塑料要结实不少。而他的膝关节有了膝盖骨和人造韧带的保护，甚至比人体自身的相同结构还要结实。

图5-3　机器人保姆

图5-4　人形机器人“Kenshiro”

在机器人技术方面，美国在国际上仍一直处于领先地位，其技术先进、全面，适应性也很强，特别在智能机器人与服务机器人研究方面更是一枝独秀。2002年，由美国iRobot公司在全球首次研发出吸尘机器人Roomba，用于自动清扫和清除家庭中的各类垃圾、灰尘，是一款搭载了全球高级人工智能系统iAdapt技术的全自动化吸尘机器人。随后，该公司又研发出一款Braava擦地机器人，可提供干擦和湿擦两种模式供用户选择，超静音马达做到无声无息让地板变得洁净一新。其内置的GPS导航系统，可自动绘制房间地图，跟踪已清洁和待清洁的区域。它能自动沿着墙壁、地脚线和边缘清洁污垢和灰尘，碰到家具会自动回避，遇到楼梯和地毯，它干脆掉头就走。2013年，iRobot家用机器人全球销量突破1 000万台。2006年，美国推出了专治中风的机器人医生，如图5-5所示。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台笔记本式计算机和互联网，就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务。2009年，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，如图5-6所示，它可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来，以便更好地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。(www.xing528.com)

图5-5　机器人医生

图5-6　助残机器人

德国在服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。新一代机器人保姆Care-O-Bot3，如图5-7所示，全身遍布不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头，让它既能识别生活用品也能避免误伤主人。它还具有声控或手势控制的自我学习能力，能听懂语音命令和看懂手势命令。法国不仅在机器人拥有量上居世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处世界先进水平，这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，大力支持服务机器人研究计划，并且建立起一个完整的科学技术体系，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国阿德巴兰机器人公司研制的双足智能NAO机器人，如图5-8所示，具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和25个灵活的关节，能执行多种动作指令。英国机器人研究公司（RM）开发的霹雳舞机器人MechRC，如图5-9所示，既能在课堂上大显身手，帮助孩子们学习数学、几何、物理、设计和工程学，又能跳舞。因为这个机器人身上有着多个灵活的关节，通过计算机设定好的程序，能做出各种人类的舞蹈动作。

图5-7　机器人Care-O-Bot3

图5-8　机器人NAO

图5-9　霹雳舞机器人

服务机器人技术发展主要趋势为智能化、标准化、网络化。具体表现在三个方面：①由简单机电一体化装备向机电一体化和多传感器智能化等方面发展；②由单一作业，向服务机器人与信息网络相结合的虚拟交互、远程操作和网络服务等方面发展；③由单一复杂系统向将其核心技术、核心模块嵌入于高端制造等相关装备方面发展。另外,服务机器人的市场化要求家庭化、模块化、产业化成为未来服务机器人应用发展的趋势。服务机器人技术越来越向智能机器技术与系统方向发展，其应用领域向助老助残、个人娱乐、家用服务、特种服务等方面扩展，在学科发展上与机电一体化理论与技术、纳米制造、生物制造等学科进行交叉创新，研究的科学问题包含新材料、新感知、新控制和新认知等方面。而涉及服务机器人的需求与创新、产业、服务及安全之间的辩证关系依然是其发展的核心原动力与约束力。服务机器人作为一个具有巨大社会关注度的、特色鲜明的典型高新技术，是21世纪高技术制造业与现代服务业的重要组成部分，也是我国高科技产业发展的一次重大机遇，对于提升国家核心竞争力具有重要战略意义。