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家庭服务机器人的研究技术和进展
关键词 : 家庭机器人 ; 研究现状 ; 技术分析 ; 赛事 ; 发展趋势
1、家庭机器人的概述
国际机器人联合会给了服务机器人一个初步的定义:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人, 它能完成有益于人类的服务工作, 但不包括从事产的设备。
在我国服务机器人的定义指用于完成对人类福利和设备有用的服务 (制造操作除外的自主或半自主的机器人,主要包括:清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、救灾机器人、店售货及餐厅服务机器人等。
现在, 我国服务机器人的研究没有形成系统, 基本上是各个大学、研究院所根据国外的研究状况, 或是为了培养学生兴趣, 而进行的一些零散的研究, 处于落后状态。
而在机器人研究非常发达的国家, 例如德国、日本和韩国, 服务机器人研究大多是企业出面进行研究的, 将研究与产业发展、市场需求非常好的结合起来, 使研究服务于企业, 企业促使研究发展, 形成一个良性循环。
因此这些国家服务器人的产业化,已经取得了非常好的成果
2 、家庭机器人的研究现状
过去 50 年里 , 机器人主要被应用在工业生产和危险环境中的探测工作。
现在更大的市场已经转移到了家庭 , 每个家庭都拥有机器人 ! 将不再是科幻小说中的情节。
虽然现在人们还不能拥有一个全智能的机器人管家 , 但至少可以把一个吸尘器机器人带回家。
2003 年 , 日本泰姆泽库公司研发了恐龙机器人番龙 ! ( 如图 1 所示。
该机器人比一般看门狗大一些 , 大小和大型警犬差不多 , 如果家中出现异常情况 , 就会呼
叫主人手机 , 通知主人家中有异常 , 或者根据传感器的反应 , 主人可以远距离操纵番龙 !
寻找所出现的异常现象。
图 1 机器人番龙 !
2005 年日本发布了 PaPeRo2005( 如图 2 所示 , 这是一
款强化通讯功能的家庭型机器人。
它可以在噪声环境下分
辨声音 , 即使开着电视也能与人对话 , 而且对手写笔记、文字
和动画有识别能力 , 有与人自然沟通的能力 , 可与儿童对话
并实现部分儿童监护功能 [4] 。
图 2 PaPeRo2005
2007 年日本公司在大阪展示了它们正在开发的新型家务机器人 ( 如图 3所示。
该机器人外观似泰迪熊 , 它带有的声音识别系统 , 可以听懂一万多种命令并能够准确执行这些命令 , 例如 : 你冲它说开灯 ! 它就会把灯打开 ; 你说换台 ! 它就会为你改变电视现在的节目。
图 3形似泰迪熊的家庭机器人
2008 年太平洋网公布了信息时报综合报道的加拿大 IT 奇才打造完美机器人妻子 Aiko( 如图 4 所示 , 该女性机器人一头秀发 , 五官精致 , 能简单从事清洁和家务工作 , 精于数学 , 可以认人 , 能够大声读报纸 , 给人指方向等
图 4女性机器人 Aiko
3、家庭组机器人的国际赛事
RoboCup (机器人足球世界杯是一个国际性的研究组织,它通过提出一系列标准问题来促进人工智能及机器人的研究和发展。
RoboCup 起初主要以足球机器人作为研究对象, 经过一段时间的发展重心逐渐转移到机器人的实际应用问题,家庭机器人赛事应运而生。
RoboCup 家庭组机器人赛事主要目的是为了提高自主机器人在实际生活中的应用以及机器人同人类的友好交互, 目标是促进可协助人类日常生活的实用机器人技术的发展。
RoboCup 家庭组机器人装备有激光、视觉、罗盘等传感器,比赛场地为非结构化场景的家庭环境, 机器人预先不知道家庭环境的布局并且在比赛过程中所有家具可以重新布置, 重点学习研究机器人在家庭环境下进行自定位与自建地图的方法。
4 家庭机器人发展的技术因素分析
机器人技术是多技术集成, 它的进步取决于其他领域的发展, 特别是计算机、
信息处理、传感器和驱动器、通信和网络等。
制约家用服务机器人产业发展的共性技术主要包括如下方面。
(1 自主移动机器人平台技术
大量服务机器人通过自主移动机构实现在室内环境下的运动, 尽管因其服务功能不同而需要在移动平台上配置不同的辅助机构, 但自主移动机器人通常可以
作为相当一大类家用服务机器人的基础平台。
在这类平台上存在一些共性问题, 如控制器、驱动器和传感器的标准化问题、机器人操作系统的实时性问题、机器人内部通信总线的鲁棒性问题、机器人的集成开发环境问题等。
在集成上述关键技术问题的基础上,若研究开发开放式和标准化的移动机器人硬件和软件平台, 可以为服务机器人提供直接有效的运动部件, 适应对不同服务内容机器人的柔性求。
(2 机构与驱动
家用服务机器人在不同的作业环境下工作, 需要不同类型的移动机构和作业机构。
机器人的执行机构和驱动机构将朝着微型化和一体化的方向发展。
开发具有真正操作能力的机器人,必须解决服务机器人的移动机构和作业机构对家庭环境和不同作业任务的适应性问题。
比如, 学术界一直热衷于双足机器人、仿人型操作
臂和灵巧手的开发, 虽然日本、韩国和欧盟都已经开发出高水平的样机, 但是由于
其机构和驱动系统的高昂成本和有限功能, 这些样机目前还仅仅停留在实验室阶段。
(3 感知技术
传感器是服务机器人的关键部件, 是其对环境做出准确、及时反映的信息基础。
针对家用服务机器人对获取周围感知信息的需求, 开发物美价廉的适合在家庭环境内使用的 (包括对人体安全的传感器模块, 是服务机器人真正以低成本进入普通百姓家庭的必要条件。
在家用机器人中, 根据需要开发使用各种新型视觉系统和传感器件以及对多个传感器信息的处理和融合, 这是家用机器人获得更准确、完整
的环境信息、提高系统智能决策水平的关键。
提高现有传感信息处理的实时性和对环境变化的鲁棒性也是一个富有挑战性的课题。
除了传统的超声波、红外、视觉等传感器外, 新型的触觉传感器、位姿传感器等智能传感务机器人感知技术未来的发展方向。
(4 交互技术
家用机器人既以服务为目的, 人们自然需要有更多、更方便、更自然的方式与机器人进行交互,这包括高层次的情感交互及低层次的力觉和触觉的交互等, 而不再满足操纵键盘和按钮的方式。
基于视觉和听觉的人机交互是该领域的发展方向, 受制于当前语音理解与合成技术和计算机视觉技术的研究水平。
交互技术的目标是赋予机器人以情感 , 把人与人之间要依靠语音和视觉交互的习惯,逐渐延伸到人与机器之间的交互。
(5 自主技术
家用机器人的应用环境通常是半结构化环境, 其执行的任务多样复杂。
因此, 对于各种实用性的家用机器人来说,如何提高其对变化环境和多种任务的适应性, 提高自主服务能力, 是一项具有平台性的关键技术。
自主技术的目标是赋予机器人以思维,其主要包括:任务规划、环境创建与自定位、路径规划、实时导航、目标识别等。
(6 网络通信技术
网络通信技术与机器人技术的结合促进了机器人技术的 _发展, 也给机器人技术提出了挑战。
为弥补当前智能机器人系统发展的不成熟, 通过网络实现操作者对机器人的计算机辅助遥操作, 是对智能机器人系统的一个很好的补充。
但这也提出了一些挑战,如网络延时、丢包、乱序、透明度、临场感等。
通过网络可以将机器人构成一个动态分布式系统。
从机器人角度看, 这就提出了分布式导航定位、建模、协调控制等问题。
5 家庭机器人产业的发展趋势
时至今日, 纵观国内外服务机器人的发展, 可以发现服务机器人在我国具有广阔的市场空间。
机器人已从第一代示教再现型机器人、第二代带感觉的机器人发展到第三代智能机器人,而服务机器人正是第三代机器人的典型代表。
目前国外的科学家们在移动机构设计、传感器融合与环境建模技术、路径规划技术、能源技术、智能控制技术、人机交互技术、成本控制等方面都取得了长足的进步。
目前 , 世界各国的机器人专家普遍认为未来机器人将迅速崛起 , 商业化应用将不断扩大 , 机器人进入家庭为人类服务已经不再是遥不可及的梦想。