服務機器人的研究進展

PAGE68 機械工程學報 第39卷第2期期服務機器人的研究進展摘要：在近幾年服務機器人的發(fā)展速度很快，出現(xiàn)了很多種類的先進機器人，應用非常廣泛，在一定程度上提高了人們的生活質量。文章首先介紹國際上對服務機器人的定義以及服務機器人的產生背景，分析了歐美，日本，以及國內服務機器人的研究進展，經過對比，指出了國內服務機器人研究的不足。并對幾種典型的服務機器人：清潔機器人、助老機器人、烹飪機器人、幕墻清洗機器人的結構、工作原理、特點、性能進行簡要的說明，闡述當前服務機器人研究領域的關鍵技術——傳感技術和控制技術。最后展示服務機器人的研究趨勢，未來智能服務機器人技術將沿著自主性、智能通信和適應性三個方向發(fā)展。關鍵詞：服務機器人；關鍵技術；路徑規(guī)劃；工作模式；人工智能 0前言*.1定義服務機器人目前處于早期階段，國際機器人聯(lián)合會對服務機器人的定義是：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它從事的服務可是人類生存的更好，使制造業(yè)以外的設備更好地工作。德國生產技術與自動化研究所（IPA）對服務機器人所下的定義是：服務機器人是一種可以自由編程的移動設備，它至少應有三個運動軸，可以部分或全自動地完成服務工作。這里的服務工作不是只為工業(yè)生產而從事的服務活動，而是為人和單位完成的服務工作。服務型機器人是為人類服務的特種機器人，主要從事家庭服務，維護、保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、監(jiān)護等工作。0.2產生背景隨著傳感和控制技術、驅動技術以及材料技術的進步，在服務行業(yè)實現(xiàn)運輸、操作及加工自動化已具備了必要的條件，服務機器人開辟了機器人應用的新領域。專家們預測，服務機器人的數(shù)量將會超過工業(yè)機器人。目前世界各國正在努力開發(fā)應用于各自領域的服務機器人，公共事業(yè)及環(huán)保機器人、物體及表面清洗用機器人、在難以接近的地方進行維護檢查機器人、安保及送信用移動機器人等服務機器人不斷出現(xiàn)。0.3研究意義服務機器人在某些情況下可以有一個移動平臺構成，上面裝一只或數(shù)只手臂。服務機器人的控制方式與工業(yè)機器人手臂的控制方式相同。對服務機器人評價的內容包括：能否完成人所不能完成的任務;它的使用是否有意義或對人有所幫助；能否改善人的生活質量，并完成繁重的家務勞動等。1發(fā)展歷程服務機器人出現(xiàn)時間稍晚于工業(yè)機器人，90年代后才正式登上歷史舞臺。作為新興市場，服務機器人發(fā)展非常迅速，類型眾多，目前市場上已經出現(xiàn)近300家初創(chuàng)公司。截至2018年，服務機器人銷量有望達到3500萬，其中家用機器人占到2500萬臺。物流領域對機器人需求也非常大，醫(yī)療機器人、水下勘測、救援機器人都有較好的發(fā)展前景。到2018年，全球服務機器人的銷售額有望達到280億美元。1.1歐美發(fā)展概況歐美國家在服務機器人產品研制開發(fā)方面起步較早。1982年荷蘭開發(fā)一個裝在茶托上的實驗用機械手RSI，主要完成喂飯和翻書，這個項目對后來的輪椅機械手Manus有很大的影響。Manus開始于1984年，它的臂包含5個自由度，經過幾年的測試后，由荷蘭的ExactDynamicsbv公司生產并投入市場。1987年，英國人MikeTopping研制了Handy1康復機器人樣機,使一個患有腦癱的6歲男孩第一次能夠獨立就餐。它屬于工作站式機器人，在已知的環(huán)境中，機器人按操作要求，從相應的物品架上抓取所需物品。20世紀90年代初，歐盟提出了TIDE計劃，旨在促進幫（assistive）技術研發(fā)，以滿足社會和工業(yè)要求，改進殘疾人和老年人的生活質量，提高歐洲服務業(yè)市場的發(fā)展水平。進入21世紀，法國國家科學院、德國聯(lián)邦研究協(xié)會分別提出Robea、GURP計劃積極推動服務機器人的研究【3】。美國家用服務機器人的研發(fā)也起步較早，并已推出部分代表性的產品。其中一種叫“護士助手”機器人，已經在醫(yī)院和家庭使用。美國Stanford大學開發(fā)的MOVAR機器人，可以穿行到各個房間，機械手上裝有力傳感器和接近覺傳感器以保證工作安全可靠。這類機器人一般工作在未知環(huán)境，由于在未知環(huán)境下控制的復雜性以及控制成本等原因，這類服務機器人大多處于研究開發(fā)階段。1.2日本概況日本對機器人技術的研發(fā)一直非常重視。日本是世界上公認的機器人大國，從傳統(tǒng)的帶機關的人偶，到現(xiàn)在高仿真的機器人，都標志著日本科技的發(fā)展。最近本田公司又研制出新型的機器人“阿西莫”。作為最新一代的仿真機器人，“阿西莫”能夠像人類一樣跑步、上樓梯、甚至為客人端茶送水。日本是世界公認的機器人大國，而其機器人技術的基礎或許正是傳統(tǒng)的機關人偶制作技藝，“射箭童子”等就是機關人偶的代表作。以齒輪和發(fā)條為動力，端坐在臺子上的童子能把擺在面前的箭依次搭到弓弦上，射到數(shù)米外的地方。1.3國內概況我國在服務機器人領域的研發(fā)起步較晚。1995年清華大學開發(fā)了一個七自由度移動式護理機人，以高位截癱作為護理對象，目標是在無人看護的情況下替患者完成取藥、送水、翻書等工作。近年來，在國家863計劃的支持下，我國在家用服務機器人研究和產品研發(fā)方面已開展了大量工作，并取得了一定的成績。哈爾濱工業(yè)大學研制的“導游機器人”、“迎賓機器人”、“清掃機器人”令人耳目一新【5】。華南理工大學機器人研究室成功研制出了一張機器人護理病床。但總的來說，我國目前在服務機器人方面的產品仍然很少，技術不夠成熟，與發(fā)達國家的服務機器人產業(yè)仍有較大的差距。2典型機器人介紹2.1Roomba清潔機器人2.1.1機器人簡介Roomba清潔機器人英文名稱為“Roomba”，中文為“倫巴”，是由美國iRobot公司生產。Roomba可以完全鉆到家具底下，這是人和直立式吸塵器所不能做到的。由于Roomba的高度僅為9厘米左右，可以輕松地鉆到大多數(shù)茶幾、床頭柜、床和一些沙發(fā)的下面進行清潔。2.1.2結構Roomba的直徑約為33厘米，高9厘米。Roomba用可充電的鎳氫電池供電。Roomba電池的功率是3安培小時，需要約七小時才能完全充滿電（約18伏）。一些較新的Roomba型號已經將充電時間縮減為三小時左右，完全充滿電后大約可清掃兩小時。它的機動系統(tǒng)主要由兩只電機驅動的履帶輪組成，Roomba通過改變各輪的供電進行轉向。Roomba共有五個電機：每只輪子由一個電機驅動（共2個電機）一個電機驅動吸塵器一個電機驅動旋轉邊刷一個電機驅動鼓風組件。如圖1圖6避障路徑規(guī)劃流程2.2助老機器人目前，全世界人口的加速老齡化使醫(yī)療和社會保險系統(tǒng)面臨前所未有的壓力，高齡老年人的自我照料能力差，行為和語言的能力下降，所以需要對他們進行特別的護理，助老機器人應運而生。助老機器人可以服務于懷孕的婦女、患有重大疾病行動不方便的病人、老年人以及殘疾人等.主要能夠實現(xiàn)以下功能：輔助老年人行走；提取物品、按時喂藥、端茶水；生命質量監(jiān)測；語音交互功能。2.2.1助老機器人總體結構助老服務機器人主要由2部分組成：帶有觸摸屏的輔助行走單元和機械臂系統(tǒng).其中輔助行走單元內部分為4層：第1層裝有CCD攝像頭和觸摸屏；第2層用于擺放老年人日常用品，例如水杯和藥品等；第3層用于安放控制器、電源、電機驅動器等；最后一層是機器人底盤，安裝有驅動輪、從動輪、直流電機及減速器等，如圖7。圖7助老機器人結構簡圖圖8助老機器人2.2.2助老機器人工作原理輔助行走單元可以基于操作者的意愿來控制車體運動的快慢以及轉向.助老服務機器人安裝于手柄上的壓力傳感器測量行走者作用于手柄的力的大小和方向，從而使機器人按照人的意愿前進或者后退.人施加于手柄的力是靠安裝于手柄的壓力傳感器測量得到的.安裝于車身前端的3組超聲波傳感器可以實現(xiàn)及時避障，從而保證老年人安全行走.由于助老服務機器人要實現(xiàn)代替老年人取物品的功能，而且要求跟隨車體隨意移動【9】；因此安裝于助老服務機器人的輕型作業(yè)臂必須具有足夠的自由度和良好的可操作度，同時還要求重量輕、體積小、安全性能好，具備穩(wěn)定、快速地在周邊空間內工作的特點【10】.如圖8所示.輕型機械臂由肩部、大臂、肘關節(jié)、小臂、腕部、末端執(zhí)行器等功能模塊組成.一共有肩部回轉、大臂回轉、肘關節(jié)回轉、小臂回轉、腕部回轉以及手爪張和6個自由度.為增加工作效率，將各驅動單元直接安裝在關節(jié)處，采用伺服電機控制，并在各個關節(jié)處裝有光電限位開關，末端執(zhí)行器裝有攝像頭。2.2.3助老機器人工作模式根據(jù)助老服務機器人滿足的功能要求，將其劃分為4種工作模式（父狀態(tài)），其中每種工作模式又根據(jù)實際工作情況的變化劃分為幾種不同的子狀態(tài)，如圖2所示.助老服務機器人處于不確定的環(huán)境中，適應不同情況的變化而進行控制.當外界環(huán)境發(fā)生變化時，如果不滿足系統(tǒng)的觸發(fā)條件，則認為系統(tǒng)還是處于原始狀態(tài)；如果滿足系統(tǒng)的觸發(fā)條件，那么系統(tǒng)就會自動轉移到其他狀態(tài).如圖10圖10助老機器人工作模式圖2.3烹飪機器人中國菜肴烹飪機器人能夠根據(jù)指令自主地完成烹飪。機器人由人機界面、投料機構、鍋具動作機構、火候視覺模塊和蓋鍋機構組成。如圖11鍋具運動機構示意。如圖12所示，根據(jù)鍋具運動學分析，將實現(xiàn)烹飪機器人自由度要求的鍋具運動機構進行簡化，可完成實際的鍋具運動部件，以及晃鍋、傾倒和翻鍋(分小翻和大翻)等特殊動作。電機1帶動曲柄使滑桿做往復運動與擺動，鍋具與滑桿連成一體，在滑桿做往復運動與擺動的過程中，鍋具中心做近似橢圓的變速運動。電機2通過錐齒輪使滑桿(包括鍋具)做旋轉運動，從而使鍋具實現(xiàn)翻動和傾倒動作。上述裝置安裝在一個運動平臺上，由其他電機驅動實現(xiàn)整體平移。該運動機構的運動合成使鍋具機構實現(xiàn)翻動、水平移動和晃動。圖11機構圖圖12烹飪機器人鍋具動作機構原理圖2.4幕墻清洗機器人

現(xiàn)代城市高樓林立，很多高層建筑采用瓷磚或玻璃幕墻，常年裸露在外，必須進行維護清洗，長期以來表面清洗多數(shù)依靠身系繩索、手持抹布的“蜘蛛人”只高空作業(yè)。人工進行高層建筑物的清洗不僅費用高、效率低而且十分危險。高層建筑幕墻清洗機器人將使工人從危險的高空清洗作業(yè)中解脫出來。機器人清洗外露墻面不僅可以消除安全隱患，還能降低成本提高效率。2.4.1幕墻清洗機器人結構及原理1、吸附固定裝置

采用氣動吸盤、真空吸附玻璃幕墻，吸力強，調整范圍大，負重及牽引力等特點。由真空泵到配氣盤配氣接口之間的氣動系統(tǒng)，包括真空過濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開關等。當需要產生真空時，真空泵通電；當需要破壞真空放開壁面時，真空泵斷電、真空破壞閥。這些真空控制元件可以組成一體，形成一個真空發(fā)生器組件。上述一套真空發(fā)生器組件只能與一個配氣接口相連接，為了給兩個配氣接口完成配氣需要兩套這樣的設備。但是，在實際爬壁機器人工作時一個配器接口的吸盤需要產生真空，而另外一個則恰好需要破壞真空，因此為了簡化結構和節(jié)約成本可以在氣動回路中串聯(lián)一個兩位四通的電磁換向閥，該電磁換向閥與真空供給閥、真空破壞閥均由PLC控制工作，協(xié)同完成對兩個配器接口的配氣。如圖13圖13配氣機構

2、運動轉換裝置

獨創(chuàng)八爪轉換式行走機構，運動的同時四個氣缸吸附墻體，四個氣缸移動到目的位置，通過交替吸附現(xiàn)實換位并做下個個運動。如圖14圖14運動機構3、清洗裝置

通過特制滾刷和清洗裝置可一次性完成玻璃墻面、玻璃邊緣和滾刷清洗。并針對不同的玻璃型號設計了手臂轉向裝置。

4、水循環(huán)系統(tǒng)

作業(yè)用水循環(huán)使用，洗一座20多層的寫字樓只要20公斤，是人工清洗用水的十分之一左右。

5、視覺觀察系統(tǒng)可向上下左右180度范圍內任意調整，全景觀察清掃刷工作狀況，及清潔裝置。

3服務機器人開發(fā)目前存在的問題及不足近年來，機器人，特別是服務機器人市場正在快速發(fā)酵。但近期，相關調查數(shù)據(jù)卻顯示，2015年國內服務機器人整體出貨量僅有幾萬臺，某標桿公司月出貨量約1k/月，且多是樣品展示使用，這無疑給當前發(fā)展火熱的機器人產業(yè)潑了盆冷水。為何服務機器人潛在需求很大，產業(yè)很熱，卻出現(xiàn)了銷量小、投資冷的僵局？下面，我們就從以下三點，看看國內服務機器人開發(fā)中的一些問題和不足。1、供應鏈不完善，核心器件和技術缺乏

機器人核心器件和模塊包括主控、語音模塊、麥克風陣列、攝像頭、視覺處理模塊、無線連接模塊、超聲波、紅外、陀螺儀、手勢識別、環(huán)境光、溫度等各種傳感器、驅動馬達、舵機、移動底盤……就主控來說，目前也沒有專門針對機器人而設計的主控，多是在以往平板主控方案基礎上重新封裝改善穩(wěn)定性后使用；再如舵機，對于手腳可動機器人是至關重要的部件，可以說是機器人的發(fā)動機和變速器，但是國內做舵機的公司很少，做得好的更是鳳毛麟角。像視覺處理、傳感器、馬達等也多依賴于進口，模塊成本高，提升了整體設備成本，這樣導致機器人售價較高，消費者難買單。2、開發(fā)難度大，產品遲遲不能上市

做機器人的公司要么是原來做消費電子的企業(yè)，對顯示、觸控、傳感器技術較為了解，但對舵機和控制算法一無所知，需要重新整合資源；要么是工控企業(yè)出身，對機械的功能和控制了如指掌，但在傳感、顯示、無線傳輸整合上需要找尋合作伙伴。然而，最讓人頭疼的是人機交互等軟件技術，需要做大量的定制性工作，如語音喚醒和語音合成。可見，目前機器人行業(yè)很難找到能提供全套功能設計的方案商。3、感知和認知技術上的瓶頸使用戶體驗差