服務(wù)機(jī)器人的研究進(jìn)展

PAGE68 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第39卷第2期期服務(wù)機(jī)器人的研究進(jìn)展摘要：在近幾年服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展速度很快，出現(xiàn)了很多種類的先進(jìn)機(jī)器人，應(yīng)用非常廣泛，在一定程度上提高了人們的生活質(zhì)量。文章首先介紹國際上對(duì)服務(wù)機(jī)器人的定義以及服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)生背景，分析了歐美，日本，以及國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的研究進(jìn)展，經(jīng)過對(duì)比，指出了國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人研究的不足。并對(duì)幾種典型的服務(wù)機(jī)器人：清潔機(jī)器人、助老機(jī)器人、烹飪機(jī)器人、幕墻清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)、性能進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明，闡述當(dāng)前服務(wù)機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)——傳感技術(shù)和控制技術(shù)。最后展示服務(wù)機(jī)器人的研究趨勢(shì)，未來智能服務(wù)機(jī)器人技術(shù)將沿著自主性、智能通信和適應(yīng)性三個(gè)方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；關(guān)鍵技術(shù)；路徑規(guī)劃；工作模式；人工智能 0前言*.1定義服務(wù)機(jī)器人目前處于早期階段，國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)對(duì)服務(wù)機(jī)器人的定義是：服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它從事的服務(wù)可是人類生存的更好，使制造業(yè)以外的設(shè)備更好地工作。德國生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化研究所（IPA）對(duì)服務(wù)機(jī)器人所下的定義是：服務(wù)機(jī)器人是一種可以自由編程的移動(dòng)設(shè)備，它至少應(yīng)有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，可以部分或全自動(dòng)地完成服務(wù)工作。這里的服務(wù)工作不是只為工業(yè)生產(chǎn)而從事的服務(wù)活動(dòng)，而是為人和單位完成的服務(wù)工作。服務(wù)型機(jī)器人是為人類服務(wù)的特種機(jī)器人，主要從事家庭服務(wù)，維護(hù)、保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、監(jiān)護(hù)等工作。0.2產(chǎn)生背景隨著傳感和控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及材料技術(shù)的進(jìn)步，在服務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、操作及加工自動(dòng)化已具備了必要的條件，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。專家們預(yù)測(cè)，服務(wù)機(jī)器人的數(shù)量將會(huì)超過工業(yè)機(jī)器人。目前世界各國正在努力開發(fā)應(yīng)用于各自領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，公共事業(yè)及環(huán)保機(jī)器人、物體及表面清洗用機(jī)器人、在難以接近的地方進(jìn)行維護(hù)檢查機(jī)器人、安保及送信用移動(dòng)機(jī)器人等服務(wù)機(jī)器人不斷出現(xiàn)。0.3研究意義服務(wù)機(jī)器人在某些情況下可以有一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，上面裝一只或數(shù)只手臂。服務(wù)機(jī)器人的控制方式與工業(yè)機(jī)器人手臂的控制方式相同。對(duì)服務(wù)機(jī)器人評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括：能否完成人所不能完成的任務(wù);它的使用是否有意義或?qū)θ擞兴鶐椭?；能否改善人的生活質(zhì)量，并完成繁重的家務(wù)勞動(dòng)等。1發(fā)展歷程服務(wù)機(jī)器人出現(xiàn)時(shí)間稍晚于工業(yè)機(jī)器人，90年代后才正式登上歷史舞臺(tái)。作為新興市場(chǎng)，服務(wù)機(jī)器人發(fā)展非常迅速，類型眾多，目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)近300家初創(chuàng)公司。截至2018年，服務(wù)機(jī)器人銷量有望達(dá)到3500萬，其中家用機(jī)器人占到2500萬臺(tái)。物流領(lǐng)域?qū)C(jī)器人需求也非常大，醫(yī)療機(jī)器人、水下勘測(cè)、救援機(jī)器人都有較好的發(fā)展前景。到2018年，全球服務(wù)機(jī)器人的銷售額有望達(dá)到280億美元。1.1歐美發(fā)展概況歐美國家在服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品研制開發(fā)方面起步較早。1982年荷蘭開發(fā)一個(gè)裝在茶托上的實(shí)驗(yàn)用機(jī)械手RSI，主要完成喂飯和翻書，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)后來的輪椅機(jī)械手Manus有很大的影響。Manus開始于1984年，它的臂包含5個(gè)自由度，經(jīng)過幾年的測(cè)試后，由荷蘭的ExactDynamicsbv公司生產(chǎn)并投入市場(chǎng)。1987年，英國人MikeTopping研制了Handy1康復(fù)機(jī)器人樣機(jī),使一個(gè)患有腦癱的6歲男孩第一次能夠獨(dú)立就餐。它屬于工作站式機(jī)器人，在已知的環(huán)境中，機(jī)器人按操作要求，從相應(yīng)的物品架上抓取所需物品。20世紀(jì)90年代初，歐盟提出了TIDE計(jì)劃，旨在促進(jìn)幫（assistive）技術(shù)研發(fā)，以滿足社會(huì)和工業(yè)要求，改進(jìn)殘疾人和老年人的生活質(zhì)量，提高歐洲服務(wù)業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展水平。進(jìn)入21世紀(jì)，法國國家科學(xué)院、德國聯(lián)邦研究協(xié)會(huì)分別提出Robea、GURP計(jì)劃積極推動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的研究【3】。美國家用服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)也起步較早，并已推出部分代表性的產(chǎn)品。其中一種叫“護(hù)士助手”機(jī)器人，已經(jīng)在醫(yī)院和家庭使用。美國Stanford大學(xué)開發(fā)的MOVAR機(jī)器人，可以穿行到各個(gè)房間，機(jī)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(jī)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(fù)雜性以及控制成本等原因，這類服務(wù)機(jī)器人大多處于研究開發(fā)階段。1.2日本概況日本對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)一直非常重視。日本是世界上公認(rèn)的機(jī)器人大國，從傳統(tǒng)的帶機(jī)關(guān)的人偶，到現(xiàn)在高仿真的機(jī)器人，都標(biāo)志著日本科技的發(fā)展。最近本田公司又研制出新型的機(jī)器人“阿西莫”。作為最新一代的仿真機(jī)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(rèn)的機(jī)器人大國，而其機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)或許正是傳統(tǒng)的機(jī)關(guān)人偶制作技藝，“射箭童子”等就是機(jī)關(guān)人偶的代表作。以齒輪和發(fā)條為動(dòng)力，端坐在臺(tái)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(nèi)概況我國在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚。1995年清華大學(xué)開發(fā)了一個(gè)七自由度移動(dòng)式護(hù)理機(jī)人，以高位截癱作為護(hù)理對(duì)象，目標(biāo)是在無人看護(hù)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(jì)劃的支持下，我國在家用服務(wù)機(jī)器人研究和產(chǎn)品研發(fā)方面已開展了大量工作，并取得了一定的成績(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的“導(dǎo)游機(jī)器人”、“迎賓機(jī)器人”、“清掃機(jī)器人”令人耳目一新【5】。華南理工大學(xué)機(jī)器人研究室成功研制出了一張機(jī)器人護(hù)理病床。但總的來說，我國目前在服務(wù)機(jī)器人方面的產(chǎn)品仍然很少，技術(shù)不夠成熟，與發(fā)達(dá)國家的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍有較大的差距。2典型機(jī)器人介紹2.1Roomba清潔機(jī)器人2.1.1機(jī)器人簡(jiǎn)介Roomba清潔機(jī)器人英文名稱為“Roomba”，中文為“倫巴”，是由美國iRobot公司生產(chǎn)。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(jìn)行清潔。2.1.2結(jié)構(gòu)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(shí)，需要約七小時(shí)才能完全充滿電（約18伏）。一些較新的Roomba型號(hào)已經(jīng)將充電時(shí)間縮減為三小時(shí)左右，完全充滿電后大約可清掃兩小時(shí)。它的機(jī)動(dòng)系統(tǒng)主要由兩只電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶輪組成，Roomba通過改變各輪的供電進(jìn)行轉(zhuǎn)向。Roomba共有五個(gè)電機(jī)：每只輪子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（共2個(gè)電機(jī)）一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)吸塵器一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)邊刷一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)組件。如圖1圖6避障路徑規(guī)劃流程2.2助老機(jī)器人目前，全世界人口的加速老齡化使醫(yī)療和社會(huì)保險(xiǎn)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(duì)他們進(jìn)行特別的護(hù)理，助老機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。助老機(jī)器人可以服務(wù)于懷孕的婦女、患有重大疾病行動(dòng)不方便的病人、老年人以及殘疾人等.主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：輔助老年人行走；提取物品、按時(shí)喂藥、端茶水；生命質(zhì)量監(jiān)測(cè)；語音交互功能。2.2.1助老機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)助老服務(wù)機(jī)器人主要由2部分組成：帶有觸摸屏的輔助行走單元和機(jī)械臂系統(tǒng).其中輔助行走單元內(nèi)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(jī)驅(qū)動(dòng)器等；最后一層是機(jī)器人底盤，安裝有驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、直流電機(jī)及減速器等，如圖7。圖7助老機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖8助老機(jī)器人2.2.2助老機(jī)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(yùn)動(dòng)的快慢以及轉(zhuǎn)向.助老服務(wù)機(jī)器人安裝于手柄上的壓力傳感器測(cè)量行走者作用于手柄的力的大小和方向，從而使機(jī)器人按照人的意愿前進(jìn)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(cè)量得到的.安裝于車身前端的3組超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)避障，從而保證老年人安全行走.由于助老服務(wù)機(jī)器人要實(shí)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(dòng)【9】；因此安裝于助老服務(wù)機(jī)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(shí)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(nèi)工作的特點(diǎn)【10】.如圖8所示.輕型機(jī)械臂由肩部、大臂、肘關(guān)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(zhuǎn)、大臂回轉(zhuǎn)、肘關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、腕部回轉(zhuǎn)以及手爪張和6個(gè)自由度.為增加工作效率，將各驅(qū)動(dòng)單元直接安裝在關(guān)節(jié)處，采用伺服電機(jī)控制，并在各個(gè)關(guān)節(jié)處裝有光電限位開關(guān)，末端執(zhí)行器裝有攝像頭。2.2.3助老機(jī)器人工作模式根據(jù)助老服務(wù)機(jī)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(shí)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(wù)機(jī)器人處于不確定的環(huán)境中，適應(yīng)不同情況的變化而進(jìn)行控制.當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，如果不滿足系統(tǒng)的觸發(fā)條件，則認(rèn)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(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài).如圖10圖10助老機(jī)器人工作模式圖2.3烹飪機(jī)器人中國菜肴烹飪機(jī)器人能夠根據(jù)指令自主地完成烹飪。機(jī)器人由人機(jī)界面、投料機(jī)構(gòu)、鍋具動(dòng)作機(jī)構(gòu)、火候視覺模塊和蓋鍋機(jī)構(gòu)組成。如圖11鍋具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意。如圖12所示，根據(jù)鍋具運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將實(shí)現(xiàn)烹飪機(jī)器人自由度要求的鍋具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可完成實(shí)際的鍋具運(yùn)動(dòng)部件，以及晃鍋、傾倒和翻鍋(分小翻和大翻)等特殊動(dòng)作。電機(jī)1帶動(dòng)曲柄使滑桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)與擺動(dòng)，鍋具與滑桿連成一體，在滑桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)與擺動(dòng)的過程中，鍋具中心做近似橢圓的變速運(yùn)動(dòng)。電機(jī)2通過錐齒輪使滑桿(包括鍋具)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使鍋具實(shí)現(xiàn)翻動(dòng)和傾倒動(dòng)作。上述裝置安裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，由其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體平移。該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)合成使鍋具機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻動(dòng)、水平移動(dòng)和晃動(dòng)。圖11機(jī)構(gòu)圖圖12烹飪機(jī)器人鍋具動(dòng)作機(jī)構(gòu)原理圖2.4幕墻清洗機(jī)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(jìn)行維護(hù)清洗，長(zhǎng)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(jìn)行高層建筑物的清洗不僅費(fèi)用高、效率低而且十分危險(xiǎn)。高層建筑幕墻清洗機(jī)器人將使工人從危險(xiǎn)的高空清洗作業(yè)中解脫出來。機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)及原理1、吸附固定裝置

采用氣動(dòng)吸盤、真空吸附玻璃幕墻，吸力強(qiáng)，調(diào)整范圍大，負(fù)重及牽引力等特點(diǎn)。由真空泵到配氣盤配氣接口之間的氣動(dòng)系統(tǒng)，包括真空過濾器、真空供給閥、真空破壞閥、真空開關(guān)等。當(dāng)需要產(chǎn)生真空時(shí)，真空泵通電；當(dāng)需要破壞真空放開壁面時(shí)，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(gè)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(gè)配氣接口相連接，為了給兩個(gè)配氣接口完成配氣需要兩套這樣的設(shè)備。但是，在實(shí)際爬壁機(jī)器人工作時(shí)一個(gè)配器接口的吸盤需要產(chǎn)生真空，而另外一個(gè)則恰好需要破壞真空，因此為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和節(jié)約成本可以在氣動(dòng)回路中串聯(lián)一個(gè)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(duì)兩個(gè)配器接口的配氣。如圖13圖13配氣機(jī)構(gòu)

2、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置

獨(dú)創(chuàng)八爪轉(zhuǎn)換式行走機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)四個(gè)氣缸吸附墻體，四個(gè)氣缸移動(dòng)到目的位置，通過交替吸附現(xiàn)實(shí)換位并做下個(gè)個(gè)運(yùn)動(dòng)。如圖14圖14運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(duì)不同的玻璃型號(hào)設(shè)計(jì)了手臂轉(zhuǎn)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(nèi)任意調(diào)整，全景觀察清掃刷工作狀況，及清潔裝置。

3服務(wù)機(jī)器人開發(fā)目前存在的問題及不足近年來，機(jī)器人，特別是服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)正在快速發(fā)酵。但近期，相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)卻顯示，2015年國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人整體出貨量?jī)H有幾萬臺(tái)，某標(biāo)桿公司月出貨量約1k/月，且多是樣品展示使用，這無疑給當(dāng)前發(fā)展火熱的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)潑了盆冷水。為何服務(wù)機(jī)器人潛在需求很大，產(chǎn)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(diǎn)，看看國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人開發(fā)中的一些問題和不足。1、供應(yīng)鏈不完善，核心器件和技術(shù)缺乏

機(jī)器人核心器件和模塊包括主控、語音模塊、麥克風(fēng)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(shì)識(shí)別、環(huán)境光、溫度等各種傳感器、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、舵機(jī)、移動(dòng)底盤……就主控來說，目前也沒有專門針對(duì)機(jī)器人而設(shè)計(jì)的主控，多是在以往平板主控方案基礎(chǔ)上重新封裝改善穩(wěn)定性后使用；再如舵機(jī)，對(duì)于手腳可動(dòng)機(jī)器人是至關(guān)重要的部件，可以說是機(jī)器人的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，但是國內(nèi)做舵機(jī)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(dá)等也多依賴于進(jìn)口，模塊成本高，提升了整體設(shè)備成本，這樣導(dǎo)致機(jī)器人售價(jià)較高，消費(fèi)者難買單。2、開發(fā)難度大，產(chǎn)品遲遲不能上市

做機(jī)器人的公司要么是原來做消費(fèi)電子的企業(yè)，對(duì)顯示、觸控、傳感器技術(shù)較為了解，但對(duì)舵機(jī)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(duì)機(jī)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(jī)交互等軟件技術(shù)，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(jī)器人行業(yè)很難找到能提供全套功能設(shè)計(jì)的方案商。3、感知和認(rèn)知技術(shù)上的瓶頸使用戶體驗(yàn)差