機(jī)器人工程專業(yè)導(dǎo)論 課件 第6、7章 服務(wù)機(jī)器人研究熱點(diǎn)問題、特種機(jī)器人研究熱點(diǎn)問題

6.1服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展

6.2服務(wù)機(jī)器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)

6.3服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈組成

6.4服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)

6.5服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與展望6.1服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展6.1服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展服務(wù)機(jī)器人起源于機(jī)器替代人工。服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展本質(zhì)上是機(jī)器替代人工的結(jié)果。服務(wù)機(jī)器人替代人工表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是比人工更加經(jīng)濟(jì)；二是實(shí)現(xiàn)人工所不能。可以說機(jī)器替代人工將是歷史的發(fā)展必然，服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展順應(yīng)歷史潮流。服務(wù)機(jī)器人發(fā)展過程如圖6-1所示。服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素主要有以下幾個(gè)方面：(1)勞動(dòng)力成本上升。由于發(fā)達(dá)國(guó)家的勞動(dòng)力價(jià)格日趨上漲，而且人們?cè)絹碓讲辉敢鈴氖伦约翰幌矚g干的工作，類似于清潔、導(dǎo)購(gòu)、保安等工作在發(fā)達(dá)國(guó)家從事的人越來越少。這種簡(jiǎn)單勞動(dòng)力的不足使服務(wù)機(jī)器人有著巨大的市場(chǎng)。(2)經(jīng)濟(jì)水平的提高。隨著經(jīng)濟(jì)水平的上升，人們可支配收入的增加，使得人們有能力購(gòu)買服務(wù)機(jī)器人來解放簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，或者購(gòu)買服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行娛樂、教育，從而提高生活質(zhì)量。(3)技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，人類的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，這得益于計(jì)算機(jī)和微芯片的發(fā)展，智能機(jī)器人更新?lián)Q代的速度越來越快，服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的技術(shù)支撐越來越強(qiáng)。(4)國(guó)家政策的大力支撐。除了需求的提升和技術(shù)的積累，服務(wù)機(jī)器人的快速發(fā)展也脫離不了國(guó)家政策的支撐。作為行業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新支點(diǎn)，服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的政策扶植力度越來越大。進(jìn)入21世紀(jì)，全球服務(wù)機(jī)器人行業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展的黃金時(shí)代。根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)報(bào)告，2013—2021年平均負(fù)荷增速為12%。其中，服務(wù)機(jī)器人占比約131.4億美元。受益于人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和下游應(yīng)用需求的持續(xù)旺盛，服務(wù)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)模式不斷拓展，帶動(dòng)行業(yè)規(guī)模高速增長(zhǎng)，全球服務(wù)機(jī)器人在全球機(jī)器人市場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)占比逐年提高。在服務(wù)機(jī)器人體系中，物流機(jī)器人又是全球?qū)I(yè)服務(wù)機(jī)器人最大的細(xì)分市場(chǎng)，在新零售、電子商務(wù)等發(fā)展助推下，開始廣泛應(yīng)用于寫字樓、醫(yī)院等室內(nèi)場(chǎng)景和社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等室外場(chǎng)景，市場(chǎng)熱度逐步提升。在應(yīng)用需求的拉動(dòng)下，我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，行業(yè)發(fā)展整體接近國(guó)際水平。6.2服務(wù)機(jī)器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)1.服務(wù)機(jī)器人的定義國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)將服務(wù)機(jī)器人定義為一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，區(qū)別于從事工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備。按照此項(xiàng)定義，工業(yè)機(jī)械臂如果應(yīng)用于非制造業(yè)，也可被認(rèn)為是服務(wù)機(jī)器人。2.服務(wù)機(jī)器人的劃分標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)機(jī)器人的分類標(biāo)準(zhǔn)主要有三種：實(shí)體形態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域、外體形態(tài)。1)按照實(shí)體形態(tài)劃分按照實(shí)體形態(tài)的不同，服務(wù)機(jī)器人可分為虛擬服務(wù)機(jī)器人和實(shí)體服務(wù)機(jī)器人。虛擬服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛商業(yè)化，例如銀行、電信系統(tǒng)的自動(dòng)客服應(yīng)答系統(tǒng)，蘋果的Siri、微軟的小冰等都是虛擬服務(wù)機(jī)器人。實(shí)體服務(wù)機(jī)器人就是通常意義下的具備實(shí)物的機(jī)器人，包括導(dǎo)購(gòu)、送餐、陪護(hù)、教育機(jī)器人等，實(shí)體服務(wù)機(jī)器人主要用于基于功能性需求的場(chǎng)景。2)按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2020年重新修訂的機(jī)器人分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T39405—2020將服務(wù)機(jī)器人從應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了劃分，即個(gè)人/家用服務(wù)機(jī)器人(Personal/Household

Service

Robot)和公共服務(wù)機(jī)器人(PublicServiceRobot)，前者是指在居家換環(huán)境或類似環(huán)境下使用的，以滿足使用者生活需求為目的的服務(wù)機(jī)器人，主要用于家務(wù)、娛樂、陪伴、康復(fù)等；后者是指在住宿、餐飲、金融、清潔、物流、教育、文化和娛樂等領(lǐng)域的公共場(chǎng)合為人類提供一般服務(wù)的商用機(jī)器人。幾種典型的服務(wù)機(jī)器人如圖6-2所示。3)按照外體形態(tài)劃分根據(jù)外體形態(tài)的不同以及是否具有類人特征，服務(wù)機(jī)器人可劃分為人形機(jī)器人和非人形機(jī)器人。前者不僅包含頭、軀干、四肢，其行為、決策和感知的方式也類似于人。6.3服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈組成服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游、中游和下游。其行業(yè)體系如圖6-3所示。上游企業(yè)是指生產(chǎn)各種服務(wù)機(jī)器人所需零部件的零部件供應(yīng)商或材料供應(yīng)商。其中，主要零件包括電子器件、微處理器、機(jī)器人用伺服電機(jī)、高精度減速器、傳感器、電池、單片機(jī)、舵機(jī)等，歸屬于標(biāo)準(zhǔn)零部件、電子設(shè)備以及電子元器件等。我國(guó)處于上游的服務(wù)機(jī)器人企業(yè)以致力于圖形識(shí)別、芯片環(huán)節(jié)的企業(yè)居多，例如新松機(jī)器人和科沃斯機(jī)器人。新松機(jī)器人公司深耕工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域多年，主要為服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品提供硬件、移動(dòng)、導(dǎo)航等方面的技術(shù)支撐；科沃斯機(jī)器人公司掌握代碼實(shí)現(xiàn)和芯片燒錄等核心環(huán)節(jié)，在路徑規(guī)劃和全局規(guī)劃技術(shù)方面也處于行業(yè)領(lǐng)先地位，產(chǎn)品中以智能清掃機(jī)器人最為突出。中游制造環(huán)節(jié)包括總裝廠、操作系統(tǒng)提供商、云系統(tǒng)提供商等，例如優(yōu)必選科技、克路德、康力優(yōu)藍(lán)和云跡科技。優(yōu)必選科技的核心技術(shù)為人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)伺服舵機(jī)、步態(tài)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制，產(chǎn)品矩陣豐富；克路德主要專注于場(chǎng)景定制化，包括銀行、商場(chǎng)、幼兒園、商業(yè)展廳、智能家居等；康力優(yōu)藍(lán)產(chǎn)品線較廣，優(yōu)勢(shì)技術(shù)為AI、語音識(shí)別和智能感應(yīng)等；云跡科技主要專注于室內(nèi)的定位導(dǎo)航技術(shù)，在10～100m距離的酒店場(chǎng)景，其酒店定制服務(wù)機(jī)器人行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先。下游則主要是醫(yī)療、家用、農(nóng)用、軍事等行業(yè)和領(lǐng)域的消費(fèi)和流通環(huán)節(jié)，銷售渠道分為線上和線下。線下渠道分為直營(yíng)和分銷兩種形式，具有產(chǎn)品體驗(yàn)和品牌展示等功能，有利于產(chǎn)品的品牌建設(shè)；線上渠道包括線上B2C、電商平臺(tái)入倉和線上分銷商等形式，相比線下渠道價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，是家務(wù)機(jī)器人主要銷售渠道。6.4服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)6.4.1智能機(jī)器人的核心技術(shù)模塊劃分整個(gè)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要建立在三大核心技術(shù)模塊之上：人機(jī)交互及識(shí)別模塊、環(huán)境感知模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊。人機(jī)交互及識(shí)別模塊主要包括語音識(shí)別、語義識(shí)別、語音合成、圖像識(shí)別等，相當(dāng)于人的大腦；環(huán)境感知模塊借助于各種傳感器、陀螺儀、激光雷達(dá)、相機(jī)、攝像頭等，相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚等；運(yùn)動(dòng)控制模塊包括舵機(jī)、電機(jī)、芯片等。依托于三大模塊，整合基礎(chǔ)硬件、系統(tǒng)、算法、控制元件，形成滿足具有一定行走能力和交互能力的服務(wù)機(jī)器人整機(jī)，并在此基礎(chǔ)上形成各種基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)，進(jìn)而催生出行業(yè)可共用的龐大數(shù)據(jù)群體服務(wù)，如群組服務(wù)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)等。服務(wù)機(jī)器人核心模塊與技術(shù)如圖6-4所示。服務(wù)機(jī)器人三大模塊可以繼續(xù)細(xì)分為語音模塊、語義模塊、圖像模塊、感知模塊、運(yùn)控模塊、芯片模塊。重要性排序依次為：語音模塊、語義模塊、芯片模塊、圖像模塊、感知模塊、運(yùn)控模塊。成熟度排序依次為：語音模塊、圖像模塊、運(yùn)控模塊、感知模塊、語義模塊、芯片模塊。在服務(wù)機(jī)器人的各個(gè)細(xì)分模塊中，語音模塊的重要性和成熟度均最高，語義模塊則是目前突破重點(diǎn)，而運(yùn)控模塊的重要性相對(duì)最低。從第一代以鼠標(biāo)和鍵盤的交互方式為特點(diǎn)的PC互聯(lián)網(wǎng)，到第二代以觸屏、GPS等交互方式為特點(diǎn)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，再到今天以多模態(tài)人機(jī)交互方式為特點(diǎn)的第三代互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)底層的邏輯就是人機(jī)交互方式的發(fā)展和演變。隨著語音交互、視覺圖像交互、動(dòng)作交互、腦電波交互等多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，這些第三代人機(jī)交互方式將會(huì)深層次地改變我們?nèi)粘Ｉ畹膽?yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，一場(chǎng)第三代互聯(lián)網(wǎng)的主流終端模式和服務(wù)內(nèi)容入口的競(jìng)爭(zhēng)也在同步進(jìn)行。人機(jī)交互是服務(wù)機(jī)器人場(chǎng)景化不可或缺的環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的交互模式中，使用的大多是單一單向的交互方式。在人機(jī)對(duì)話中，尤其是多輪人機(jī)對(duì)話，涉及語音理解、語義分析、情感分析、動(dòng)作捕捉等多個(gè)維度。為了進(jìn)一步提高服務(wù)機(jī)器人對(duì)所處環(huán)境的動(dòng)態(tài)“解讀”能力，單一模態(tài)感知技術(shù)顯然已不再適應(yīng)機(jī)器人的高速發(fā)展需求，因此多模態(tài)交互技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多模態(tài)融合了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等交互方式，其表達(dá)效率和表達(dá)的信息完整度要優(yōu)于傳統(tǒng)單一的交互模式。6.4.2環(huán)境感知模塊1.感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)主要由能夠感知不同信息的傳感器構(gòu)成，這些傳感器屬于硬件部分，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等傳感器。如在視覺方面，目前多是利用攝像機(jī)作為視覺傳感器，它與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，并采用電視技術(shù)，使機(jī)器人具有視覺功能，可以“看到”外界的景物，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理，就可對(duì)機(jī)器人下達(dá)如何動(dòng)作的命令。感知系統(tǒng)中的傳感器可細(xì)分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。(1)內(nèi)部傳感器。內(nèi)部傳感器是指用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)(如手臂間的角度)的傳感器，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器，具體包括位置傳感器、角度傳感器等。(2)外部傳感器。外部傳感器是指用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境(如檢測(cè)物體及距物體的距離)、狀況(如檢測(cè)抓取的物體是否滑落)的傳感器，具體包括距離傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器等。多傳感融合技術(shù)已成為服務(wù)機(jī)器人感知環(huán)境的主要技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛且相對(duì)成熟度較高的當(dāng)屬激光雷達(dá)+SLAM的自主定位導(dǎo)航技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)導(dǎo)購(gòu)、自動(dòng)送餐、智能倉儲(chǔ)、安全巡邏、病床看護(hù)、除塵清掃等。SLAM(SimultaneousLocalizationAndMapping)的含義是即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，指的是機(jī)器人在自身位置不確定的條件下，在完全未知的環(huán)境中創(chuàng)建地圖，同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。SLAM問題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖。2.自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)成熟的自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)需具備三大特征。(1)實(shí)時(shí)定位。實(shí)時(shí)定位不僅需要更為精準(zhǔn)的距離精度，其對(duì)狀態(tài)的更新頻率要求也更高，而目前常用的GPS只能實(shí)現(xiàn)半米的精度，其實(shí)時(shí)位置更新頻率也無法滿足要求。定位包括相對(duì)定位和絕對(duì)定位。相對(duì)定位主要依靠?jī)?nèi)部本體感受傳感器如里程計(jì)、陀螺儀等，通過給定初始位姿，測(cè)量相對(duì)于機(jī)器人初始位姿的距離和方向來確定當(dāng)前機(jī)器人的位姿，也叫做航跡推算(DeadReckoning，DR)；絕對(duì)定位主要采用主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)識(shí)、地圖匹配、GPS、導(dǎo)航信標(biāo)進(jìn)行定位。位置的計(jì)算方法包括三角測(cè)量法、三邊測(cè)量法和模型匹配算法等。(2)繪制地圖。車載導(dǎo)航的地圖是由專人繪制的，但在家庭、商場(chǎng)、建筑工地等環(huán)境中，結(jié)構(gòu)環(huán)境更替無規(guī)則，很難通過人為操作來繪制實(shí)時(shí)地圖，所以需要機(jī)器人能在沒有人工干預(yù)的情況下對(duì)所處環(huán)境的結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。(3)路徑規(guī)劃。導(dǎo)航儀與機(jī)器人自主導(dǎo)航的核心都是路徑規(guī)劃，不同之處在于導(dǎo)航儀的路徑規(guī)劃是由人來決定的，而機(jī)器人則是用算法決定的，如谷歌的無人駕駛汽車，主要的工作量都在導(dǎo)航算法上。從原理上來講，機(jī)器人繪制的地圖是任何方向都可以走的，但現(xiàn)實(shí)并非如此，所以機(jī)器人需要通過進(jìn)一步的路徑規(guī)劃來避障或控制越障行為。激光雷達(dá)是一種傳感器，在自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，激光雷達(dá)作為SLAM的重要入口，其性能以及對(duì)監(jiān)測(cè)信息的提取與整合也是整個(gè)技術(shù)的難點(diǎn)所在。服務(wù)機(jī)器人如果要實(shí)現(xiàn)精確的服務(wù)，滿足復(fù)雜場(chǎng)景下的用戶需求，除了精準(zhǔn)的定位，還需要結(jié)合定位信息對(duì)環(huán)境進(jìn)行識(shí)別。目前在任何具有精準(zhǔn)高效要求的自主定位場(chǎng)合，應(yīng)用激光雷達(dá)都是主流的技術(shù)方案。表6-3展示了激光雷達(dá)和視覺定位方式的對(duì)比。激光雷達(dá)是“機(jī)器之眼”，能夠獲得周邊環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)在多用于在測(cè)量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測(cè)量自身與人體距離的智能裝備，在測(cè)量與人的距離這一功能上尚無完美替代方案。然而，激光雷達(dá)的缺點(diǎn)也同樣明顯，其在大雨、大雪等惡劣天氣中的使用效果會(huì)受到影響。相對(duì)于激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)雖然精度不高、視場(chǎng)小，但測(cè)量距離遠(yuǎn)，可以達(dá)到200m，剛好彌補(bǔ)了激光雷達(dá)的短板。因此，目前具有移動(dòng)功能的智能設(shè)備都是采用激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器、GPS這五類傳感器或其中某幾個(gè)的組合來實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)功能。這五種傳感器各具特征，各自有所側(cè)重，一般在復(fù)雜系統(tǒng)中組合使用，同時(shí)還需要加載深度圖像識(shí)別與其配合，共同完成對(duì)環(huán)境的感知。激光雷達(dá)“眼”中的世界如圖6-5所示。3.五類傳感器1)激光雷達(dá)激光雷達(dá)通過發(fā)射n條激光，利用三角測(cè)距原理(低成本方案)或TOF(TimeofFlight，飛行時(shí)間)(高成本方案)來測(cè)量周圍物體與自身的距離，獲得精度較高的距離信息——點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)按照激光束的數(shù)量可以分為1線、4線、8線、16線、32線、64線激光雷達(dá)。多個(gè)激光束排列在一個(gè)豎直的平面呈不同角度發(fā)射出去，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)或電子方式形成了對(duì)于空間的三維掃描，n線激光雷達(dá)就相當(dāng)于一次性打出了n個(gè)平面，激光束的數(shù)量決定了三維空間的覆蓋面和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度。2)攝像頭攝像頭獲得觀察畫面，對(duì)每一幀畫面進(jìn)行算法處理，能夠識(shí)別物體、判斷位置。攝像頭必須先識(shí)別再測(cè)距，如果無法識(shí)別則無法測(cè)距。優(yōu)點(diǎn)在于攝像頭是目前唯一能夠辨別物體的傳感器。但是攝像頭同時(shí)具有三個(gè)缺點(diǎn)：(1)在逆光或光影復(fù)雜的地方難以使用；(2)依賴算法，能否辨別物體完全依賴樣本的訓(xùn)練，樣本未覆蓋的物體將無法辨別；(3)攝像頭對(duì)于行人的識(shí)別具有不穩(wěn)定性，如穿著吉祥物套裝或著裝顏色與背景相似的人或搬運(yùn)東西的人極有可能無法識(shí)別。3)毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)可發(fā)射波長(zhǎng)為1~10mm的電磁波，根據(jù)反射波的時(shí)間差及強(qiáng)度等來測(cè)量距離，如汽車毫米波雷達(dá)的頻段主要為24GHz和77GHz。毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于性價(jià)比較高；缺點(diǎn)是行人的反射波容易被其他物體的反射波埋沒，難以分辨，無法識(shí)別行人。因此，毫米波雷達(dá)在測(cè)距領(lǐng)域具有較高性價(jià)比，但是其無法探測(cè)行人是一個(gè)致命弱點(diǎn)，只能應(yīng)用于自適應(yīng)巡航系統(tǒng)等，如ADAS系統(tǒng)。4)超聲波傳感器超聲波傳感器可發(fā)射振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，根據(jù)反射波測(cè)量距離。其優(yōu)點(diǎn)在于探測(cè)物體范圍極廣，能夠探測(cè)絕大部分物體，且具有較高的穩(wěn)定性；缺點(diǎn)是一般只能探測(cè)10m以內(nèi)的距離，無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)。5)GPSGPS可以獲得自身相對(duì)于全局的位置信息。其優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)較為成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)在全局視角的定位功能；缺點(diǎn)在于無法獲得周圍障礙物的位置信息。具備定位功能的GPS與前幾個(gè)探障類傳感器往往需要搭配使用。6.4.3人機(jī)交互及識(shí)別模塊1.自動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)自動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)(AutomaticSpeechRecognition)是一種將人的語音轉(zhuǎn)換為文本的技術(shù)。由于語音信號(hào)的多樣性和復(fù)雜性，語音識(shí)別系統(tǒng)只能在一定的限制條件下獲得令人滿意的性能，或者說只能應(yīng)用于某些特定的場(chǎng)合。自動(dòng)語音識(shí)別的總體過程是：語音輸入，然后前處理得到數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行聲學(xué)特征的提取，進(jìn)行模式匹配，處理后得到結(jié)果。技術(shù)過程是：先對(duì)語音切除，再進(jìn)行聲學(xué)特征提取，然后對(duì)其進(jìn)行分幀，得到多維向量表達(dá)的若干幀，再把幀識(shí)別為狀態(tài)(難點(diǎn))，每三個(gè)狀態(tài)合組合為1個(gè)語素，再把語素組合為單詞。語音語義識(shí)別流程如圖6-11所示。語音識(shí)別發(fā)展歷史可細(xì)分為三階段：規(guī)則階段、統(tǒng)計(jì)階段以及深度學(xué)習(xí)階段。規(guī)則階段主要是指20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)70年代，語音技術(shù)整體受制于硬性規(guī)則主導(dǎo)，發(fā)展緩慢，以IBM公司為例，區(qū)區(qū)幾百個(gè)單詞的正確識(shí)別率不及70%；統(tǒng)計(jì)階段主要指20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)末，語音語義技術(shù)發(fā)展進(jìn)入高速期，統(tǒng)計(jì)與規(guī)則并行，語音識(shí)別、詞性分析、句法分析等問題均得到了較好的解決；21世紀(jì)初，由于計(jì)算能力增強(qiáng)，語音技術(shù)有了重大突破，基于深度學(xué)習(xí)的語音語義識(shí)別技術(shù)得到大力推廣，識(shí)別精度也大幅度提升。語音語義技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程如圖6-12所示。自動(dòng)語音識(shí)別從規(guī)則到統(tǒng)計(jì)再到深度學(xué)習(xí)，目前錯(cuò)誤率已達(dá)到了商用門檻。以國(guó)際上公認(rèn)衡量自動(dòng)語音水平的參數(shù)語音識(shí)別錯(cuò)誤率(WER)為標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上占據(jù)全球市場(chǎng)60%份額的第一大語音公司Nuance為包括蘋果在內(nèi)的財(cái)富100強(qiáng)公司中的三分之二提供語音技術(shù)服務(wù)，其WER在10%左右。Google依靠強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)，在2015年率先將WER降低至8%。國(guó)內(nèi)語音實(shí)力最強(qiáng)的科大訊飛也達(dá)到了15%的使用門檻，針對(duì)會(huì)議演講等場(chǎng)景達(dá)到5%以上的識(shí)別率，特別針對(duì)中文的部分方言也達(dá)到了實(shí)用門檻。2.自然語言處理技術(shù)自然語言處理技術(shù)(NLP)是用于處理人類自然語言中詞法和句法的高效識(shí)別技術(shù)，其大致分為三個(gè)層面：詞法分析、句法分析和語義分析。雖然目前NLP對(duì)詞法與句法處理已經(jīng)取得了不錯(cuò)效果，但對(duì)語義的理解還僅僅停留在表層。自然語言處理技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖6-13所示。1)詞法分析詞法分析包括分詞、詞性標(biāo)注、命名實(shí)體識(shí)別和詞義消歧。分詞和詞性標(biāo)注好理解。命名實(shí)體識(shí)別的任務(wù)是識(shí)別句子中的人名、地名和機(jī)構(gòu)名稱等命名實(shí)體。每一個(gè)命名實(shí)體都是由一個(gè)或多個(gè)詞語構(gòu)成的。詞義消歧是指要根據(jù)句子上下文語境來判斷出詞語的真實(shí)意思。2)句法分析句法分析是將輸入的句子從序列形式變成樹狀結(jié)構(gòu)，從而可以捕捉到句子內(nèi)部詞語之間的搭配或者修飾關(guān)系，這一步是NLP中關(guān)鍵的一步。目前研究界存在兩種主流的句法分析方法體系：短語結(jié)構(gòu)句法體系和依存結(jié)構(gòu)句法體系。其中依存結(jié)構(gòu)句法體系現(xiàn)在已經(jīng)成為研究句法分析的熱點(diǎn)。依存結(jié)構(gòu)句法體系表示形式簡(jiǎn)潔，易于理解和標(biāo)注，可以很容易地表示詞語之間的語義關(guān)系，比如句子成分之間可以構(gòu)成施事、受事、時(shí)間等關(guān)系。這種語義關(guān)系可以很方便地應(yīng)用于語義分析和信息抽取等方面。依存結(jié)構(gòu)句法體系還可以更高效地實(shí)現(xiàn)解碼算法。句法分析得到的句法結(jié)構(gòu)可以幫助上層進(jìn)行語義分析以及一些應(yīng)用。3)語義分析語義分析的最終目的是理解句子表達(dá)的真實(shí)語義，但是用什么形式來表示語義一直沒有能夠很好地解決。語義角色標(biāo)注是比較成熟的淺層語義分析技術(shù)。給定句子中的一個(gè)謂詞，語義角色標(biāo)注的任務(wù)就是從句子中標(biāo)注出這個(gè)謂詞的施事、受事、時(shí)間、地點(diǎn)等參數(shù)。語義角色標(biāo)注一般都在句法分析的基礎(chǔ)上完成，句法結(jié)構(gòu)對(duì)于語義角色標(biāo)注的性能至關(guān)重要。在自然語言處理中，詞義消歧仍然是技術(shù)的瓶頸所在，且中文相比于英文更難。自然語言處理的基本流程如下：(1)切詞，就是把輸入的字符串分解成為詞匯單位，這是自然語言處理的先行環(huán)節(jié)；(2)詞類標(biāo)注；(3)語法理論；(4)詞義消歧。隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，自然語言未來的處理方式仍要依靠深度學(xué)習(xí)技術(shù)。自然語言處理流程及難點(diǎn)如圖6-14所示。3.圖像識(shí)別技術(shù)人類感覺信息中的80%都是視覺信息。圖像識(shí)別是計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的技術(shù)。識(shí)別過程包括圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配。簡(jiǎn)單來說，圖像識(shí)別就是計(jì)算機(jī)如何像人一樣讀懂圖片的內(nèi)容。借助圖像識(shí)別技術(shù)，我們不僅可以通過圖片搜索更快地獲取信息，還可以產(chǎn)生一種新的與外部世界交互的方式，甚至?xí)屚獠渴澜绺又悄艿剡\(yùn)行。圖像識(shí)別過程如圖6-15所示。圖像識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從工業(yè)視覺到人機(jī)交互，從視覺導(dǎo)航到虛擬現(xiàn)實(shí)，從安全領(lǐng)域到醫(yī)學(xué)圖像，從自動(dòng)解釋到遙感分析，這些功能在未來的服務(wù)機(jī)器人上都非常重要。然而，到目前為止，圖像識(shí)別技術(shù)并不完善，仍然面臨許多困難。從目前的技術(shù)演變來看，未來圖像識(shí)別的突破同樣將依靠深度技術(shù)，具體體現(xiàn)在以下三方面：(1)計(jì)算能力?？赏ㄟ^CPU、GPU、分布式架構(gòu)等提高計(jì)算能力。(2)大數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量越多，一般來說越有利于機(jī)器學(xué)習(xí)。(3)算法。目前主流的算法是深度學(xué)習(xí)的CNN算法和RNN算法。圖像識(shí)別發(fā)展新方向如圖6-16所示。6.4.4運(yùn)動(dòng)控制模塊1.服務(wù)機(jī)器人常用作動(dòng)器服務(wù)機(jī)器人本體通常并非是固定不動(dòng)的，動(dòng)態(tài)的存在形式能夠給人們提供更好的便捷體驗(yàn)。從目前來看，應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)形式主要有兩種：液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在液壓驅(qū)動(dòng)陣營(yíng)中，最有代表性的當(dāng)屬美國(guó)波士頓動(dòng)力機(jī)器人公司研發(fā)的Atlas。2016年2月，工程師利用3D打印技術(shù)將液壓元件嵌入到了Atlas身體，通過液壓控制并采用力矩控制的算法，實(shí)現(xiàn)了雪地行走和摔倒爬起等動(dòng)作，技術(shù)復(fù)雜但是非常成功；電機(jī)驅(qū)動(dòng)陣營(yíng)中，最有代表性的為本田公司的Asimo，其自2000年第一次亮相至今，經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的彎腰、握手、跳舞等功能，但是在控制精度和穩(wěn)定性方面仍然有待提高。雖然液壓驅(qū)動(dòng)具有功/重比高、響應(yīng)速度快、逆驅(qū)性好等優(yōu)勢(shì)，但由于液壓驅(qū)動(dòng)體積大、能效低、系統(tǒng)復(fù)雜等原因，盡管在軍事應(yīng)用方面前景較好，但是在家庭應(yīng)用領(lǐng)域，電機(jī)控制將是主流。Atlas與Asimo機(jī)器人如圖6-19所示。從移動(dòng)形式角度來看，可將服務(wù)機(jī)器人細(xì)分為兩種：滾動(dòng)行進(jìn)式和步態(tài)行走式。滾動(dòng)行進(jìn)式即機(jī)器人與地面接觸的為輪子或履帶，且這種接觸是持續(xù)性的；步態(tài)行走式即機(jī)器人與地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的完成主要依靠機(jī)器人肢體部分有規(guī)律地間歇性擺動(dòng)，機(jī)器人與地面的接觸點(diǎn)是離散的，一般不具規(guī)律性。鑒于自身運(yùn)動(dòng)特性限制，滾動(dòng)行進(jìn)式服務(wù)機(jī)器人的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)多采用電機(jī)，被驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)體多采用麥克納姆輪，不僅成本低而且移動(dòng)更為靈活，缺點(diǎn)是無法在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中使用；步態(tài)行走式服務(wù)機(jī)器人一般采用關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，即作動(dòng)器直接與關(guān)節(jié)同軸安裝，或?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)不同關(guān)節(jié)的作動(dòng)器集中安裝在某一關(guān)節(jié)處。相比于滾動(dòng)行進(jìn)式，步態(tài)行走式的驅(qū)動(dòng)形式除了電機(jī)與液壓缸之外，還有一種較為常用的作動(dòng)器——舵機(jī)，因其體積精巧、扭矩合適，故非常適用于服務(wù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。典型帶有舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人包括國(guó)外的Nao機(jī)器人、Asimo機(jī)器人，國(guó)內(nèi)的優(yōu)必選等。舵機(jī)是步態(tài)服務(wù)機(jī)器人的核心部件，也叫伺服電機(jī)，包含了電機(jī)、傳感器和控制器，是一個(gè)簡(jiǎn)單而完整的伺服電機(jī)系統(tǒng)，最早用于船舶以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能。由于舵機(jī)可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，得到比較精準(zhǔn)的位置、速度或力矩輸出，因而廣泛用于機(jī)器人各類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中。但由于步態(tài)機(jī)器人自由度眾多，因此步態(tài)機(jī)器人的舵機(jī)價(jià)格相對(duì)比較敏感。服務(wù)機(jī)器人用舵機(jī)如圖6-21所示。2.服務(wù)機(jī)器人常用運(yùn)動(dòng)控制算法在運(yùn)動(dòng)控制上，服務(wù)機(jī)器人主要涉及定位導(dǎo)航和平衡性兩方面。在定位導(dǎo)航方面，服務(wù)機(jī)器人需要完成定位、建圖和路徑規(guī)劃。在平衡性方面，縱觀市面上的服務(wù)機(jī)器人，九成以上都是輪式或履帶式，足式機(jī)器人相當(dāng)少見。相比于足式，輪式和履帶式底盤的確具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和耐用性，從當(dāng)前市場(chǎng)來看，這兩種底盤是最適宜的選擇。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來講，足式機(jī)器人才是未來趨勢(shì)。輪式和履帶式底盤將服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍局限在了平地和一點(diǎn)點(diǎn)坡度的地面，而在未來，服務(wù)機(jī)器人的服務(wù)范圍必將擴(kuò)大，行走環(huán)境也將變得多樣化，比如樓梯，因而其底盤也必須得到改變。服務(wù)機(jī)器人如需完成一種確定的運(yùn)動(dòng)或工作，一般需經(jīng)歷兩個(gè)過程：規(guī)劃與執(zhí)行。其中在規(guī)劃階段根據(jù)目的與方法的不同又可細(xì)分為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。(1)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃(Motionplanning)。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是指在給定的位置A與位置B之間為機(jī)器人找到一條符合約束條件的路徑，包括行進(jìn)的路徑以及行進(jìn)的方式。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃通常又稱運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，插補(bǔ)就是按給定曲線生成相應(yīng)逼近軌跡的方法，其實(shí)質(zhì)是對(duì)給定曲線進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法有逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法、時(shí)間分割法。(2)路徑規(guī)劃(Pathplanning)。連接起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的序列點(diǎn)或曲線稱為路徑，構(gòu)成路徑的策略稱為路徑規(guī)劃，其目標(biāo)是使路徑與障礙物的距離盡量遠(yuǎn)，同時(shí)使路徑的長(zhǎng)度盡量短。路徑規(guī)劃只有幾何屬性，與時(shí)間無關(guān)，只關(guān)心位置，通常應(yīng)用在任務(wù)層級(jí)的規(guī)劃或者平面移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中。(3)軌跡規(guī)劃(Trajectoryplanning)。軌跡規(guī)劃是指規(guī)劃?rùn)C(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度及加速度，即在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入時(shí)間序列信息，對(duì)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的速度與加速度進(jìn)行規(guī)劃，目的是使軌跡曲線更加平順或使運(yùn)動(dòng)速度可控等。軌跡規(guī)劃具有時(shí)間屬性，每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)有位置、速度、加速度等屬性，兩點(diǎn)之間還要涉及速度、加速度插值，常用算法包括梯形速度曲線等底層的軌跡插值算法。不管是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃還是軌跡規(guī)劃，三者都離不開環(huán)境交互系統(tǒng)的檢測(cè)信息引導(dǎo)。執(zhí)行，即基于機(jī)器人自身各種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器及與環(huán)境交互傳感信息的反饋，有序地通過本體的協(xié)調(diào)控制完成在線或是離線規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。機(jī)器人作為一種復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)，其自身具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量時(shí)變等特性，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)慣量變化較大、耦合強(qiáng)烈，低速時(shí)摩擦、飽和等非線性效應(yīng)明顯，這都給機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)是否考慮機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，控制算法可分為無模型控制算法和基于模型控制算法兩類。在無模型控制算法中，PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是應(yīng)用最廣的也是最經(jīng)典的控制算法之一，被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器人的控制當(dāng)中。但PID控制通常針對(duì)定常系統(tǒng)，控制參數(shù)的保守限制了增益帶寬，導(dǎo)致存在較大的時(shí)滯誤差，難以滿足機(jī)器人系統(tǒng)的非線性時(shí)變需求，因此現(xiàn)在較常用的很多都是基于PID的改進(jìn)控制算法，例如非線性PID、模糊PID、滑膜PID以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等。為了更為貼合機(jī)器人的分線性要求，近年來各種適用于非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制算法被相繼提出，其控制效果也在包括服務(wù)機(jī)器人在內(nèi)的各類機(jī)器人上得到了很好的驗(yàn)證，例如自抗擾控制、魯棒控制和自適應(yīng)控制等。3.補(bǔ)充知識(shí)點(diǎn)1)自抗擾控制自抗擾控制由我國(guó)學(xué)者韓京清提出，并由后續(xù)眾多學(xué)者不斷進(jìn)行完善，其核心思想在于：如果擾動(dòng)可以被精確地估計(jì)及補(bǔ)償，則被控對(duì)象理論上可看成是無干擾模型，便可使用簡(jiǎn)單的控制方法輕松實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。自抗擾控制由跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)和非線性反饋三部分組成。由于自抗擾控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高、抵抗不確定外界擾動(dòng)能量強(qiáng)，因此自抗擾控制是一種使用性很強(qiáng)的控制算法。2)自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制是指通過測(cè)量被控對(duì)象狀態(tài)和軌跡跟蹤誤差等信息，實(shí)時(shí)掌握受控對(duì)象的不確定性，用來更新主控制結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高控制性能。自適應(yīng)控制是一種帶參在線實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)，其本質(zhì)是從閉環(huán)誤差反饋模型中提取系統(tǒng)狀態(tài)信息，通過自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)參數(shù)在線識(shí)別計(jì)算量大，難以保證高速應(yīng)用中的控制實(shí)時(shí)性。此外，受控模型突變或外界擾動(dòng)較大時(shí)，預(yù)估系統(tǒng)參數(shù)無法收斂于真實(shí)值，系統(tǒng)穩(wěn)定性保障困難。自適應(yīng)控制算法結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜，包括了自適應(yīng)迭代控制、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、全狀態(tài)模糊自適應(yīng)反饋控制、切換學(xué)習(xí)PI控制、基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制等。3)基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法近年來，基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法越來越受到重視，并被認(rèn)為是能提高機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性和跟蹤精度最為有效的方法。通常，基于模型控制的方案有兩種：一種是機(jī)器人模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制，另一種是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型前饋控制。模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制算法實(shí)際是在系統(tǒng)內(nèi)控制回路中引入了一個(gè)模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器，目的是根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)實(shí)際特性對(duì)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行補(bǔ)償，使得經(jīng)內(nèi)控制回路作用后的機(jī)器人系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)易控系統(tǒng)。如果機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型足夠精確，通過反饋補(bǔ)償這種方式，能較好地解決非線性時(shí)變問題，同時(shí)提高控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和對(duì)軌跡跟蹤的控制性能。模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制包括連續(xù)有限時(shí)間控制、自適應(yīng)魯棒控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制等。但這種方式也存在諸多難點(diǎn)：(1)多數(shù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，參數(shù)隨位姿時(shí)變，且存在強(qiáng)耦合，導(dǎo)致精確獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)困難。(2)多數(shù)方法需要實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)，存在計(jì)算復(fù)雜等問題，且復(fù)雜計(jì)算難以滿足高帶寬力矩環(huán)控制要求。(3)計(jì)算控制律時(shí)，需要實(shí)時(shí)獲取關(guān)節(jié)的加速度信息，加速度一般由速度差分而來，這便使得加速度信號(hào)帶有大量噪聲，嚴(yán)重影響控制性能。4)基于動(dòng)力學(xué)前饋的控制方法基于動(dòng)力學(xué)前饋的控制方法主要由前饋通道和反饋通道組成。前饋通道主要用于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性的補(bǔ)償，反饋通道用于解決系統(tǒng)不確定性擾動(dòng)的問題。與模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制不同的是，動(dòng)力學(xué)模型前饋控制輸入為關(guān)節(jié)期望運(yùn)動(dòng)指令，在信號(hào)品質(zhì)上遠(yuǎn)高于實(shí)際采用值；另外，雖然動(dòng)力學(xué)模型前饋控制計(jì)算復(fù)雜度高，但可通過預(yù)存儲(chǔ)或設(shè)置背景程序來解決動(dòng)力學(xué)前饋實(shí)時(shí)性問題，有利于控制算法的具體實(shí)施。因此，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)前饋控制技術(shù)成為當(dāng)前工業(yè)上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高品質(zhì)運(yùn)動(dòng)性能的核心技術(shù)之一。6.4.5其他關(guān)鍵技術(shù)模塊1.智能芯片技術(shù)芯片是指內(nèi)含集成電路的硅片，是機(jī)器人的大腦。芯片包括通用芯片和專用芯片，通用芯片不限使用領(lǐng)域，而專用芯片一般專門為服務(wù)機(jī)器人定制。通用芯片向深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展如火如荼。傳統(tǒng)的CPU是計(jì)算機(jī)的核心，在圖形處理和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算上，GPU表現(xiàn)出更強(qiáng)的性能，而2015年Intel收購(gòu)Altera的主要產(chǎn)品FPGA使現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列性能更加優(yōu)異。中端FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)375GFLOPS的性能，功耗僅為10～20W，與CPU和GPU相比，F(xiàn)PGA在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的性能更加出色。DNN系統(tǒng)用于語言識(shí)別、圖像搜索、OCR、面部識(shí)別、網(wǎng)頁搜索以及自然語言處理等。相同功率時(shí)，在32線程下，F(xiàn)PGA的速度/功耗比約為CPU的42倍，約為GPU的25倍。專用芯片以智能算法和仿生兩條主線并行。專用芯片又稱為“人工智能芯片”“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片”等，目前專用芯片有兩種思路：以智能算法為主線和以仿生為主線，兩者的典型代表分別為寒武紀(jì)1號(hào)、IBMTureNorth。寒武紀(jì)1號(hào)的主頻可以達(dá)到0.98GHz，處理速度相當(dāng)于同等面積下CPU的100倍。即便與最先進(jìn)的GPU相比，寒武紀(jì)1號(hào)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理速度也不落下風(fēng)，而其面積和功耗遠(yuǎn)低于GPU的1/100。IBMTrueNorth在復(fù)雜性和使用性方面取得了突破：4096個(gè)內(nèi)核，100萬個(gè)“神經(jīng)元”、2.56億個(gè)“突觸”集成在直徑只有幾厘米的芯片上，能耗不到70mW。通用芯片與專用芯片對(duì)比如表6-4所示。對(duì)于機(jī)器人來說，由于涉及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，故在計(jì)算量上將會(huì)更大。通用芯片中GPU和FPGA在解決這個(gè)問題上優(yōu)于傳統(tǒng)CPU，且擴(kuò)展性和移植性較好，但是軟件復(fù)雜度較高，開發(fā)周期較長(zhǎng)。相比之下，專用芯片能實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的功耗，但是目前整體處于研發(fā)階段，根據(jù)目前的資料，雖然其擴(kuò)展性和軟件移植性不如通用芯片，但是軟件復(fù)雜度和開發(fā)周期優(yōu)于通用芯片。兩種芯片各有千秋，未來預(yù)計(jì)會(huì)呈現(xiàn)二者并存的局面。2.操作系統(tǒng)全球機(jī)器人主流操作系統(tǒng)是安卓和ROS，兩者均基于Linux內(nèi)核。安卓由Google公司開發(fā)，在商用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，占據(jù)智能手機(jī)和平板電腦的絕大部分市場(chǎng)份額。實(shí)現(xiàn)了手機(jī)平臺(tái)的爆發(fā)后，安卓又被廣泛用在不同設(shè)備上。鑒于安卓開源和定制化的特性，在手機(jī)上得到廣泛應(yīng)用后，在電子書、智能電視、智能機(jī)器人、智能眼鏡、智能手表、智能耳機(jī)等領(lǐng)域，安卓不斷地攻城略地，截至2015年底，安卓被用在24093種不同的設(shè)備上，比上年增長(zhǎng)了28%。ROS系統(tǒng)2007年誕生于斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)時(shí)是為了支持一個(gè)名為STAIR的項(xiàng)目，在項(xiàng)目之初，機(jī)器人平臺(tái)集合了所有的AI方法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、視覺、導(dǎo)航、計(jì)劃、推理、語音和語言處理。2008年到2013年，WillowGarage與超過20家研究機(jī)構(gòu)的工程師一起合作開發(fā)ROS系統(tǒng)。2013年2月，ROS的管理工作轉(zhuǎn)移到OpenSourceRoboticsFoundation。2013年8月，WillowGarage公司被它的創(chuàng)立者轉(zhuǎn)為另一家創(chuàng)立者成立的公司SuitableTechnologies的子公司，WillowGarage對(duì)PR2的支持工作隨后交給了ClearpathRobotics。2010年至今，搭載ROS系統(tǒng)的機(jī)器人類型數(shù)從0起步增加至目前的106種，應(yīng)用主要偏向于工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)控制領(lǐng)域，以移動(dòng)機(jī)器人和智能交互機(jī)器人為主，包括著名的Pepper和NAO。目前已經(jīng)有很多機(jī)器人公司采用了ROS系統(tǒng)來開發(fā)一些應(yīng)用于全新市場(chǎng)的產(chǎn)品，如ClearPath、Rethink、Unbounded、Neurala、BlueRiver等，最典型的就是WillowGarage的PR2機(jī)器人。幾種機(jī)器人操作系統(tǒng)對(duì)比如表6-5所示。國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)也在孕育發(fā)展。TuringOS是中國(guó)首批人工智能級(jí)可商用的機(jī)器人操作系統(tǒng)之一，是具備情感和思維能力的機(jī)器人操作系統(tǒng)，商業(yè)應(yīng)用前景廣闊。TuringOS擁有情感、思維、自學(xué)習(xí)三大引擎，情感計(jì)算引擎已支持25種語言類情感識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)95.1%，而在情感表達(dá)方面，TuringOS支持468類情感語言表達(dá)，88套表情動(dòng)作表達(dá)組合，120種聲音語調(diào)，能夠讓機(jī)器人模擬人類80%的情感表達(dá)模式。據(jù)圖靈機(jī)器人后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，在近一年時(shí)間內(nèi)其與超過13萬的合作伙伴和開發(fā)者達(dá)成長(zhǎng)期合作，共享知識(shí)庫達(dá)到15億項(xiàng)，應(yīng)用領(lǐng)域累計(jì)覆蓋用戶超過3億人次，進(jìn)而每天可收集和積累億級(jí)的用戶大數(shù)據(jù)，在中文語言處理方面處于領(lǐng)先地位。3.仿生材料與結(jié)構(gòu)自然界中生物經(jīng)過億萬年長(zhǎng)期進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)與功能已達(dá)到近乎完美的程度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)與功能，局部與整體的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支，從仿生學(xué)角度出發(fā)，吸收借鑒生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，能夠?yàn)闄C(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)提供必要的技術(shù)支撐，其中仿生皮膚、人工肌肉及結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)是當(dāng)前及未來服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的重要課題。當(dāng)然，仿生材料與機(jī)構(gòu)能夠?yàn)槲磥頇C(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能高效率發(fā)展提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備。一個(gè)很重要的問題是，必須具備相應(yīng)的光機(jī)電微納加工工藝及傳感驅(qū)動(dòng)執(zhí)行一體化設(shè)計(jì)能力，這對(duì)于仿生結(jié)構(gòu)材料的未來應(yīng)用至關(guān)重要。4.模塊化自重構(gòu)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人通過對(duì)多個(gè)單一的模塊化智能單元進(jìn)行可變構(gòu)形設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制，以達(dá)到提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力、負(fù)載能力及對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的效果。自重構(gòu)機(jī)器人的核心問題主要體現(xiàn)在模塊的幾何拓?fù)浞植技跋鄳?yīng)的整體剛度。從自重構(gòu)機(jī)器人發(fā)展的初衷來看，未來自重構(gòu)機(jī)器人面臨著大規(guī)模機(jī)載并行計(jì)算及結(jié)構(gòu)化或是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間完全自主能力實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。5.納米系統(tǒng)服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用是希望其能夠在狹小空間里開展探測(cè)或是執(zhí)行任務(wù)。目前，微納型醫(yī)療機(jī)器人及軍用偵察機(jī)器人正成為服務(wù)機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而其核心技術(shù)在于創(chuàng)新并集成多功能低功耗傳感及驅(qū)動(dòng)模塊。6.5服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與展望在世界范圍內(nèi)，機(jī)器人技術(shù)屬于戰(zhàn)略高技術(shù)，除了國(guó)防軍事、智能制造裝備、資源開發(fā)以外，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)對(duì)于發(fā)展未來服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也十分重視。中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)型機(jī)器人需求強(qiáng)勁，有望形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，但服務(wù)性機(jī)器人產(chǎn)品形態(tài)與產(chǎn)業(yè)規(guī)模還不清晰，需要結(jié)合行業(yè)地方經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)需求試點(diǎn)培育。盡管如此，服務(wù)機(jī)器人在服務(wù)于國(guó)家安全、重大民生科技等工程化產(chǎn)品應(yīng)用，及與此相適應(yīng)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)和前沿科技創(chuàng)新研究發(fā)展上有著迫切需要。服務(wù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)為智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，具體為：由簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化裝備，向以生機(jī)電一體化和多傳感器智能化等方面發(fā)展；由單一作業(yè)，向服務(wù)機(jī)器人與信息網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的虛擬交互、遠(yuǎn)程操作和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等方面發(fā)展；由研制單一復(fù)雜系統(tǒng)，向?qū)⑵浜诵募夹g(shù)、核心模塊嵌入高端制造等相關(guān)裝備方面發(fā)展。另外，服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)化要求家庭化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化成為未來服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。服務(wù)機(jī)器人技術(shù)越來越向智能機(jī)器技術(shù)與系統(tǒng)方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在向助老助殘、家用服務(wù)、特種服務(wù)等方面擴(kuò)展，在學(xué)科發(fā)展上與生機(jī)電理論與技術(shù)、納米制造、生物制造等學(xué)科進(jìn)行交叉創(chuàng)新，研究的科學(xué)問題包含新材料、新感知、新控制和新認(rèn)知等方面。而涉及服務(wù)機(jī)器人的需求與創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)、服務(wù)及安全之間的辯證關(guān)系依然是其發(fā)展的核心原動(dòng)力與約束力。(1)需求與創(chuàng)新。目前仍缺乏機(jī)器人先進(jìn)適用的核心技術(shù)與部件突破，包括仿生材料與驅(qū)動(dòng)構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，智能感知、生機(jī)電信息識(shí)別與人機(jī)交互技術(shù)，不確定服役環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)建模與控制技術(shù)，多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)、智能空間定位技術(shù)等方面，同時(shí)沒有形成和開放相對(duì)統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件分裂。(2)需求與產(chǎn)業(yè)。學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界缺乏對(duì)服務(wù)機(jī)器人明確的產(chǎn)品功能定義；消費(fèi)者對(duì)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品價(jià)格(性價(jià)比)敏感；企業(yè)看不見有一定批量的不可替代實(shí)用化功能的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)；缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品面市前尚需國(guó)家有關(guān)方面及時(shí)理順市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范以及服務(wù)機(jī)器人評(píng)價(jià)體系。(3)需求與服務(wù)。圍繞客戶需求，以深化和拓展應(yīng)用、優(yōu)化服務(wù)、延伸產(chǎn)業(yè)鏈為目標(biāo)，鼓勵(lì)應(yīng)用技術(shù)和服務(wù)技術(shù)的研發(fā)；創(chuàng)新服務(wù)模式，通過政策杠桿促進(jìn)新的商業(yè)模式的形成，培育服務(wù)消費(fèi)市場(chǎng)，推進(jìn)機(jī)器人服務(wù)業(yè)的發(fā)展；發(fā)展機(jī)器人租賃業(yè)，采用租賃方式有利于減少用戶購(gòu)買產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，通過出租可增加與顧客接觸的機(jī)會(huì)，掌握顧客的需求，增加銷售機(jī)會(huì)；發(fā)展機(jī)器人保險(xiǎn)，設(shè)置相應(yīng)的保險(xiǎn)機(jī)制，避免由于服務(wù)機(jī)器人安全問題，對(duì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成影響，包括服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)、軟件、外圍設(shè)備等；創(chuàng)新服務(wù)機(jī)器人服務(wù)業(yè)的發(fā)展模式，促進(jìn)服務(wù)機(jī)器人的終端消費(fèi)，大力推廣服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，使廣大消費(fèi)者更多地了解并使用服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品；穩(wěn)步推進(jìn)私人購(gòu)買服務(wù)機(jī)器人的補(bǔ)貼試點(diǎn)，在促進(jìn)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的消費(fèi)上給予更大支持；大力支持服務(wù)機(jī)器人的服務(wù)市場(chǎng)拓展和商業(yè)模式創(chuàng)新，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的收入模式，注重從客戶角度出發(fā)，提供獨(dú)特的、個(gè)性化的、全面的產(chǎn)品或服務(wù)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)；努力建設(shè)服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用示范基地，以機(jī)器人的一體化生產(chǎn)、綜合利用下游產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品商業(yè)化，特別是以各種政策作為主要示范內(nèi)容；由政府搭建某些公益性服務(wù)機(jī)器人的示范平臺(tái)，并且具備良好的配套措施。(4)需求與安全?；诎踩w系標(biāo)準(zhǔn)，制定服務(wù)機(jī)器人的安全體系法律法規(guī)，包括使用者的安全、服務(wù)機(jī)器人本身的安全以及服務(wù)機(jī)器人對(duì)于人類社會(huì)的安全要求等；通過廣泛的討論適時(shí)推出服務(wù)機(jī)器人安全與道德準(zhǔn)則，以立法的形式規(guī)范人類對(duì)服務(wù)機(jī)器人的制造和使用，確定人類與服務(wù)機(jī)器人之間的關(guān)系，防止人類與服務(wù)機(jī)器人之間的“虐待”或傷害，明確規(guī)定人類與服務(wù)機(jī)器人的權(quán)利、義務(wù)與責(zé)任。定義服務(wù)機(jī)器人的行為規(guī)范，包括如下內(nèi)容：IsaacAsimov機(jī)器人三大定律，防止濫用與虐待服務(wù)機(jī)器人，在使用服務(wù)機(jī)器人過程中有可能涉及的其他道德、倫理與情感依賴等社會(huì)問題。7.1特種機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

7.2特種機(jī)器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)

7.3特種機(jī)器人應(yīng)用7.1特種機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀7.1.1全球特種機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用與服務(wù)機(jī)器人的熱潮迭起，特種機(jī)器人一直都顯得頗為“低調(diào)”。然而出人意料的是，2017年，全球特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到了56億美元，如圖7-1所示。近年來，全球特種機(jī)器人整機(jī)性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場(chǎng)，引起各國(guó)政府高度關(guān)注。其中，美國(guó)、日本和歐盟在特種機(jī)器人創(chuàng)新和市場(chǎng)推廣方面全球領(lǐng)先。美國(guó)提出“機(jī)器人發(fā)展路線圖”，計(jì)劃將特種機(jī)器人列為未來十幾年的重點(diǎn)發(fā)展方向。日本2015年提出“機(jī)器人革命”戰(zhàn)略，涵蓋特種機(jī)器人、新世紀(jì)工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人三個(gè)主要方向，計(jì)劃5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模翻番，擴(kuò)大至12萬億日元，其中特種機(jī)器人將是增速最快的領(lǐng)域。歐盟在2014年啟動(dòng)全球最大民用機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目，將啟動(dòng)“火花”計(jì)劃，在未來幾年內(nèi)投入28億歐元，開發(fā)包括特種機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)品并迅速推向市場(chǎng)。2012—2020年全球特種機(jī)器人銷售額及增長(zhǎng)率如圖7-2所示。目前，特種機(jī)器人的發(fā)展有以下特點(diǎn)：(1)技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)智能水平大幅提升。(2)替代人類在更多特殊環(huán)境中從事危險(xiǎn)勞動(dòng)。(3)救災(zāi)、仿生、載人等領(lǐng)域獲得高度關(guān)注。(4)無人機(jī)廣受各路資本追捧。7.1.2我國(guó)特種機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀近年來，全球特種機(jī)器人整機(jī)性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場(chǎng)。在政策引導(dǎo)帶動(dòng)下，我國(guó)特種機(jī)器人技術(shù)水平不斷進(jìn)步，各種類型的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，市場(chǎng)蓄勢(shì)待發(fā)。在應(yīng)對(duì)地震、洪澇災(zāi)害和極端天氣，以及礦難、火災(zāi)、安防等公共安全事件中，對(duì)特種機(jī)器人有著突出的需求。2016年，我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6.3億美元，增速達(dá)到16.7%，略高于全球特種機(jī)器人增速。其中，軍事應(yīng)用機(jī)器人、極限作業(yè)機(jī)器人和應(yīng)急救援機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模分別為4.8億美元、1.1億美元和0.4億美元，其中極限作業(yè)機(jī)器人是增速最快的領(lǐng)域。隨著我國(guó)企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)意識(shí)的進(jìn)一步提升，將逐步使用特種機(jī)器人替代人在高危場(chǎng)所和復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。至2023年，特種機(jī)器人的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求有望突破180億人民幣。此外，特種機(jī)器人以3D打印、智能機(jī)器人為代表的國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在全國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。同時(shí)，各地特種機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地相繼開工，特別是上海、哈爾濱、重慶等地發(fā)展迅猛，2017年，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和2012—2020年我國(guó)特種機(jī)器人銷售額及增長(zhǎng)率如圖7-4和圖7-5所示。我國(guó)特種機(jī)器人發(fā)展取得的顯著成就如下：(1)國(guó)家扶持帶動(dòng)特種機(jī)器人技術(shù)水平不斷進(jìn)步。我國(guó)政府高度重視特種機(jī)器人技術(shù)研究與開發(fā)，并通過“863”計(jì)劃、特殊服役環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)主題項(xiàng)目及深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備等重點(diǎn)專項(xiàng)予以支持。目前，在反恐排爆及深海探索領(lǐng)域部分，相關(guān)關(guān)鍵核心技術(shù)已取得突破，例如室內(nèi)定位技術(shù)、高精度定位導(dǎo)航與避障技術(shù)，汽車底盤危險(xiǎn)物品快速識(shí)別技術(shù)已初步應(yīng)用于反恐排爆機(jī)器人。與此同時(shí)，我國(guó)先后攻克了鈦合金載人艙球殼制造、大深度浮力材料制備、深海推進(jìn)器等多項(xiàng)核心技術(shù)，使我國(guó)在深海核心裝備國(guó)產(chǎn)化方面取得了顯著進(jìn)步。(2)特種無人機(jī)、水下機(jī)器人等研制水平全球領(lǐng)先。目前，在特種機(jī)器人領(lǐng)域，我國(guó)已初步形成了特種無人機(jī)、水下機(jī)器人、搜救/排爆機(jī)器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢(shì)。7.1.3特種機(jī)器人核心技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研制、制造水平等方面均實(shí)現(xiàn)了突破與跨越，但與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距仍然存在。我們需要不懈努力、奮起直追，使中國(guó)機(jī)器人在世界機(jī)器人的舞臺(tái)上綻放中國(guó)制造的魅力。隨著國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，滲透率越來越高，我國(guó)在一些關(guān)鍵技術(shù)突破與多元化應(yīng)用方面取得積極進(jìn)展。目前，我國(guó)已將突破機(jī)器人關(guān)鍵核心技術(shù)作為科技發(fā)展重要戰(zhàn)略。在特種機(jī)器人方面，政策引導(dǎo)帶動(dòng)特種機(jī)器人技術(shù)水平不斷進(jìn)步，我國(guó)已初步形成了特種無人機(jī)、水下機(jī)器人、搜救／排爆機(jī)器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢(shì)。7.2特種機(jī)器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)7.2.1特種機(jī)器人的定義根據(jù)GB/T36239—2018規(guī)定，特種機(jī)器人(SpecialRobot；ProfessionalServiceRobot)是應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，一般由經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員操作或使用的，輔助和/或代替人執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人。注：特種機(jī)器人指除工業(yè)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人服務(wù)機(jī)器人以外的機(jī)器人，一般專指專業(yè)服務(wù)機(jī)器人。7.2.2特種機(jī)器人的劃分標(biāo)準(zhǔn)特種機(jī)器人主要根據(jù)其所應(yīng)用的主要行業(yè)、使用空間、運(yùn)動(dòng)方式、功能進(jìn)行分類。1.按行業(yè)分類根據(jù)特種機(jī)器人所應(yīng)用的主要行業(yè)，可將特種機(jī)器人分為：農(nóng)業(yè)機(jī)器人、電力機(jī)器人、建筑機(jī)器人、物流機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、安防與救援機(jī)器人、軍用機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人、礦業(yè)機(jī)器人、石油化工機(jī)器人、市政工程機(jī)器人和其他行業(yè)機(jī)器人。1)農(nóng)業(yè)機(jī)器人農(nóng)業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人的總稱。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在發(fā)揮越來越大的作用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，提高了農(nóng)民的勞動(dòng)力，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。2)電力機(jī)器人電力機(jī)器人主要包括發(fā)電領(lǐng)域機(jī)器人、輸電領(lǐng)域機(jī)器人、變電領(lǐng)域機(jī)器人、配電領(lǐng)域機(jī)器人、用電領(lǐng)域機(jī)器人等。圖7-8是一款電力巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人是以智慧變電站設(shè)計(jì)要求，完成相關(guān)設(shè)備全面巡檢的智能化監(jiān)測(cè)裝置。電力巡檢機(jī)器人具備自主導(dǎo)航、定位、充電、巡檢等功能，應(yīng)用紅外熱成像和高清視頻雙視結(jié)合技術(shù)，能夠精準(zhǔn)識(shí)別各類儀表讀數(shù)及設(shè)備的電流、電壓致熱現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，提高巡視效率，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在多種復(fù)雜環(huán)境中的智能巡檢。3)建筑機(jī)器人建筑機(jī)器人是應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的機(jī)器人的總稱，包括房屋建筑機(jī)器人、土木工程建筑機(jī)器人、建筑安裝機(jī)器人、建筑裝飾機(jī)器人等。隨著全球建筑行業(yè)的快速發(fā)展和勞動(dòng)力成本的上升，建筑機(jī)器人迎來了發(fā)展機(jī)遇。圖7-9所示是一款地坪研磨機(jī)器人，主要用于去除混凝土表面浮漿，可有效解決現(xiàn)有的作業(yè)模式研磨揚(yáng)塵大、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、質(zhì)量和效率低下、研磨作業(yè)完成后還需要人工清掃灰塵等痛點(diǎn)問題，整體工效約為人工作業(yè)的2倍。4)物流機(jī)器人物流機(jī)器人主要包括倉儲(chǔ)機(jī)器人、分揀機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人、派送機(jī)器人等。目前，隨著工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)國(guó)內(nèi)制造及物流場(chǎng)景的快速應(yīng)變能力的要求不斷提高，AMR作為高度自動(dòng)化的柔性設(shè)備，將會(huì)是未來產(chǎn)業(yè)升級(jí)自動(dòng)化的大方向。AMR機(jī)器人將會(huì)是企業(yè)打造智慧工廠、智慧物流必不可少的一部分。凱樂士在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域深耕多年，先后推出多款適應(yīng)多場(chǎng)景的移動(dòng)機(jī)器人?；谀K化設(shè)計(jì)和高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，凱樂士的AMR機(jī)器人穩(wěn)定性更強(qiáng)，更能適應(yīng)多變的環(huán)境。凱樂士掌握核心控制技術(shù)，自主研發(fā)了視覺SLAM及激光導(dǎo)航等技術(shù)，定位及導(dǎo)航精度行業(yè)領(lǐng)先。配合避障等算法技術(shù)，凱樂士的AMR設(shè)備具備環(huán)境感知能力，在智能化上領(lǐng)先于同行，在落地應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。AMR搬運(yùn)機(jī)器人如圖7-10所示。5)醫(yī)用機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機(jī)器人，是一種智能型服務(wù)機(jī)器人，它能獨(dú)自編制操作計(jì)劃，依據(jù)實(shí)際情況確定動(dòng)作程序，然后把動(dòng)作變?yōu)椴僮鳈C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。醫(yī)用機(jī)器人種類很多，按照不同用途，有臨床醫(yī)療用機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、醫(yī)用教學(xué)機(jī)器人和為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人等。圖7-11所示為一款可穿戴外骨骼機(jī)器人，它不僅能預(yù)防老年人意外摔倒，還可以幫助殘疾人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。6)安防與救援機(jī)器人安防與救援機(jī)器人主要包括安保機(jī)器人、警用機(jī)器人、消防機(jī)器人、救援機(jī)器人等。圖7-12所示為一款RXR-M80DTG61通用型履帶式消防滅火機(jī)器人，主要由控制箱(遙控器)、機(jī)器人底盤、車載大流量多功能水炮、車載氣體檢測(cè)、車載視頻采集設(shè)備、環(huán)境偵測(cè)設(shè)備、聲光報(bào)警警示及自保設(shè)備等組成。該消防機(jī)器人適用于部分火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火勢(shì)控制、洗消、降溫、環(huán)境信息采集等，同時(shí)具有防爆、越障能力強(qiáng)、拖拽能力強(qiáng)的特點(diǎn)。7)軍用機(jī)器人軍用機(jī)器人(MilitaryRobot)是一種用于軍事領(lǐng)域(偵察、監(jiān)視、排爆、攻擊、救援、清理等)的具有某種仿人功能的自動(dòng)機(jī)器人。近年來，各國(guó)都已經(jīng)研制出第二代軍用智能機(jī)器人，其特點(diǎn)是采用自主控制技術(shù)，能夠完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，具有看、嗅和觸摸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)地形跟蹤和道路選擇，并具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能。MAARS(模塊化的先進(jìn)武裝機(jī)器人系統(tǒng))在它的小型框架中配備了強(qiáng)大的火力。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它的控制器裝備各種武器，例如非致命的激光(用來迷惑敵人)、催淚瓦斯，甚至是榴彈發(fā)射器，如圖7-13所示。8)核工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人主要包括核軍工作業(yè)機(jī)器人、核動(dòng)力廠運(yùn)維機(jī)器人、核技術(shù)應(yīng)用作業(yè)機(jī)器人、核設(shè)施應(yīng)急作業(yè)機(jī)器人、核設(shè)施退役機(jī)器人。近年來，我國(guó)核工業(yè)機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用取得了不凡的成果。中核集團(tuán)承擔(dān)了國(guó)家“863”等重大科研項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了各種核電關(guān)鍵設(shè)備檢修機(jī)器人的工程應(yīng)用，正在開展研制全新一代的高可靠性、高耐輻射性，且具備一定人工智能的檢修機(jī)器人；開展了核燃料、核應(yīng)急機(jī)器人以及強(qiáng)輻射環(huán)境下應(yīng)急處置機(jī)器人的系列研究工作，如“靈蜥”機(jī)器人、爬行檢測(cè)機(jī)器人、應(yīng)急處置機(jī)器人等等，并已應(yīng)用到工程實(shí)踐。9)礦業(yè)機(jī)器人礦業(yè)機(jī)器人主要包括礦產(chǎn)勘探機(jī)器人、礦業(yè)開采機(jī)器人、礦物運(yùn)輸機(jī)器人、礦物分選機(jī)器人、礦山救災(zāi)機(jī)器人等。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)是國(guó)內(nèi)率先開展煤礦救援機(jī)器人研發(fā)的單位，經(jīng)過十多年的努力，研發(fā)了多種類型的CUMT系列煤礦救援機(jī)器人。其中CUMT-V(A)型煤礦救援機(jī)器人于2016年在山西大同塔山煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)示范應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果，為煤礦救援機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。圖7-15所示為在CUMTV(A)型煤礦救援機(jī)器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的CUMT-V(B)型機(jī)器人。10)石油化工機(jī)器人石油化工機(jī)器人主要包括石化勘探機(jī)器人、石化開采機(jī)器人、石化輸送機(jī)器人、石化加工機(jī)器人、石化儲(chǔ)存和罐裝機(jī)器人等，其他的機(jī)器人機(jī)制還有監(jiān)測(cè)石油平臺(tái)的機(jī)器人狗，以及檢查管道泄漏的陸上無人機(jī)。無人機(jī)可代替工作人員進(jìn)入高溫、易燃、高空等危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)，保障人員安全；結(jié)合多角度可見光、熱成像和氣體探測(cè)儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)診斷，信息全面精準(zhǔn)；免停工巡檢大大提高生產(chǎn)效率；無人機(jī)管線巡檢與場(chǎng)地勘測(cè)已實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比效率大幅提升，硬件可靠，數(shù)據(jù)安全。11)市政工程機(jī)器人市政工程機(jī)器人主要包括設(shè)備安裝機(jī)器人、施工檢測(cè)機(jī)器人、設(shè)施設(shè)備維保機(jī)器人、管道機(jī)器人等。市政工程中常采用管道機(jī)器人，管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。12)其他行業(yè)機(jī)器人該類機(jī)器人指應(yīng)用于上述行業(yè)領(lǐng)域以外的特種機(jī)器人。2.按使用空間分類根據(jù)特種機(jī)器人使用的空間，可將特種機(jī)器人分為：地面機(jī)器人、地下機(jī)器人、水面機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人、空間機(jī)器人和其他機(jī)器人。1)地面機(jī)器人地面機(jī)器人主要指在地面上使用的特種機(jī)器人，主要包括地面作業(yè)機(jī)器人、山地作業(yè)機(jī)器人、極地作業(yè)機(jī)器人、纜索作業(yè)機(jī)器人、爬壁作業(yè)機(jī)器人、灘涂作業(yè)機(jī)器人、無人巡檢車、防爆機(jī)器人等。圖7-18所示為國(guó)辰機(jī)器人設(shè)計(jì)的室外巡檢機(jī)器人。用于地面活動(dòng)的特種機(jī)器人有無人巡檢車、防爆機(jī)器人等。2)地下機(jī)器人地下機(jī)器人主要包括井道作業(yè)機(jī)器人、管道作業(yè)機(jī)器人、巷道作業(yè)機(jī)器人等。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。石油天然氣管道需要定期進(jìn)行內(nèi)部的清理、保養(yǎng)，否則一旦發(fā)生泄漏，后果不堪設(shè)想。但油氣管道長(zhǎng)達(dá)幾千公里，清理、保養(yǎng)非常困難。管道作業(yè)機(jī)器人游走于油氣管道內(nèi)部，通過磁感應(yīng)傳感器收集數(shù)據(jù)，通過對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷管道是否需要維護(hù)、更換，并可以對(duì)管道進(jìn)行清理、保養(yǎng)。3)水面機(jī)器人水面機(jī)器人主要包括水面無人艇、海洋救助機(jī)器人等。水面無人艇是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，一旦配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事任務(wù)，比如偵察、搜索、探測(cè)和排雷，搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察，反潛作戰(zhàn)、反特種作戰(zhàn)以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等。在水面無人艇研發(fā)和使用領(lǐng)域，美國(guó)和以色列一直處于領(lǐng)先地位。各國(guó)都競(jìng)相研制無人艇，國(guó)內(nèi)比較知名的單位包括海蘭信、哈爾濱工程大學(xué)、中船重工701所、中船重工707所、中科院沈陽自動(dòng)化所、北京方位智能系統(tǒng)技術(shù)有限公司等，無人艇家族正在日益壯大。圖7-20所示為法國(guó)ECAUSVinspector無人艇，可以完成多種不同的任務(wù)：水文及海洋數(shù)據(jù)獲取、港口安全、水下目標(biāo)或障礙物檢測(cè)及分類、潛水水下作業(yè)平臺(tái)等。ECAUSVinspector無人艇長(zhǎng)7~8.5米，速度可達(dá)35節(jié)，遙控距離達(dá)10海里。4)水下機(jī)器人水下機(jī)器人也稱無人遙控潛水器，是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人。水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，所以水下機(jī)器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。水下機(jī)器人主要包括潛水機(jī)器人、水下滑翔機(jī)器人、水底作業(yè)機(jī)器人等。作為我國(guó)“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司702研究所研制成功的7000米潛水器如圖7-21所示，該潛水器由特殊的鈦合金材料制成，在7000米的深海能承受710噸的重壓，運(yùn)用了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載體性能和作業(yè)要求的一體化；與世界現(xiàn)有的載人深潛器相比，具有7000米的最大工作深度和懸停定位能力，可達(dá)世界99.8%的洋底。5)空中機(jī)器人空中機(jī)器人主要包括飛行機(jī)器人、浮空作業(yè)機(jī)器人等?？罩袡C(jī)器人是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及航空理論、計(jì)算機(jī)、控制、電子、機(jī)械、材料和系統(tǒng)工程等多個(gè)學(xué)科。在具體問題中，又涉及飛行器的設(shè)計(jì)與制作、控制系統(tǒng)和算法的設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用與融合、導(dǎo)航制導(dǎo)、數(shù)據(jù)通信、圖像識(shí)別和信號(hào)處理等多方面的知識(shí)。圖7-22所示為美國(guó)全球鷹無人機(jī)，它是一種高空高速長(zhǎng)航時(shí)無人偵察機(jī)，主要用于低、中強(qiáng)度沖突中實(shí)施大范圍的連續(xù)偵察與監(jiān)視，機(jī)身上方有一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，最大飛行速度為740km/h，巡航速度為365km/h，航程可達(dá)26000km，續(xù)航時(shí)間為42h，可以從美國(guó)本土起飛到達(dá)全球任何地點(diǎn)進(jìn)行偵察，或者在距基地5500km的目標(biāo)上空連續(xù)偵察監(jiān)視24h，然后返回基地。6)空間機(jī)器人空間機(jī)器人(SpaceRobots)是用于代替人類在太空中進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)、出艙操作、空間探測(cè)等活動(dòng)的特種機(jī)器人?？臻g機(jī)器人主要包括空間艙內(nèi)機(jī)器人、空間艙外機(jī)器人、星球探測(cè)機(jī)器人及空間飛行機(jī)器人等?？臻g機(jī)器人代替宇航員出艙活動(dòng)可以大幅度降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。空間機(jī)器人是在空間環(huán)境中活動(dòng)的，空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大，空間機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射、照明差的環(huán)境中，因此，空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的要求也必然不相同，有它自身的特點(diǎn)。首先，空間機(jī)器人的體積比較小，重量比較輕，抗干擾能力比較強(qiáng)。其次，空間機(jī)器人的智能程度比較高，功能比較全?？臻g機(jī)器人消耗的能量要盡可能小，工作壽命要盡可能長(zhǎng)，而且由于工作在太空這一特殊的環(huán)境之下，因此對(duì)它的可靠性要求也比較高。此外，空間機(jī)器人是在一個(gè)不斷變化的三維環(huán)境中運(yùn)動(dòng)并自主導(dǎo)航。空間機(jī)器人主要從事空間站的建造、航天器的維護(hù)和修理、空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)、星球探測(cè)等工作。圖7-23所示為美國(guó)的“好奇”號(hào)火星車。7)其他機(jī)器人該類機(jī)器人指在兩種(含)以上作業(yè)空間使用的機(jī)器人，如兩棲、三棲機(jī)器人等。3.按運(yùn)動(dòng)方式分類特種機(jī)器人可按機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足腿式機(jī)器人、蠕動(dòng)式機(jī)器人、飛行式機(jī)器人、潛游式機(jī)器人、固定式機(jī)器人、噴射式機(jī)器人、穿戴式機(jī)器人、復(fù)合式機(jī)器人、其他運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人。1)輪式機(jī)器人輪式機(jī)器人是指用輪子實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。迄今為止，輪子是移動(dòng)機(jī)器人和人造交通車輛中最流行的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其效率高，制作簡(jiǎn)單。因此在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見，且其移動(dòng)速度和移動(dòng)方向易于控制。圖7-24所示是一采用四個(gè)瑞典輪的輪式機(jī)器人。2)履帶式機(jī)器人履帶式機(jī)器人主要指搭載履帶底盤機(jī)構(gòu)，利用履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。履帶移動(dòng)機(jī)器人具有牽引力大、不易打滑、越野性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以搭載攝像頭、探測(cè)器等設(shè)備代替人類從事一些危險(xiǎn)工作(如排爆、化學(xué)探測(cè)等)，減少不必要的人員傷亡。當(dāng)前履帶式機(jī)器人主要包括：軍用機(jī)器人，例如排爆機(jī)器人、反恐機(jī)器人等；民用機(jī)器人，例如消防機(jī)器人、救援機(jī)器人、巡邏機(jī)器人等。圖7-25所示是一款履帶式滅火消防機(jī)器人。3)足腿式機(jī)器人足腿式機(jī)器人是指利用一條或更多條腿實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)雖可以在高低不平的地面上運(yùn)動(dòng)，但是適應(yīng)性不強(qiáng)，行走時(shí)晃動(dòng)較大，在軟地面上行駛時(shí)效率低。根據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不適合傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走。但是一般的多足動(dòng)物卻能在這些地方行動(dòng)自如，顯然足腿式機(jī)器人在這樣的環(huán)境下有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，腿足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)必須面臨最壞的地形上的幾乎所有的點(diǎn)。腿足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔振能力，即使地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。腿足式機(jī)器人在不平地面或松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少?，F(xiàn)有的腿足式移動(dòng)機(jī)器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目越多，越適合于重載和慢速運(yùn)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中，由于雙足和四足具有相對(duì)好的適應(yīng)性和靈活性，也最接近人類和動(dòng)物，所以用得最多。圖7-26所示為波士頓動(dòng)力公司開發(fā)的spot足腿式機(jī)器人。4)蠕動(dòng)式機(jī)器人蠕動(dòng)式機(jī)器人即利用自身蠕動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。圖7-27所示為以色列班古里昂大學(xué)的研究人員研制出的蠕動(dòng)機(jī)器人，即機(jī)器人SAW(單驅(qū)動(dòng)波浪前行的機(jī)器人)。SAW是3D打印出的仿生機(jī)器人，也是世界上首臺(tái)利用單驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)波浪因此得以行動(dòng)的機(jī)器人。。5)飛行式機(jī)器人飛行式機(jī)器人是指利用自身的飛行裝置飛行移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人，例如旗艦航拍機(jī)DJIMavic3，如圖7-28所示。6)潛游式機(jī)器人潛游式機(jī)器人是指利用下潛、游動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)下潛游動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人，主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務(wù)。圖7-29所示為“海斗一號(hào)”潛水器，“海斗一號(hào)”是由中華人民共和國(guó)科技部“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)支持，沈陽自動(dòng)化所聯(lián)合國(guó)內(nèi)十余家科研單位共同研制的中國(guó)首臺(tái)作業(yè)型全海深自主遙控潛水器?！昂６芬惶?hào)”在中國(guó)國(guó)內(nèi)首次采用全海深高精度聲學(xué)定位技術(shù)和機(jī)載多傳感器信息融合技術(shù)，搭載的具有完全中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的七功能全海深電動(dòng)機(jī)械手，能完成深淵海底樣品抓取、沉積物取樣、標(biāo)志物布放、水樣采集等科考作業(yè)。該潛水器同時(shí)搭載高清攝像系統(tǒng)，可獲取不同作業(yè)點(diǎn)的深淵海底地質(zhì)環(huán)境、深淵底棲生物運(yùn)動(dòng)、海溝典型地質(zhì)環(huán)境變化等影像資料。7)固定式機(jī)器人固定式機(jī)器人(半移動(dòng)式機(jī)器人)是指固定在一定區(qū)域內(nèi)無法自主移動(dòng)作業(yè)的機(jī)器人，機(jī)器人整體固定在某個(gè)位置，只有部分可以運(yùn)動(dòng)，例如固定式值守機(jī)器人，如圖7-30所示。1978年，美國(guó)Unimation公司推出和人的手臂類似的PUMA系列通用工業(yè)機(jī)器人,PUMA560是具備近似人類某些生物器官的功能，用以完成操作或移動(dòng)任務(wù)，由程序控制的機(jī)械電子自動(dòng)裝置，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日益成熟。PUMA560是一款固定式機(jī)器人，其基座與立柱結(jié)構(gòu)如圖7-31所示。8)噴射式機(jī)器人噴射式機(jī)器人是指通過噴射物質(zhì)產(chǎn)生的反作用力來提供運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人。9)穿戴式機(jī)器人穿戴式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式是適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的主被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，該類機(jī)器人是可裝備于人身的智能機(jī)器設(shè)備，是協(xié)助人可以做各種拓展功能的機(jī)器設(shè)備。比如機(jī)械外骨骼，是一種由鋼鐵的框架構(gòu)成并且可讓人穿上的機(jī)器裝置，這個(gè)裝備可以提供額外能量來供四肢運(yùn)動(dòng)。隨著外骨骼裝備的不斷發(fā)展完善，及其與數(shù)字化單兵系統(tǒng)在更大范圍、更深層次的融合，未來的陸軍單兵和戰(zhàn)斗班組將像“鋼鐵俠”一樣，以小目標(biāo)、高機(jī)動(dòng)、超靈活、全信息、強(qiáng)火力，以及形散神聚的優(yōu)勢(shì)，使步兵的作戰(zhàn)與保障效能大幅提升。外骨骼裝備作為可以提高士兵戰(zhàn)場(chǎng)生存率的一種技術(shù)，或許因?yàn)樗某霈F(xiàn)，未來的戰(zhàn)爭(zhēng)形式將發(fā)生重要變化。外骨骼技術(shù)在國(guó)際上發(fā)展迅速。作為未來步兵的必備科技裝備，各國(guó)都在競(jìng)相研發(fā)外骨骼技術(shù)，并大力促成其與數(shù)字化單兵系統(tǒng)相融合，通過提高單兵作戰(zhàn)能力使整個(gè)部隊(duì)的戰(zhàn)斗力再上一個(gè)臺(tái)階。在未來的單兵作戰(zhàn)領(lǐng)域，外骨骼裝備發(fā)展最成熟并且最大范圍列裝軍隊(duì)的國(guó)家可能會(huì)占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)。10)復(fù)合式機(jī)器人復(fù)合式機(jī)器人是指同時(shí)具備兩種及以上運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)器人。11)其他運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人該類機(jī)器人是指利用其他方式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。4.按功能分類特種機(jī)器人的功能分類與行業(yè)相關(guān)，常見的功能主要包括采掘、安裝、檢測(cè)、維護(hù)、維修、巡檢、偵察、排爆、搜救、輸送、診斷、治療、康復(fù)、清潔等。7.3特種機(jī)器人應(yīng)用地面移動(dòng)機(jī)器人是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在地面運(yùn)動(dòng)的物體。地面移動(dòng)機(jī)器人的研究最早可追溯到20世紀(jì)50年代初，美國(guó)BarrettElectronics公司研究開發(fā)出世界第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)電子領(lǐng)域尚處于晶體管時(shí)代，因此該車功能有限，僅能在特定小范圍運(yùn)動(dòng)，目的是提高運(yùn)輸自動(dòng)化水平。到了20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)仙童公司研制出集成電路，隨后出現(xiàn)集成微處理器，為控制電路小型化奠定了硬件基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)80年代，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注。在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人大國(guó)，一個(gè)是日本，另一個(gè)是美國(guó)。時(shí)至今日，各種類型的地面移動(dòng)機(jī)器人紛紛被研制出來，其應(yīng)用從民用、工業(yè)用到警用、軍用都有涉及。7.3.1地面移動(dòng)機(jī)器人的概念、結(jié)構(gòu)形式針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的操作需要，移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也大相徑庭，但基本上可以分為輪式、履帶式、仿生足式和蠕動(dòng)爬行式幾種結(jié)構(gòu)形式，如圖7-33所示。輪式地面移動(dòng)機(jī)器人的車輪形狀或者結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行的車輛多采用實(shí)心輪胎，車輪形狀如圖7-34所示。履帶機(jī)構(gòu)的常見形狀如圖7-35所示。根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合的要求，履帶也有采取其他形狀的，如形狀可變履帶。所謂形狀可變履帶，是指該機(jī)器人所用履帶的構(gòu)形可以根據(jù)地形條件和作業(yè)要求進(jìn)行適當(dāng)變化，如圖7-36所示。7.3.2地面移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)一般包括機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)、全局反饋環(huán)節(jié)。離線驅(qū)動(dòng)控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)理論等已成為地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。1.離線驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)離線驅(qū)動(dòng)控制存在兩個(gè)關(guān)鍵問題。(1)研制功重比高的動(dòng)力源；(2)研制小型大功率、集成化的新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元。在解決動(dòng)力源方面，研究人員一般采用聚合物鋰離子動(dòng)力電池，并取得了一定成效。在驅(qū)動(dòng)控制單元方面，隨著DSP技術(shù)以及SOC(SystemonChip)和SIP(SysteminPackage)的發(fā)展，將復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法與單電機(jī)控制算法融為一體，將多個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片掛靠在同一控制微處理器上，同時(shí)將多個(gè)這樣的單元以總線的形式互連，從而構(gòu)成集成化的控制系統(tǒng)，是研究中采用的主要思路。2.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合實(shí)際上是對(duì)人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬。與單傳感器相比，運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)在解決探測(cè)、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等問題方面，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)生存能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和健壯性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度，提高精度，擴(kuò)展系統(tǒng)的時(shí)間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和信息利用率等。作為多傳感器融合的研究熱點(diǎn)之一，融合方法一直受到人們的重視，這方面國(guó)外已經(jīng)作了大量的研究，并且提出了許多融合方法。目前，多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法大致可分為兩大類：隨機(jī)和人工智能方法。信息融合的不同層次對(duì)應(yīng)不同的算法，包括加權(quán)平均融合、卡爾曼濾波法、Bayes估計(jì)、統(tǒng)計(jì)決策理論、概率論方法、模糊邏輯推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、D-S證據(jù)理論等。3.運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)理論目前制約足式移動(dòng)機(jī)器人廣泛應(yīng)用的主要問題是其穩(wěn)定性。作為一種步行機(jī)械，足式移動(dòng)機(jī)器人不僅是多鏈結(jié)構(gòu)，而且具有時(shí)變的運(yùn)動(dòng)拓?fù)洌送膺€是冗余驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)比起工業(yè)上的固定基座式機(jī)器人要復(fù)雜得多。迄今為止仍然缺乏足式移動(dòng)機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)學(xué)的系統(tǒng)研究，特別是很少有將該機(jī)器人視為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)鏈的正運(yùn)動(dòng)學(xué)研究成果發(fā)表。該機(jī)器人在進(jìn)行快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)彎等一系列姿態(tài)變換過程中，對(duì)其平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性要求是很高的，必須時(shí)刻保持最佳的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。因此利用并串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的研究來達(dá)到多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)和調(diào)整，就成為足式移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。7.3.3地面移動(dòng)機(jī)器人實(shí)例1.地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人是軍用機(jī)器人中發(fā)展最早，應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)器人，也是從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)到警用領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的類型。這類機(jī)器人往往被要求工作在諸如丘陵、山地、叢林等地形的野外環(huán)境中，所以必須具有比較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力及通過能力。Packbot機(jī)器人由美國(guó)著名的軍用及特種機(jī)器人公司IRobot開發(fā)，是一種輕型地面?zhèn)刹鞕C(jī)器人。Packbot的意思是背包機(jī)器人，其大小跟一只鞋盒差不多，高度不足20cm，自身質(zhì)量為18kg，如圖7-37所示。Packbot的可變形履帶結(jié)構(gòu)及模塊化的設(shè)計(jì)都成為了移