服务机器人的研究进展

PAGE68 机械工程学报 第39卷第2期期服务机器人的研究进展摘要：在近几年服务机器人的发展速度很快，出现了很多种类的先进机器人，应用非常广泛，在一定程度上提高了人们的生活质量。文章首先介绍国际上对服务机器人的定义以及服务机器人的产生背景，分析了欧美，日本，以及国内服务机器人的研究进展，经过对比，指出了国内服务机器人研究的不足。并对几种典型的服务机器人：清洁机器人、助老机器人、烹饪机器人、幕墙清洗机器人的结构、工作原理、特点、性能进行简要的说明，阐述当前服务机器人研究领域的关键技术——传感技术和控制技术。最后展示服务机器人的研究趋势，未来智能服务机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。关键词：服务机器人；关键技术；路径规划；工作模式；人工智能 0前言*.1定义服务机器人目前处于早期阶段，国际机器人联合会对服务机器人的定义是：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它从事的服务可是人类生存的更好，使制造业以外的设备更好地工作。德国生产技术与自动化研究所（IPA）对服务机器人所下的定义是：服务机器人是一种可以自由编程的移动设备，它至少应有三个运动轴，可以部分或全自动地完成服务工作。这里的服务工作不是只为工业生产而从事的服务活动，而是为人和单位完成的服务工作。服务型机器人是为人类服务的特种机器人，主要从事家庭服务，维护、保养、修理、运输、清洗、监护等工作。0.2产生背景随着传感和控制技术、驱动技术以及材料技术的进步，在服务行业实现运输、操作及加工自动化已具备了必要的条件，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。专家们预测，服务机器人的数量将会超过工业机器人。目前世界各国正在努力开发应用于各自领域的服务机器人，公共事业及环保机器人、物体及表面清洗用机器人、在难以接近的地方进行维护检查机器人、安保及送信用移动机器人等服务机器人不断出现。0.3研究意义服务机器人在某些情况下可以有一个移动平台构成，上面装一只或数只手臂。服务机器人的控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。对服务机器人评价的内容包括：能否完成人所不能完成的任务;它的使用是否有意义或对人有所帮助；能否改善人的生活质量，并完成繁重的家务劳动等。1发展历程服务机器人出现时间稍晚于工业机器人，90年代后才正式登上历史舞台。作为新兴市场，服务机器人发展非常迅速，类型众多，目前市场上已经出现近300家初创公司。截至2018年，服务机器人销量有望达到3500万，其中家用机器人占到2500万台。物流领域对机器人需求也非常大，医疗机器人、水下勘测、救援机器人都有较好的发展前景。到2018年，全球服务机器人的销售额有望达到280亿美元。1.1欧美发展概况欧美国家在服务机器人产品研制开发方面起步较早。1982年荷兰开发一个装在茶托上的实验用机械手RSI，主要完成喂饭和翻书，这个项目对后来的轮椅机械手Manus有很大的影响。Manus开始于1984年，它的臂包含5个自由度，经过几年的测试后，由荷兰的ExactDynamicsbv公司生产并投入市场。1987年，英国人MikeTopping研制了Handy1康复机器人样机,使一个患有脑瘫的6岁男孩第一次能够独立就餐。它属于工作站式机器人，在已知的环境中，机器人按操作要求，从相应的物品架上抓取所需物品。20世纪90年代初，欧盟提出了TIDE计划，旨在促进帮（assistive）技术研发，以满足社会和工业要求，改进残疾人和老年人的生活质量，提高欧洲服务业市场的发展水平。进入21世纪，法国国家科学院、德国联邦研究协会分别提出Robea、GURP计划积极推动服务机器人的研究【3】。美国家用服务机器人的研发也起步较早，并已推出部分代表性的产品。其中一种叫“护士助手”机器人，已经在医院和家庭使用。美国Stanford大学开发的MOVAR机器人，可以穿行到各个房间，机械手上装有力传感器和接近觉传感器以保证工作安全可靠。这类机器人一般工作在未知环境，由于在未知环境下控制的复杂性以及控制成本等原因，这类服务机器人大多处于研究开发阶段。1.2日本概况日本对机器人技术的研发一直非常重视。日本是世界上公认的机器人大国，从传统的带机关的人偶，到现在高仿真的机器人，都标志着日本科技的发展。最近本田公司又研制出新型的机器人“阿西莫”。作为最新一代的仿真机器人，“阿西莫”能够像人类一样跑步、上楼梯、甚至为客人端茶送水。日本是世界公认的机器人大国，而其机器人技术的基础或许正是传统的机关人偶制作技艺，“射箭童子”等就是机关人偶的代表作。以齿轮和发条为动力，端坐在台子上的童子能把摆在面前的箭依次搭到弓弦上，射到数米外的地方。1.3国内概况我国在服务机器人领域的研发起步较晚。1995年清华大学开发了一个七自由度移动式护理机人，以高位截瘫作为护理对象，目标是在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。近年来，在国家863计划的支持下，我国在家用服务机器人研究和产品研发方面已开展了大量工作，并取得了一定的成绩。哈尔滨工业大学研制的“导游机器人”、“迎宾机器人”、“清扫机器人”令人耳目一新【5】。华南理工大学机器人研究室成功研制出了一张机器人护理病床。但总的来说，我国目前在服务机器人方面的产品仍然很少，技术不够成熟，与发达国家的服务机器人产业仍有较大的差距。2典型机器人介绍2.1Roomba清洁机器人2.1.1机器人简介Roomba清洁机器人英文名称为“Roomba”，中文为“伦巴”，是由美国iRobot公司生产。Roomba可以完全钻到家具底下，这是人和直立式吸尘器所不能做到的。由于Roomba的高度仅为9厘米左右，可以轻松地钻到大多数茶几、床头柜、床和一些沙发的下面进行清洁。2.1.2结构Roomba的直径约为33厘米，高9厘米。Roomba用可充电的镍氢电池供电。Roomba电池的功率是3安培小时，需要约七小时才能完全充满电（约18伏）。一些较新的Roomba型号已经将充电时间缩减为三小时左右，完全充满电后大约可清扫两小时。它的机动系统主要由两只电机驱动的履带轮组成，Roomba通过改变各轮的供电进行转向。Roomba共有五个电机：每只轮子由一个电机驱动（共2个电机）一个电机驱动吸尘器一个电机驱动旋转边刷一个电机驱动鼓风组件。如图1图6避障路径规划流程2.2助老机器人目前，全世界人口的加速老龄化使医疗和社会保险系统面临前所未有的压力，高龄老年人的自我照料能力差，行为和语言的能力下降，所以需要对他们进行特别的护理，助老机器人应运而生。助老机器人可以服务于怀孕的妇女、患有重大疾病行动不方便的病人、老年人以及残疾人等.主要能够实现以下功能：辅助老年人行走；提取物品、按时喂药、端茶水；生命质量监测；语音交互功能。2.2.1助老机器人总体结构助老服务机器人主要由2部分组成：带有触摸屏的辅助行走单元和机械臂系统.其中辅助行走单元内部分为4层：第1层装有CCD摄像头和触摸屏；第2层用于摆放老年人日常用品，例如水杯和药品等；第3层用于安放控制器、电源、电机驱动器等；最后一层是机器人底盘，安装有驱动轮、从动轮、直流电机及减速器等，如图7。图7助老机器人结构简图图8助老机器人2.2.2助老机器人工作原理辅助行走单元可以基于操作者的意愿来控制车体运动的快慢以及转向.助老服务机器人安装于手柄上的压力传感器测量行走者作用于手柄的力的大小和方向，从而使机器人按照人的意愿前进或者后退.人施加于手柄的力是靠安装于手柄的压力传感器测量得到的.安装于车身前端的3组超声波传感器可以实现及时避障，从而保证老年人安全行走.由于助老服务机器人要实现代替老年人取物品的功能，而且要求跟随车体随意移动【9】；因此安装于助老服务机器人的轻型作业臂必须具有足够的自由度和良好的可操作度，同时还要求重量轻、体积小、安全性能好，具备稳定、快速地在周边空间内工作的特点【10】.如图8所示.轻型机械臂由肩部、大臂、肘关节、小臂、腕部、末端执行器等功能模块组成.一共有肩部回转、大臂回转、肘关节回转、小臂回转、腕部回转以及手爪张和6个自由度.为增加工作效率，将各驱动单元直接安装在关节处，采用伺服电机控制，并在各个关节处装有光电限位开关，末端执行器装有摄像头。2.2.3助老机器人工作模式根据助老服务机器人满足的功能要求，将其划分为4种工作模式（父状态），其中每种工作模式又根据实际工作情况的变化划分为几种不同的子状态，如图2所示.助老服务机器人处于不确定的环境中，适应不同情况的变化而进行控制.当外界环境发生变化时，如果不满足系统的触发条件，则认为系统还是处于原始状态；如果满足系统的触发条件，那么系统就会自动转移到其他状态.如图10图10助老机器人工作模式图2.3烹饪机器人中国菜肴烹饪机器人能够根据指令自主地完成烹饪。机器人由人机界面、投料机构、锅具动作机构、火候视觉模块和盖锅机构组成。如图11锅具运动机构示意。如图12所示，根据锅具运动学分析，将实现烹饪机器人自由度要求的锅具运动机构进行简化，可完成实际的锅具运动部件，以及晃锅、倾倒和翻锅(分小翻和大翻)等特殊动作。电机1带动曲柄使滑杆做往复运动与摆动，锅具与滑杆连成一体，在滑杆做往复运动与摆动的过程中，锅具中心做近似椭圆的变速运动。电机2通过锥齿轮使滑杆(包括锅具)做旋转运动，从而使锅具实现翻动和倾倒动作。上述装置安装在一个运动平台上，由其他电机驱动实现整体平移。该运动机构的运动合成使锅具机构实现翻动、水平移动和晃动。图11机构图图12烹饪机器人锅具动作机构原理图2.4幕墙清洗机器人

现代城市高楼林立，很多高层建筑采用瓷砖或玻璃幕墙，常年裸露在外，必须进行维护清洗，长期以来表面清洗多数依靠身系绳索、手持抹布的“蜘蛛人”只高空作业。人工进行高层建筑物的清洗不仅费用高、效率低而且十分危险。高层建筑幕墙清洗机器人将使工人从危险的高空清洗作业中解脱出来。机器人清洗外露墙面不仅可以消除安全隐患，还能降低成本提高效率。2.4.1幕墙清洗机器人结构及原理1、吸附固定装置

采用气动吸盘、真空吸附玻璃幕墙，吸力强，调整范围大，负重及牵引力等特点。由真空泵到配气盘配气接口之间的气动系统，包括真空过滤器、真空供给阀、真空破坏阀、真空开关等。当需要产生真空时，真空泵通电；当需要破坏真空放开壁面时，真空泵断电、真空破坏阀。这些真空控制元件可以组成一体，形成一个真空发生器组件。上述一套真空发生器组件只能与一个配气接口相连接，为了给两个配气接口完成配气需要两套这样的设备。但是，在实际爬壁机器人工作时一个配器接口的吸盘需要产生真空，而另外一个则恰好需要破坏真空，因此为了简化结构和节约成本可以在气动回路中串联一个两位四通的电磁换向阀，该电磁换向阀与真空供给阀、真空破坏阀均由PLC控制工作，协同完成对两个配器接口的配气。如图13图13配气机构

2、运动转换装置

独创八爪转换式行走机构，运动的同时四个气缸吸附墙体，四个气缸移动到目的位置，通过交替吸附现实换位并做下个个运动。如图14图14运动机构3、清洗装置

通过特制滚刷和清洗装置可一次性完成玻璃墙面、玻璃边缘和滚刷清洗。并针对不同的玻璃型号设计了手臂转向装置。

4、水循环系统

作业用水循环使用，洗一座20多层的写字楼只要20公斤，是人工清洗用水的十分之一左右。

5、视觉观察系统可向上下左右180度范围内任意调整，全景观察清扫刷工作状况，及清洁装置。

3服务机器人开发目前存在的问题及不足近年来，机器人，特别是服务机器人市场正在快速发酵。但近期，相关调查数据却显示，2015年国内服务机器人整体出货量仅有几万台，某标杆公司月出货量约1k/月，且多是样品展示使用，这无疑给当前发展火热的机器人产业泼了盆冷水。为何服务机器人潜在需求很大，产业很热，却出现了销量小、投资冷的僵局？下面，我们就从以下三点，看看国内服务机器人开发中的一些问题和不足。1、供应链不完善，核心器件和技术缺乏

机器人核心器件和模块包括主控、语音模块、麦克风阵列、摄像头、视觉处理模块、无线连接模块、超声波、红外、陀螺仪、手势识别、环境光、温度等各种传感器、驱动马达、舵机、移动底盘……就主控来说，目前也没有专门针对机器人而设计的主控，多是在以往平板主控方案基础上重新封装改善稳定性后使用；再如舵机，对于手脚可动机器人是至关重要的部件，可以说是机器人的发动机和变速器，但是国内做舵机的公司很少，做得好的更是凤毛麟角。像视觉处理、传感器、马达等也多依赖于进口，模块成本高，提升了整体设备成本，这样导致机器人售价较高，消费者难买单。2、开发难度大，产品迟迟不能上市

做机器人的公司要么是原来做消费电子的企业，对显示、触控、传感器技术较为了解，但对舵机和控制算法一无所知，需要重新整合资源；要么是工控企业出身，对机械的功能和控制了如指掌，但在传感、显示、无线传输整合上需要找寻合作伙伴。然而，最让人头疼的是人机交互等软件技术，需要做大量的定制性工作，如语音唤醒和语音合成。可见，目前机器人行业很难找到能提供全套功能设计的方案商。3、感知和认知技术上的瓶颈使用户体验差