机器学习技术与应用 课件 第4课 服务机器人

智能机器人技术与应用“十四五”职业教育人工智能技术应用专业系列教材第4课服务机器人231知识目标（1）熟悉服务机器人的发展历程与发展前景。（2）熟悉服务机器人的定义。（3）熟悉服务机器人的应用场景与当前的应用水平。能力目标（1）掌握专业知识的学习方法，培养阅读、思考与研究的能力。（2）具备团队精神，提高“研究性学习”参与、组织和活动能力。素质目标（1）热爱学习，掌握学习方法，提高学习能力。（2）热爱读书，善于分析，勤于思考，关心技术的发展进步。（3）体验、积累和提高“大国工匠”的专业素质。学习目标

愿景

体验

创意

实践重点难点（1）什么是服务机器人。（2）服务机器人的应用场景与应用水平。目录什么是服务机器人01工业机器人与服务机器人区别02建立服务机器人全球标准032021服务机器人04第4课服务机器人服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业服务机器人和个人/家庭服务机器人。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。研究数据显示，世界上很多国家都在发展机器人，其中半数以上的国家已涉足服务型机器人开发。不少类型的服务型机器人已经进入实验和商业化应用，全球服务机器人市场保持较快的增长速度。什么是服务机器人0101

什么是服务机器人由于劳动力价格日趋上涨，而且人们更趋向于选择自己喜欢从事的职业，因此，在发达国家，从事类似清洁、看护、保安等工作的人越来越少。另外，全球人口老龄化带来老人看护以及医疗等大量的问题，产生了巨大的财政负担。为弥补这种简单劳动力的不足，服务机器人的巨大市场由此产生。目前，服务机器人大部分都是行业使用的机器人，主要

应用领域有医用机器人、多用途移动机器人平台、水下

机器人及清洁机器人等。服务机器人普及所

遇到的主要困难一个是价格问题，另一个是

人们对机器人的益处、效率及可靠性还不十

分了解。图4-4达芬奇手术机器人服务机器人发展历程服务机器人的定义清洗机器人机器人“演奏家”手术机器人医用服务机器人01

什么是服务机器人01

什么是服务机器人4.1.1服务机器人发展历程服务机器人的发展随着人工智能技术的演进和市场需求而与时俱进，大致可分为三个阶段：（1）实验室阶段（20世纪50–60年代）：计算机、传感器和仿真等技术不断发展，美国、日本等国家相继研发出有缆遥控水下机器人（ROV）、仿生机器人等。（2）萌芽阶段（20世纪70–90年代）：服务机器人具备初步的感觉和协调能力，医用服务机器人、娱乐机器人等逐步投放市场。（3）发展阶段（21世纪~）：计算机、物联网、云计算等先进技

术快速发展，服务机器人在家庭、教育、商业、医疗、军

事等领域获得了广泛应用。01

什么是服务机器人4.1.2服务机器人的定义服务机器人指的是为人类生活或特殊任务服务的机器人，且这些任务不包括工业生产。工业机器人通常处在标准化的制造流程中，与之相比，服务机器人是被放置在各种各样复杂环境中，因为经常需要与人和复杂环境互动，所以必须更加灵活。因此，服务机器人的重要条件，就是必须“具备一定程度的自主性”，能够根据收取信息做出反应、并顺应环境变化有所调整。01

什么是服务机器人和工业机器人构造类似，服务机器人也由驱动设备、机械设备、控制系统、感测与通讯设备等组成。服务机器人的发展路线除了运动构造的精细化与仿人拟真，最受注目的技术是感测设备，搭载着模仿人类五感的各式传感器，除了视觉、听觉和触觉、也着力于人脸/身体姿态辨识、声音辨识等系统，以加强通讯能力。除此之外，搭配人工智能及云端网络系统逐渐成为未来的发展方向，及时反应环境状况、在运作上更具自主性，并能更容易地融入社会、为人类所用。一般来说，服务机器人又依据是否商用被分成两大类：个人/家庭用机器人与专业用机器人。专

业用机器人多半为该产业量身定做，例如：农业、救灾、水下、建筑等；个人/家庭

用机器人则包含家庭事务与益智娱乐两部分，常见的有清扫与老人看护。01

什么是服务机器人除了机器人厂商的持续投注研发之外，国际上的软件科技龙头例如谷歌、苹果也争相跨入这个领域。谷歌曾经一下子收购八家机器人公司，在2013年的世界机器人竞赛中，因福岛核灾的救援主题，谷歌更是一口气夺下冠、亚军，向世人宣示了机器人即将成为下一个时代的热门主题。然而，由于能顺利适应社会、并应付各式各样生活状况的多任务机器人技术门坎较高，目前占据市场大部分产值的仍以服务特定需求的机器人为主，其中一般常见的扫地机器人等家务类型机器人就占了绝大部分的比例。智能机器人的产业领域，大致可归纳为四个方面：工业及制造业、军事与航空航天

工业、教育与娱乐业和医疗与大健康产业。其中医疗与大健康领域的机器人融合了

当代前沿科技和成熟产品，包括人工智能、计算机模拟、传感器、移动通讯和互联

网+等，是引领21世纪医疗、养老与康复等产业前景最前沿的技术和产品。01

什么是服务机器人医用机器人是从医学的需求发展而来的，这是个非常宽泛的概念，可以说用于医疗全阶段的机器人或者机器人化设备都可以叫做医用机器人，大致可以分为手术机器人、康复机器人、医用服务机器人和智能设备等。医用机器人的目的是辅助医护人员更好地完成其工作。由于医用机器人作用对象是人，所以对于其安全性有很高的要求。在医疗机器人领域，大家通常关注和接触的主要是手术机器人、康复机器人这两个类别。01

什么是服务机器人4.1.3清洗机器人随着城市的现代化，一座座高楼拔地而起。为了美观，也为了得到更好的采光效果，很多写字楼和宾馆都采用了玻璃幕墙，这就带来了玻璃窗的清洗问题。其实不仅是玻璃窗，其他材料的壁面也需要定期清洗。长期以来，高楼大厦的外墙壁清洗主要方法有两种：一种是靠升降平台或吊蓝搭载清洁工进行玻璃窗和壁面的人工清洗；另一种是用安装在楼顶的轨道及索吊系统将擦窗机对准窗户自动擦

洗。采用第二种方式，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，而且它无法

适应阶梯状造型的壁面，这就限制了这种方法的使用。由于建筑设计配套尚不规范，

国内绝大多数高层建筑的清洗都采用吊蓝人工完成。01

什么是服务机器人以爬壁机器人为基础开发的大楼清洗机器人有负压吸附和磁吸附两种吸附方式，其擦窗采用负压吸附方式。图4-5清洗机器人01

什么是服务机器人北京航空航天大学机器人研究所发挥其技术优势与北京铁路局北京科学技术研究所合作为北京西客站开发了一台玻璃顶棚（约3000平米）清洗机器人。该机器人由机器人本体和地面支援机器人小车两部分组成。机器人本体沿着玻璃壁面爬行并完成擦洗动作，它重25公斤，可以根据实际环境情况灵活自如地行走和擦洗，且具有很高的可靠性。作为配套设备，地面支援小车在机器人工作时，负责为其供电、供气、供水及回收污水，它与机器人之间通过管路连接。01

什么是服务机器人4.1.4机器人“演奏家”上海交通大学机器人研究所开发了一位“长笛演奏家”，它能用10个金属手指灵活地按动发音孔，吹出一曲悠扬的《春江花月夜》。除了模拟手指，这位“演奏家”还有一个人工肺，吸气、吐气都受过“专门训练”，音域圆润而宽广。图4-6演奏机器人01

什么是服务机器人4.1.5手术机器人手术机器人能显著改善医生手术中的一些问题，减少患者痛苦、提高手术精确度、降低手术风险。现代手术进入到了微创时代，微创手术的成功不仅依赖于技术精湛的外科大夫，也依赖于医生手里优良的手术工具。从开放手术到普通腹腔镜手术，再到机器人腹腔镜手术，微创技术的需求推动了机器人技术在这方面的应用。例如眼科手术机器人能够很好地把医生手部的颤抖滤除，辅助医生完成较为精细的眼科手术；血管介入手术机器人也是被研究较多的，康复和助

力机器人的使用可以显著提升患者的身体机能恢复情况和生存质量。手术机器人的动作更加精确，能降低手术风险，伤口的切口可以更小，从而降低了

感染风险，加速康复进程（见图4-7）。01

什么是服务机器人

图4-7手术机器人01

什么是服务机器人4.1.6医用服务机器人在医疗康复领域，行为辅助机器人主要提供医务护理、清洁、配送等服务。在辅助医护工作中也能起到非常大的作用，可以直接减轻医护人员的工作量，提高他们的工作准确性。医院服务机器人还包括导诊、辅助护士操作等。典型的应用例如埃博拉病毒、新冠肺炎爆发的时候，通过机器人进行消毒，可以有效地避免人员受到病毒感染。（1）长颈鹿通信机器人。这是一个让老年人与外界通

信的移动通信工具，它由轮子、摄像头和显示器

组成，拥有网络电话的双向视频通话功能，可以

通过遥控器来进行控制。

图4-8通信机器人01

什么是服务机器人（2）教学用患者机器人。它能够让医学学生们大胆地开展各种学习活动，利用机器人来培训医生实践。这种患者机器人拥有跳动的心脏、转动的眼睛，甚至还能呼吸，它能训练医学生们如何正确测量血压和其他生命体征。这种机器人甚至还分为孕妇或婴儿版本。

图4-9患者机器人01

什么是服务机器人（3）亚通医用服务“立方体”机器人。它可以通过系统设定进行送餐、送药、整理患者的床单和脏餐盘，收集医院的废物等活动。利用医院的WiFi信号与中央系统通信，亚通能躲避障碍，乘坐电梯，提高了医院的工作效率。图4-10亚通机器人01

什么是服务机器人（4）疾病诊断机器人。疾病诊断是医疗实践中最核心的部分，但有时在血检或胸透时，可能存在医生没有察觉的细微情况，而这些机器人能提供更多特定的诊断功能。图4-11疾病诊断机器人01

什么是服务机器人（5）RP-VITA远程医疗机器人。这是由iRobot和InTochHeath公司联合研发的通过iPad应用进行控制的远程医疗机器人。作为远程医疗助手，设计者希望医生们可以通过它远程实时监控病人的情况。因此，包括B超和电子听诊器等诊断设备均被内嵌在机器人上。

图4-12远程医疗机器人01

什么是服务机器人（6）贝斯蒂克机械臂。这是一个小型机械手臂，末端是一个勺子，它主要适用于那些不希望麻烦别人而自己进食的患者。用户能轻松控制勺子的运动，从而决定吃餐桌上的哪样食物。

图4-13贝斯蒂克机械臂01

什么是服务机器人（7）康复机器人。如果患者接受了长期的物理治疗，需要尽早康复以重获移动能力，通过康复机器人的辅助复健，能加速患者康复进度。图4-14康复机器人01

什么是服务机器人（8）Cody护理机器人。这是一个护理助手，采用直接物理接口（DPI），护士能直接控制机器人的身体，例如领着机器人行走。通过相机和激光测距仪，Cody能为患者清洁身体。图4-15护理机器人01

什么是服务机器人（9）替换肢体。机器人已被用于替换人们损坏的肢体或其他身体部位。此外，科学家们还在研发一些新技术，使用机器人来创建人类心脏或其他器官。目前已经创造出人造水母，下一个目标就是人类器官。

图4-16替换肢体工业机器人与服务机器人区别0202

工业机器人与服务机器人区别工业机器人的结构和设计理念与服务机器人有本质区别。工业机器人强调在规划好的环境中完成既定任务，同时要求高耐久、高精度、高力矩输出；而服务机器人强调在开放的非预设环境下完成轻型、非高精度作业，且尽可能低成本之下的可接受寿命，而且由于服务机器人直接与人接触，故而对于安全性，可靠性要求很高。02

工业机器人与服务机器人区别工业机器人的核心在于上游三大零部件，即控制器、伺服电机、减速器，服务机器人的核心不在硬件，而在于传感器和人工智能算法。（1）应用领域。通常工业机器人是产品制造中使用的机器人手臂；而服务机器人除了制造业以外，还有其他一切。较知名的服务机器人有军事机器人、医疗机器人、物流机器人等。（2）市场潜力。工业机器人自上个世纪70年代开始出现，已经成为一个成熟的行业，利润率很低，因此要实现差异化发展，这对企业是一项挑战。服务机器人起步不久，有着巨大的增长潜力。（3）市场数据。由于工业机器人技术行业多年来已经整合，因此数据要比零散应

用的服务机器人技术领域更为精确。02

工业机器人与服务机器人区别（4）目标客户。工业机器人主要由制造商购买，是一种典型的B2B销售方式，并且在汽车工业中占主导地位。服务机器人技术的客户类型更加多样化，可能是制造商，军事团体，医院，甚至是个人。购买的决定是多种多样的。（5）主要国家。最大的工业机器人制造国是日本，欧洲和美国也有重要的参与者。在服务机器人方面，情况恰恰相反，美国显然处于领先地位。围绕麻省理工学院，斯坦福大学和卡内基梅隆大学等，已经形成了机器人产业集群，其中许多初创企业都是由这些机构组成的。02

工业机器人与服务机器人区别（6）向世界开放。工业机器人技术非常专有，所有控制器都使用不同的语言，并且通常处于封闭状态。即使在通信协议级别也是如此。尽管工业机器人也开始开放，但第三方应用程序的开发变得更加繁琐。而开源计划即将达到服务机器人技术的临界点，成为事实标准的最佳选择是ROS。可以访问开发人员社区开发的工具，这将大大加快服务机器人技术的发展。（7）利用技术。工业机器人使用特定的机器人硬件和软件。服务机器人行业在利用成本更

低，需要更少定制的现成技术方面做得更好。嵌入式电子设备，网络技术和通信协

议，甚至包括诸如MicrosoftKinect之类的传感器，都被用于服务机器人。广泛

采用的组件可以加快开发速度，并降低机器人解决方案的成本。02

工业机器人与服务机器人区别（8）平台成熟度。在服务和工业机器人上都安装了自适应夹持器。将其安装在工业机器人上非常简单，通常一切都很稳定，要求也很明确。这方面，服务机器人需要从工业方面的结构和组织中学习。（9）酷因素。服务机器人比工业机器人要酷得多。孩子们进入机器人领域并不是为了制造业，通常帮助服务机器人吸引年轻人才的“酷”因素，这在工业机器人中似乎很困难。建立服务机器人全球标准0303

建立服务机器人全球标准工业机器人正处在标准化的工作流程中，而服务机器人则需要和人或者更复杂的环境互动，因此需要比工业机器人更“智能”，必须具备一定的自主反应能力，能够根据获取到的指令信息做出相应的反馈。0102日本推动建立全球标准服务型机器人前景广阔03

建立服务机器人全球标准03

建立服务机器人全球标准4.3.1服务型机器人前景广阔从市场现状来看，服务机器人之所以可以蓬勃发展，政策的助推、人力成本的增加、社会人口老龄化的驱动、人工智能技术的崛起等方面都是不可或缺的因素。一方面，我国近年来相继颁发了《中国制造2025》、《机器人产业发展规划（2016-2020年）》等纲领性文件，为机器人产业发展创造了风口；另一方面，数据显示，社会就业人员人力成本不断增高，中国65岁及以上的人口数量占比已超过10.8%。通过服务型机器人提升效率、

节省成本，满足庞大的老年人群在养老、康复、护理、陪伴等方面出现的巨大需求

缺口，都在一定程度上促使服务机器人迎来了发展新机遇。03

建立服务机器人全球标准同时，随着人工智能技术的持续发展，作为智能服务机器人核心要素之一的语音识别、面部识别也进入发展新阶段，使得服务机器人的仿真度（动作、语言、识别）得以大幅提升，已从以往的僵化动作进入更“人性化”的新阶段。在这些原因的共同促使下，服务机器人产业迎来井喷式发展。伴随着服务机器人产业的发展，业界对于机器人与人类在未来的关系展开了新一轮讨论。创新工场CEO李开复认为：“未来十年，翻译、记者、助理、保安、司机、销售、客服、交易员、会计、保姆，这些职业中90%从

业者将会被机器人取代。”中国科学技术大学博士生导师梅涛也指出，人类有多

少种分工，未来就会有多少种专业服务型机器人，服务机器人的风口即将到来。03

建立服务机器人全球标准目前，服务机器人逐步应用在餐饮、医疗、超市、物流等行业，迈出了替代或辅助人工的第一步，而医疗机器人领域市场发展更是首当其冲。在细分领域中，由于我国未来人口高龄化是大势所趋，养老看护的缺口逐渐扩大，国内康复机器人的发展已成为医疗机器人领域中最重要组成部分。由于技术和工程化尚未成熟，机器人向传统行业渗透还需要一定时间。而我国尚处于该领域的探索发展阶段，服务机器人在使用功能的安全、可靠性等技术成熟度上还有诸多空间亟待发掘。03

建立服务机器人全球标准4.3.2日本推动建立全球标准日本已与国际标准组织（ISO）展开磋商，旨在为辅助人类的机器人制定标准。日本在机器人领域投入巨资的部分原因是该国的人口老龄化，为帮助老年人而设计的机器人正变得越来越普遍。日本已经为机器人与人的互动建立了一个国家标准，该标准涉及医疗、商业和交通等诸多领域。日本国家先进工业科学技术研究所已经发布了日本的JISY1001标准。03

建立服务机器人全球标准随着老龄化社会的推进，孩子越来越少，导致了劳动力短缺，这对日本所有行业都构成了重大挑战。作为克服这种情况的解决方案之一，业界对引入机器人服务入寄予厚望。各种服务机器人，如导游机器人、送货机器人、护理机器人、辅助机器人等，有望在机场、商业设施、护理设施等普通人与这些机器人能够共存的特定场所发挥重要作用。在这种情况下，应该确保机器人的安全，以防止对人类造成任何伤害。机器人可以帮助降低未来医疗机构一线工作人员和其他一线工人面临的风险，此外还可以为许

多仍需要人类的领域腾出时间。03

建立服务机器人全球标准作为机器人领域的世界领导者，日本希望能够出口更多的机器人助手。由于任何未来的ISO标准都可能以日本现有的JISY1001为基础，因此日本企业将在与全球竞争对手的竞争中占得先机。ISO现有的TC299标准是“机器人领域的标准化，不包括玩具和军事应用”，它没有像日本标准那样考虑到各种设置的最佳实践。TC299的新工作小组由日本领导，以确保全球标准至少与日本的国家标准一样强大。2021

服务机器人04042021服务机器人在2021世界机器人大会上，手术机器人是必看的亮点之一，“达芬奇”机器人、天智航天玑骨科机器人、术锐腔镜机器人、康多腔镜机器人等手术机器人争奇斗艳。（1）“达芬奇”手术机器人。这是较早问世的手术机器人，在世界范围内应用较广，享有较高声誉。这款机器人由医生控制台、手术机械臂和成像系统三个部分组成，展会现场，工作人员还展示了用达芬奇手术机器人搭体积非常小的积木。据介绍，医生利用达芬奇手术机器人可以进行更加精细化的手术，并且由于是微创，对于患者来说具有出血少、并发症少、康复快等优点。目前达芬奇手术机器人在我国大陆地区的装机量达到200多台，主要采购者为三甲医院等大型医院。042021服务机器人图4-17达芬奇手术机器人042021服务机器人（2）天智航“天玑”手术机器人。这是国际首款能够开展创伤骨科、脊柱外科手术的骨科机器人，能够辅助开展脊柱外科以及创伤骨科手术，可以进行精准定位的微创手术，据说能让手术时间节省30%。天玑骨科手术机器人已在北京积水潭医院等多

家医院投入使用。据该公司统计，截至2020年

末这款机器人已辅助医生完成超万例手术。

2021年，天智航推出第二代天玑骨科手术机器

人，并且在前不久已被纳入北京医保支付范畴。

图4-18天智航骨科手术机器人042021服务机器人（3）术锐腔镜手术机器人，现场剥鹌鹑蛋。在展览中，一台手术机器人在演示剥一颗生的鹌鹑蛋，并且还能在剥掉外壳的同时不破坏蛋壳下面的薄膜。这是北京术锐技术推出的腔镜手术机器人。手术时医生通过操控主控台上的操作器，对手术工具和高清电子内窥镜进行遥控操作，便能够完成一台微创手术治疗。

图4-19工作人员演示操纵机器人剥鹌鹑蛋042021服务机器人（4）疫情之下的“打工人”机器人。突如其来的疫情让人们不得不“居家抗疫”，即使出门也要保持社交距离，而这给了机器人大展身手的好机会。清华大学人工智能学院在展会上带来了咽拭子机器人和病房巡诊机器人。咽拭子机器人

顾名思义是能够自主进行咽拭子采样的机器人，它

可以快速部署并开展持续性的咽拭子采集任务。使

用者只需要根据机器人的语音提示便可快捷简单的

完成自主采样。

图4-20清华大学咽拭子机器人042021服务机器人病房巡诊机器人可以用于传染病房的日常查房巡诊，并且得益于5G的加持，可以实现跨省远程问诊。此外在新冠疫情不断传播的情况下，它的使用不仅减轻了医生的工作量，这种无接触巡诊还能降低医生交叉感染的风险。抗击疫情的斗争中，消杀工作也是重要的一个环节，当然这项工作也可以由机器人来完成。这次大会上也有不少厂商展示了消杀机器人。比如洛必德带来的

智能消杀机器人能够自主移动，以应用于室内外多种环境中。

它具有4个喷雾口，可以实现360度喷雾消杀。另外它还支持

手机小程序远程操控，既能远程规划路线，也能完成定时定点

消杀工作。它还具有人体感应功能，当发现有人来到它身边时，

便会自动停止喷雾，防止消毒液沾染到人体皮肤上。图4-21洛必德智能消杀机器人042021服务机器人除了医用，送餐机器人也发展很快，几乎成了当今餐厅的标配。从全国连锁的海底捞，到街边普通的餐厅，处处都能见到送餐机器人的身影。与此同时，各类配送机器人也越来越多的出现在我们的身边，比如商场、酒店、医院等用到的室内配送机器人以及室外的物流机器人等。这些各种用途的配送机器人都出现在了2021世界机器人大会上。（1）走得稳、端菜稳的送餐机器人。在展会B区，普

渡科技的送餐机器人在各样的障碍物里走来走去，当

有人站在它面前时，它会自动绕行，还能保证

托盘里的食物纹丝不动。

图4-22普渡送餐机器人遇到行人停下042021服务机器人餐厅中人来人往的环境以及可能会出现的狭窄过道对机器人来说是