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

6.1服務(wù)機器人的發(fā)展

6.2服務(wù)機器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)

6.3服務(wù)機器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈組成

6.4服務(wù)機器人的核心技術(shù)

6.5服務(wù)機器人的發(fā)展趨勢與展望6.1服務(wù)機器人的發(fā)展6.1服務(wù)機器人的發(fā)展服務(wù)機器人起源于機器替代人工。服務(wù)機器人的發(fā)展本質(zhì)上是機器替代人工的結(jié)果。服務(wù)機器人替代人工表現(xiàn)在兩個方面：一是比人工更加經(jīng)濟；二是實現(xiàn)人工所不能。可以說機器替代人工將是歷史的發(fā)展必然，服務(wù)機器人的發(fā)展順應(yīng)歷史潮流。服務(wù)機器人發(fā)展過程如圖6-1所示。服務(wù)機器人發(fā)展的驅(qū)動因素主要有以下幾個方面：(1)勞動力成本上升。由于發(fā)達國家的勞動力價格日趨上漲，而且人們越來越不愿意從事自己不喜歡干的工作，類似于清潔、導(dǎo)購、保安等工作在發(fā)達國家從事的人越來越少。這種簡單勞動力的不足使服務(wù)機器人有著巨大的市場。(2)經(jīng)濟水平的提高。隨著經(jīng)濟水平的上升，人們可支配收入的增加，使得人們有能力購買服務(wù)機器人來解放簡單的重復(fù)勞動，或者購買服務(wù)機器人進行娛樂、教育，從而提高生活質(zhì)量。(3)技術(shù)的發(fā)展。進入互聯(lián)網(wǎng)時代后，人類的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，這得益于計算機和微芯片的發(fā)展，智能機器人更新?lián)Q代的速度越來越快，服務(wù)機器人發(fā)展的技術(shù)支撐越來越強。(4)國家政策的大力支撐。除了需求的提升和技術(shù)的積累，服務(wù)機器人的快速發(fā)展也脫離不了國家政策的支撐。作為行業(yè)和社會經(jīng)濟發(fā)展的新支點，服務(wù)機器人發(fā)展的政策扶植力度越來越大。進入21世紀(jì)，全球服務(wù)機器人行業(yè)也進入了高速發(fā)展的黃金時代。根據(jù)中國電子學(xué)會報告，2013—2021年平均負(fù)荷增速為12%。其中，服務(wù)機器人占比約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)機器人行業(yè)應(yīng)用場景和服務(wù)模式不斷拓展，帶動行業(yè)規(guī)模高速增長，全球服務(wù)機器人在全球機器人市場中的結(jié)構(gòu)占比逐年提高。在服務(wù)機器人體系中，物流機器人又是全球?qū)I(yè)服務(wù)機器人最大的細(xì)分市場，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)場景和社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等室外場景，市場熱度逐步提升。在應(yīng)用需求的拉動下，我國服務(wù)機器人市場快速增長，行業(yè)發(fā)展整體接近國際水平。6.2服務(wù)機器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)1.服務(wù)機器人的定義國際機器人聯(lián)合會(IFR)將服務(wù)機器人定義為一種半自主或全自主工作的機器人，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。按照此項定義，工業(yè)機械臂如果應(yīng)用于非制造業(yè)，也可被認(rèn)為是服務(wù)機器人。2.服務(wù)機器人的劃分標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)機器人的分類標(biāo)準(zhǔn)主要有三種：實體形態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域、外體形態(tài)。1)按照實體形態(tài)劃分按照實體形態(tài)的不同，服務(wù)機器人可分為虛擬服務(wù)機器人和實體服務(wù)機器人。虛擬服務(wù)機器人已經(jīng)廣泛商業(yè)化，例如銀行、電信系統(tǒng)的自動客服應(yīng)答系統(tǒng)，蘋果的Siri、微軟的小冰等都是虛擬服務(wù)機器人。實體服務(wù)機器人就是通常意義下的具備實物的機器人，包括導(dǎo)購、送餐、陪護、教育機器人等，實體服務(wù)機器人主要用于基于功能性需求的場景。2)按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分我國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2020年重新修訂的機器人分類標(biāo)準(zhǔn)GB/T39405—2020將服務(wù)機器人從應(yīng)用領(lǐng)域進行了劃分，即個人/家用服務(wù)機器人(Personal/Household

Service

Robot)和公共服務(wù)機器人(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)域的公共場合為人類提供一般服務(wù)的商用機器人。幾種典型的服務(wù)機器人如圖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)機器人可劃分為人形機器人和非人形機器人。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)機器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈組成服務(wù)機器人行業(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、機器人用伺服電機、高精度減速器、傳感器、電池、單片機、舵機等，歸屬于標(biāo)準(zhǔn)零部件、電子設(shè)備以及電子元器件等。我國處于上游的服務(wù)機器人企業(yè)以致力于圖形識別、芯片環(huán)節(jié)的企業(yè)居多，例如新松機器人和科沃斯機器人。新松機器人公司深耕工業(yè)機器人和移動機器人領(lǐng)域多年，主要為服務(wù)機器人產(chǎn)品提供硬件、移動、導(dǎo)航等方面的技術(shù)支撐；科沃斯機器人公司掌握代碼實現(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)為人形機器人驅(qū)動伺服舵機、步態(tài)規(guī)劃和運動控制，產(chǎn)品矩陣豐富；克路德主要專注于場景定制化，包括銀行、商場、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)勢技術(shù)為AI、語音識別和智能感應(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距離的酒店場景，其酒店定制服務(wù)機器人行業(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。線下渠道分為直營和分銷兩種形式，具有產(chǎn)品體驗和品牌展示等功能，有利于產(chǎn)品的品牌建設(shè)；線上渠道包括線上B2C、電商平臺入倉和線上分銷商等形式，相比線下渠道價格優(yōu)勢明顯，是家務(wù)機器人主要銷售渠道。6.4服務(wù)機器人的核心技術(shù)6.4.1智能機器人的核心技術(shù)模塊劃分整個服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)主要建立在三大核心技術(shù)模塊之上：人機交互及識別模塊、環(huán)境感知模塊、運動控制模塊。人機交互及識別模塊主要包括語音識別、語義識別、語音合成、圖像識別等，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、相機、攝像頭等，相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚等；運動控制模塊包括舵機、電機、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)機器人整機，并在此基礎(chǔ)上形成各種基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)，進而催生出行業(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)機器人核心模塊與技術(shù)如圖6-4所示。服務(wù)機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、運控模塊。成熟度排序依次為：語音模塊、圖像模塊、運控模塊、感知模塊、語義模塊、芯片模塊。在服務(wù)機器人的各個細(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，而運控模塊的重要性相對最低。從第一代以鼠標(biāo)和鍵盤的交互方式為特點的PC互聯(lián)網(wǎng)，到第二代以觸屏、GPS等交互方式為特點的移動互聯(lián)網(wǎng)，再到今天以多模態(tài)人機交互方式為特點的第三代互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)底層的邏輯就是人機交互方式的發(fā)展和演變。隨著語音交互、視覺圖像交互、動作交互、腦電波交互等多模態(tài)人機交互技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，這些第三代人機交互方式將會深層次地改變我們?nèi)粘Ｉ畹膽?yīng)用場景。同時，一場第三代互聯(lián)網(wǎng)的主流終端模式和服務(wù)內(nèi)容入口的競爭也在同步進行。人機交互是服務(wù)機器人場景化不可或缺的環(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。在人機對話中，尤其是多輪人機對話，涉及語音理解、語義分析、情感分析、動作捕捉等多個維度。為了進一步提高服務(wù)機器人對所處環(huán)境的動態(tài)“解讀”能力，單一模態(tài)感知技術(shù)顯然已不再適應(yīng)機器人的高速發(fā)展需求，因此多模態(tài)交互技術(shù)應(yīng)運而生。多模態(tài)融合了視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等交互方式，其表達效率和表達的信息完整度要優(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作為視覺傳感器，它與計算機相結(jié)合，并采用電視技術(shù)，使機器人具有視覺功能，可以“看到”外界的景物，經(jīng)過計算機對圖像的處理，就可對機器人下達如何動作的命令。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機器人本身狀態(tài)(如手臂間的角度)的傳感器，多為檢測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機器人所處環(huán)境(如檢測物體及距物體的距離)、狀況(如檢測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)用最為廣泛且相對成熟度較高的當(dāng)屬激光雷達+SLAM的自主定位導(dǎo)航技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于商場導(dǎo)購、自動送餐、智能倉儲、安全巡邏、病床看護、除塵清掃等。SLAM(SimultaneousLocalizationAndMapping)的含義是即時定位與地圖構(gòu)建，指的是機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，同時利用地圖進行自主定位和導(dǎo)航。SLAM問題可以描述為：機器人在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和傳感器數(shù)據(jù)進行自身定位，同時建造增量式地圖。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)實時定位。實時定位不僅需要更為精準(zhǔn)的距離精度，其對狀態(tài)的更新頻率要求也更高，而目前常用的GPS只能實現(xiàn)半米的精度，其實時位置更新頻率也無法滿足要求。定位包括相對定位和絕對定位。相對定位主要依靠內(nèi)部本體感受傳感器如里程計、陀螺儀等，通過給定初始位姿，測量相對于機器人初始位姿的距離和方向來確定當(dāng)前機器人的位姿，也叫做航跡推算(DeadReckoning，DR)；絕對定位主要采用主動或被動標(biāo)識、地圖匹配、GPS、導(dǎo)航信標(biāo)進行定位。位置的計算方法包括三角測量法、三邊測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、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時地圖，所以需要機器人能在沒有人工干預(yù)的情況下對所處環(huán)境的結(jié)構(gòu)進行繪制。(3)路徑規(guī)劃。導(dǎo)航儀與機器人自主導(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，機器人繪制的地圖是任何方向都可以走的，但現(xiàn)實并非如此，所以機器人需要通過進一步的路徑規(guī)劃來避障或控制越障行為。激光雷達是一種傳感器，在自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，激光雷達作為SLAM的重要入口，其性能以及對監(jiān)測信息的提取與整合也是整個技術(shù)的難點所在。服務(wù)機器人如果要實現(xiàn)精確的服務(wù)，滿足復(fù)雜場景下的用戶需求，除了精準(zhǔn)的定位，還需要結(jié)合定位信息對環(huán)境進行識別。目前在任何具有精準(zhǔn)高效要求的自主定位場合，應(yīng)用激光雷達都是主流的技術(shù)方案。表6-3展示了激光雷達和視覺定位方式的對比。激光雷達是“機器之眼”，能夠獲得周邊環(huán)境的點云數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)在多用于在測量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測量自身與人體距離的智能裝備，在測量與人的距離這一功能上尚無完美替代方案。然而，激光雷達的缺點也同樣明顯，其在大雨、大雪等惡劣天氣中的使用效果會受到影響。相對于激光雷達，毫米波雷達雖然精度不高、視場小，但測量距離遠(yuǎn)，可以達到200m，剛好彌補了激光雷達的短板。因此，目前具有移動功能的智能設(shè)備都是采用激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、GPS這五類傳感器或其中某幾個的組合來實現(xiàn)自主移動功能。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，同時還需要加載深度圖像識別與其配合，共同完成對環(huán)境的感知。激光雷達“眼”中的世界如圖6-5所示。3.五類傳感器1)激光雷達激光雷達通過發(fā)射n條激光，利用三角測距原理(低成本方案)或TOF(TimeofFlight，飛行時間)(高成本方案)來測量周圍物體與自身的距離，獲得精度較高的距離信息——點云數(shù)據(jù)。激光雷達按照激光束的數(shù)量可以分為1線、4線、8線、16線、32線、64線激光雷達。多個激光束排列在一個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于空間的三維掃描，n線激光雷達就相當(dāng)于一次性打出了n個平面，激光束的數(shù)量決定了三維空間的覆蓋面和點云數(shù)據(jù)的密度。2)攝像頭攝像頭獲得觀察畫面，對每一幀畫面進行算法處理，能夠識別物體、判斷位置。攝像頭必須先識別再測距，如果無法識別則無法測距。優(yōu)點在于攝像頭是目前唯一能夠辨別物體的傳感器。但是攝像頭同時具有三個缺點：(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)攝像頭對于行人的識別具有不穩(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東西的人極有可能無法識別。3)毫米波雷達毫米波雷達可發(fā)射波長為1~10mm的電磁波，根據(jù)反射波的時間差及強度等來測量距離，如汽車毫米波雷達的頻段主要為24GHz和77GHz。毫米波雷達的優(yōu)點在于性價比較高；缺點是行人的反射波容易被其他物體的反射波埋沒，難以分辨，無法識別行人。因此，毫米波雷達在測距領(lǐng)域具有較高性價比，但是其無法探測行人是一個致命弱點，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)射振動頻率高于聲波的機械波，根據(jù)反射波測量距離。其優(yōu)點在于探測物體范圍極廣，能夠探測絕大部分物體，且具有較高的穩(wěn)定性；缺點是一般只能探測10m以內(nèi)的距離，無法進行遠(yuǎn)距離探測。5)GPSGPS可以獲得自身相對于全局的位置信息。其優(yōu)點在于技術(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與前幾個探障類傳感器往往需要搭配使用。6.4.3人機交互及識別模塊1.自動語音識別技術(shù)自動語音識別技術(shù)(AutomaticSpeechRecognition)是一種將人的語音轉(zhuǎn)換為文本的技術(shù)。由于語音信號的多樣性和復(fù)雜性，語音識別系統(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)用于某些特定的場合。自動語音識別的總體過程是：語音輸入，然后前處理得到數(shù)字信號，再進行聲學(xué)特征的提取，進行模式匹配，處理后得到結(jié)果。技術(shù)過程是：先對語音切除，再進行聲學(xué)特征提取，然后對其進行分幀，得到多維向量表達的若干幀，再把幀識別為狀態(tài)(難點)，每三個狀態(tài)合組合為1個語素，再把語素組合為單詞。語音語義識別流程如圖6-11所示。語音識別發(fā)展歷史可細(xì)分為三階段：規(guī)則階段、統(tǒng)計階段以及深度學(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)幾百個單詞的正確識別率不及70%；統(tǒng)計階段主要指20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)末，語音語義技術(shù)發(fā)展進入高速期，統(tǒng)計與規(guī)則并行，語音識別、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，由于計算能力增強，語音技術(shù)有了重大突破，基于深度學(xué)習(xí)的語音語義識別技術(shù)得到大力推廣，識別精度也大幅度提升。語音語義技術(shù)的發(fā)展進程如圖6-12所示。自動語音識別從規(guī)則到統(tǒng)計再到深度學(xué)習(xí)，目前錯誤率已達到了商用門檻。以國際上公認(rèn)衡量自動語音水平的參數(shù)語音識別錯誤率(WER)為標(biāo)準(zhǔn)，國際上占據(jù)全球市場60%份額的第一大語音公司Nuance為包括蘋果在內(nèi)的財富100強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依靠強大的深度學(xué)習(xí)，在2015年率先將WER降低至8%。國內(nèi)語音實力最強的科大訊飛也達到了15%的使用門檻，針對會議演講等場景達到5%以上的識別率，特別針對中文的部分方言也達到了實用門檻。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別技術(shù)，其大致分為三個層面：詞法分析、句法分析和語義分析。雖然目前NLP對詞法與句法處理已經(jīng)取得了不錯效果，但對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、命名實體識別和詞義消歧。分詞和詞性標(biāo)注好理解。命名實體識別的任務(wù)是識別句子中的人名、地名和機構(gòu)名稱等命名實體。每一個命名實體都是由一個或多個詞語構(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。依存結(jié)構(gòu)句法體系表示形式簡潔，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的真實語義，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)注出這個謂詞的施事、受事、時間、地點等參數(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如圖6-14所示。3.圖像識別技術(shù)人類感覺信息中的80%都是視覺信息。圖像識別是計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象的技術(shù)。識別過程包括圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配。簡單來說，圖像識別就是計算機如何像人一樣讀懂圖片的內(nèi)容。借助圖像識別技術(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\行。圖像識別過程如圖6-15所示。圖像識別的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。從工業(yè)視覺到人機交互，從視覺導(dǎo)航到虛擬現(xiàn)實，從安全領(lǐng)域到醫(yī)學(xué)圖像，從自動解釋到遙感分析，這些功能在未來的服務(wù)機器人上都非常重要。然而，到目前為止，圖像識別技術(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)計算能力?？赏ㄟ^CPU、GPU、分布式架構(gòu)等提高計算能力。(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。圖像識別發(fā)展新方向如圖6-16所示。6.4.4運動控制模塊1.服務(wù)機器人常用作動器服務(wù)機器人本體通常并非是固定不動的，動態(tài)的存在形式能夠給人們提供更好的便捷體驗。從目前來看，應(yīng)用于服務(wù)機器人的驅(qū)動形式主要有兩種：液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動。在液壓驅(qū)動陣營中，最有代表性的當(dāng)屬美國波士頓動力機器人公司研發(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，實現(xiàn)了雪地行走和摔倒爬起等動作，技術(shù)復(fù)雜但是非常成功；電機驅(qū)動陣營中，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)動具有功/重比高、響應(yīng)速度快、逆驅(qū)性好等優(yōu)勢，但由于液壓驅(qū)動體積大、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，電機控制將是主流。Atlas與Asimo機器人如圖6-19所示。從移動形式角度來看，可將服務(wù)機器人細(xì)分為兩種：滾動行進式和步態(tài)行走式。滾動行進式即機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)行走式即機器人與地面相對運動的完成主要依靠機器人肢體部分有規(guī)律地間歇性擺動，機器人與地面的接觸點是離散的，一般不具規(guī)律性。鑒于自身運動特性限制，滾動行進式服務(wù)機器人的移動驅(qū)動多采用電機，被驅(qū)動滾動體多采用麥克納姆輪，不僅成本低而且移動更為靈活，缺點是無法在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中使用；步態(tài)行走式服務(wù)機器人一般采用關(guān)節(jié)驅(qū)動，即作動器直接與關(guān)節(jié)同軸安裝，或?qū)Ⅱ?qū)動不同關(guān)節(jié)的作動器集中安裝在某一關(guān)節(jié)處。相比于滾動行進式，步態(tài)行走式的驅(qū)動形式除了電機與液壓缸之外，還有一種較為常用的作動器——舵機，因其體積精巧、扭矩合適，故非常適用于服務(wù)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動。典型帶有舵機驅(qū)動的機器人包括國外的Nao機器人、Asimo機器人，國內(nèi)的優(yōu)必選等。舵機是步態(tài)服務(wù)機器人的核心部件，也叫伺服電機，包含了電機、傳感器和控制器，是一個簡單而完整的伺服電機系統(tǒng)，最早用于船舶以實現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能。由于舵機可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，得到比較精準(zhǔn)的位置、速度或力矩輸出，因而廣泛用于機器人各類關(guān)節(jié)運動中。但由于步態(tài)機器人自由度眾多，因此步態(tài)機器人的舵機價格相對比較敏感。服務(wù)機器人用舵機如圖6-21所示。2.服務(wù)機器人常用運動控制算法在運動控制上，服務(wù)機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)機器人，九成以上都是輪式或履帶式，足式機器人相當(dāng)少見。相比于足式，輪式和履帶式底盤的確具有更強的穩(wěn)定性、可靠性和耐用性，從當(dāng)前市場來看，這兩種底盤是最適宜的選擇。然而，從長遠(yuǎn)的角度來講，足式機器人才是未來趨勢。輪式和履帶式底盤將服務(wù)機器人的運動范圍局限在了平地和一點點坡度的地面，而在未來，服務(wù)機器人的服務(wù)范圍必將擴大，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)機器人如需完成一種確定的運動或工作，一般需經(jīng)歷兩個過程：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)分為運動規(guī)劃、路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。(1)運動規(guī)劃(Motionplanning)。運動規(guī)劃是指在給定的位置A與位置B之間為機器人找到一條符合約束條件的路徑，包括行進的路徑以及行進的方式。運動規(guī)劃通常又稱運動插補，插補就是按給定曲線生成相應(yīng)逼近軌跡的方法，其實質(zhì)是對給定曲線進行“數(shù)據(jù)點的密化”。常用的運動規(guī)劃方法有逐點比較插補法、時間分割法。(2)路徑規(guī)劃(Pathplanning)。連接起點位置和終點位置的序列點或曲線稱為路徑，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)，同時使路徑的長度盡量短。路徑規(guī)劃只有幾何屬性，與時間無關(guān)，只關(guān)心位置，通常應(yīng)用在任務(wù)層級的規(guī)劃或者平面移動機器人的運動規(guī)劃中。(3)軌跡規(guī)劃(Trajectoryplanning)。軌跡規(guī)劃是指規(guī)劃機器人執(zhí)行運動時的速度及加速度，即在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入時間序列信息，對機器人執(zhí)行任務(wù)時的速度與加速度進行規(guī)劃，目的是使軌跡曲線更加平順或使運動速度可控等。軌跡規(guī)劃具有時間屬性，每個時刻對應(yīng)有位置、速度、加速度等屬性，兩點之間還要涉及速度、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。不管是運動規(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)的檢測信息引導(dǎo)。執(zhí)行，即基于機器人自身各種運動檢測傳感器及與環(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)劃的運動任務(wù)。機器人作為一種復(fù)雜的自動化系統(tǒng)，其自身具有非線性、強耦合、多變量時變等特性，高速運動時各關(guān)節(jié)慣量變化較大、耦合強烈，低速時摩擦、飽和等非線性效應(yīng)明顯，這都給機器人的穩(wěn)定運動控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)是否考慮機器人的動態(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)用于各類機器人的控制當(dāng)中。但PID控制通常針對定常系統(tǒng)，控制參數(shù)的保守限制了增益帶寬，導(dǎo)致存在較大的時滯誤差，難以滿足機器人系統(tǒng)的非線性時變需求，因此現(xiàn)在較常用的很多都是基于PID的改進控制算法，例如非線性PID、模糊PID、滑膜PID以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等。為了更為貼合機器人的分線性要求，近年來各種適用于非線性強耦合系統(tǒng)的控制算法被相繼提出，其控制效果也在包括服務(wù)機器人在內(nèi)的各類機器人上得到了很好的驗證，例如自抗擾控制、魯棒控制和自適應(yīng)控制等。3.補充知識點1)自抗擾控制自抗擾控制由我國學(xué)者韓京清提出，并由后續(xù)眾多學(xué)者不斷進行完善，其核心思想在于：如果擾動可以被精確地估計及補償，則被控對象理論上可看成是無干擾模型，便可使用簡單的控制方法輕松實現(xiàn)其運動控制。自抗擾控制由跟蹤微分器(TD)、擴張狀態(tài)觀測器(ESO)和非線性反饋三部分組成。由于自抗擾控制器結(jié)構(gòu)簡單、計算效率高、抵抗不確定外界擾動能量強，因此自抗擾控制是一種使用性很強的控制算法。2)自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制是指通過測量被控對象狀態(tài)和軌跡跟蹤誤差等信息，實時掌握受控對象的不確定性，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時評估系統(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)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時補償。缺點在于系統(tǒng)參數(shù)在線識別計算量大，難以保證高速應(yīng)用中的控制實時性。此外，受控模型突變或外界擾動較大時，預(yù)估系統(tǒng)參數(shù)無法收斂于真實值，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)基于動力學(xué)模型的控制方法近年來，基于動力學(xué)模型的控制方法越來越受到重視，并被認(rèn)為是能提高機器人動態(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：一種是機器人模型動態(tài)補償控制，另一種是機器人動力學(xué)模型前饋控制。模型動態(tài)補償控制算法實際是在系統(tǒng)內(nèi)控制回路中引入了一個模型動態(tài)補償控制器，目的是根據(jù)機器人動力學(xué)實際特性對動態(tài)變化進行補償，使得經(jīng)內(nèi)控制回路作用后的機器人系統(tǒng)可以簡化為一個易控系統(tǒng)。如果機器人的動力學(xué)模型足夠精確，通過反饋補償這種方式，能較好地解決非線性時變問題，同時提高控制器的動態(tài)響應(yīng)和對軌跡跟蹤的控制性能。模型動態(tài)補償控制包括連續(xù)有限時間控制、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：(1)多數(shù)機器人的動力學(xué)模型復(fù)雜，參數(shù)隨位姿時變，且存在強耦合，導(dǎo)致精確獲取動力學(xué)參數(shù)困難。(2)多數(shù)方法需要實時計算機器人動力學(xué)參數(shù)，存在計算復(fù)雜等問題，且復(fù)雜計算難以滿足高帶寬力矩環(huán)控制要求。(3)計算控制律時，需要實時獲取關(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帶有大量噪聲，嚴(yán)重影響控制性能。4)基于動力學(xué)前饋的控制方法基于動力學(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器人動力學(xué)特性的補償，反饋通道用于解決系統(tǒng)不確定性擾動的問題。與模型動態(tài)補償控制不同的是，動力學(xué)模型前饋控制輸入為關(guān)節(jié)期望運動指令，在信號品質(zhì)上遠(yuǎn)高于實際采用值；另外，雖然動力學(xué)模型前饋控制計算復(fù)雜度高，但可通過預(yù)存儲或設(shè)置背景程序來解決動力學(xué)前饋實時性問題，有利于控制算法的具體實施。因此，機器人動力學(xué)前饋控制技術(shù)成為當(dāng)前工業(yè)上實現(xiàn)機器人高品質(zhì)運動性能的核心技術(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是計算機的核心，在圖形處理和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算上，GPU表現(xiàn)出更強的性能，而2015年Intel收購Altera的主要產(chǎn)品FPGA使現(xiàn)場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)測系統(tǒng)中的性能更加出色。DNN系統(tǒng)用于語言識別、圖像搜索、OCR、面部識別、網(wǎng)頁搜索以及自然語言處理等。相同功率時，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、IBMTureNorth。寒武紀(jì)1號的主頻可以達到0.98GHz，處理速度相當(dāng)于同等面積下CPU的100倍。即便與最先進的GPU相比，寒武紀(jì)1號的人工神經(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個內(nèi)核，100萬個“神經(jīng)元”、2.56億個“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比如表6-4所示。對于機器人來說，由于涉及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，故在計算量上將會更大。通用芯片中GPU和FPGA在解決這個問題上優(yōu)于傳統(tǒng)CPU，且擴展性和移植性較好，但是軟件復(fù)雜度較高，開發(fā)周期較長。相比之下，專用芯片能實現(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)計會呈現(xiàn)二者并存的局面。2.操作系統(tǒng)全球機器人主流操作系統(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)智能手機和平板電腦的絕大部分市場份額。實現(xiàn)了手機平臺的爆發(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，在手機上得到廣泛應(yīng)用后，在電子書、智能電視、智能機器人、智能眼鏡、智能手表、智能耳機等領(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，比上年增長了28%。ROS系統(tǒng)2007年誕生于斯坦福人工智能實驗室，當(dāng)時是為了支持一個名為STAIR的項目，在項目之初，機器人平臺集合了所有的AI方法，包括機器學(xué)習(xí)、視覺、導(dǎo)航、計劃、推理、語音和語言處理。2008年到2013年，WillowGarage與超過20家研究機構(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PR2的支持工作隨后交給了ClearpathRobotics。2010年至今，搭載ROS系統(tǒng)的機器人類型數(shù)從0起步增加至目前的106種，應(yīng)用主要偏向于工業(yè)機器人和工業(yè)控制領(lǐng)域，以移動機器人和智能交互機器人為主，包括著名的Pepper和NAO。目前已經(jīng)有很多機器人公司采用了ROS系統(tǒng)來開發(fā)一些應(yīng)用于全新市場的產(chǎn)品，如ClearPath、Rethink、Unbounded、Neurala、BlueRiver等，最典型的就是WillowGarage的PR2機器人。幾種機器人操作系統(tǒng)對比如表6-5所示。國產(chǎn)操作系統(tǒng)也在孕育發(fā)展。TuringOS是中國首批人工智能級可商用的機器人操作系統(tǒng)之一，是具備情感和思維能力的機器人操作系統(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，情感計算引擎已支持25種語言類情感識別，識別準(zhǔn)確率達95.1%，而在情感表達方面，TuringOS支持468類情感語言表達，88套表情動作表達組合，120種聲音語調(diào)，能夠讓機器人模擬人類80%的情感表達模式。據(jù)圖靈機器人后臺數(shù)據(jù)顯示，在近一年時間內(nèi)其與超過13萬的合作伙伴和開發(fā)者達成長期合作，共享知識庫達到15億項，應(yīng)用領(lǐng)域累計覆蓋用戶超過3億人次，進而每天可收集和積累億級的用戶大數(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)過億萬年長期進化，其結(jié)構(gòu)與功能已達到近乎完美的程度，實現(xiàn)了機構(gòu)與功能，局部與整體的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。服務(wù)機器人作為機器人的一個重要分支，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，能夠為機器人的功能實現(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)動一體化設(shè)計是當(dāng)前及未來服務(wù)機器人發(fā)展的重要課題。當(dāng)然，仿生材料與機構(gòu)能夠為未來機器人實現(xiàn)多功能高效率發(fā)展提供必要的技術(shù)儲備。一個很重要的問題是，必須具備相應(yīng)的光機電微納加工工藝及傳感驅(qū)動執(zhí)行一體化設(shè)計能力，這對于仿生結(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)機器人通過對多個單一的模塊化智能單元進行可變構(gòu)形設(shè)計、運動規(guī)劃及控制，以達到提升機器人運動能力、負(fù)載能力及對環(huán)境適應(yīng)能力的效果。自重構(gòu)機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)機器人發(fā)展的初衷來看，未來自重構(gòu)機器人面臨著大規(guī)模機載并行計算及結(jié)構(gòu)化或是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下長時間完全自主能力實現(xiàn)的挑戰(zhàn)。5.納米系統(tǒng)服務(wù)機器人的一個重要應(yīng)用是希望其能夠在狹小空間里開展探測或是執(zhí)行任務(wù)。目前，微納型醫(yī)療機器人及軍用偵察機器人正成為服務(wù)機器人研究的一個熱點，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)動模塊。6.5服務(wù)機器人的發(fā)展趨勢與展望在世界范圍內(nèi)，機器人技術(shù)屬于戰(zhàn)略高技術(shù)，除了國防軍事、智能制造裝備、資源開發(fā)以外，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)對于發(fā)展未來服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)也十分重視。中國工業(yè)生產(chǎn)型機器人需求強勁，有望形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，但服務(wù)性機器人產(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)濟與產(chǎn)業(yè)需求試點培育。盡管如此，服務(wù)機器人在服務(wù)于國家安全、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)機器人技術(shù)發(fā)展主要趨勢為智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，具體為：由簡單的機電一體化裝備，向以生機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)機器人的市場化要求家庭化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化成為未來服務(wù)機器人應(yīng)用發(fā)展的趨勢。服務(wù)機器人技術(shù)越來越向智能機器技術(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)等方面擴展，在學(xué)科發(fā)展上與生機電理論與技術(shù)、納米制造、生物制造等學(xué)科進行交叉創(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)展的核心原動力與約束力。(1)需求與創(chuàng)新。目前仍缺乏機器人先進適用的核心技術(shù)與部件突破，包括仿生材料與驅(qū)動構(gòu)件一體化設(shè)計制造技術(shù)，智能感知、生機電信息識別與人機交互技術(shù)，不確定服役環(huán)境下的動力學(xué)建模與控制技術(shù)，多機器人協(xié)同作業(yè)、智能空間定位技術(shù)等方面，同時沒有形成和開放相對統(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)界缺乏對服務(wù)機器人明確的產(chǎn)品功能定義；消費者對服務(wù)機器人產(chǎn)品價格(性價比)敏感；企業(yè)看不見有一定批量的不可替代實用化功能的機器人產(chǎn)業(yè)帶動；缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品面市前尚需國家有關(guān)方面及時理順市場準(zhǔn)入機制，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范以及服務(wù)機器人評價體系。(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，通過政策杠桿促進新的商業(yè)模式的形成，培育服務(wù)消費市場，推進機器人服務(wù)業(yè)的發(fā)展；發(fā)展機器人租賃業(yè)，采用租賃方式有利于減少用戶購買產(chǎn)品的風(fēng)險，通過出租可增加與顧客接觸的機會，掌握顧客的需求，增加銷售機會；發(fā)展機器人保險，設(shè)置相應(yīng)的保險機制，避免由于服務(wù)機器人安全問題，對產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成影響，包括服務(wù)機器人系統(tǒng)、軟件、外圍設(shè)備等；創(chuàng)新服務(wù)機器人服務(wù)業(yè)的發(fā)展模式，促進服務(wù)機器人的終端消費，大力推廣服務(wù)機器人產(chǎn)品，使廣大消費者更多地了解并使用服務(wù)機器人產(chǎn)品；穩(wěn)步推進私人購買服務(wù)機器人的補貼試點，在促進服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的消費上給予更大支持；大力支持服務(wù)機器人的服務(wù)市場拓展和商業(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)，提供獨特的、個性化的、全面的產(chǎn)品或服務(wù)，促進技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級；努力建設(shè)服務(wù)機器人應(yīng)用示范基地，以機器人的一體化生產(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)機器人的示范平臺，并且具備良好的配套措施。(4)需求與安全。基于安全體系標(biāo)準(zhǔn)，制定服務(wù)機器人的安全體系法律法規(guī)，包括使用者的安全、服務(wù)機器人本身的安全以及服務(wù)機器人對于人類社會的安全要求等；通過廣泛的討論適時推出服務(wù)機器人安全與道德準(zhǔn)則，以立法的形式規(guī)范人類對服務(wù)機器人的制造和使用，確定人類與服務(wù)機器人之間的關(guān)系，防止人類與服務(wù)機器人之間的“虐待”或傷害，明確規(guī)定人類與服務(wù)機器人的權(quán)利、義務(wù)與責(zé)任。定義服務(wù)機器人的行為規(guī)范，包括如下內(nèi)容：IsaacAsimov機器人三大定律，防止濫用與虐待服務(wù)機器人，在使用服務(wù)機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問題。7.1特種機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

7.2特種機器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)

7.3特種機器人應(yīng)用7.1特種機器人的發(fā)展現(xiàn)狀7.1.1全球特種機器人發(fā)展現(xiàn)狀相對于工業(yè)機器人的大規(guī)模應(yīng)用與服務(wù)機器人的熱潮迭起，特種機器人一直都顯得頗為“低調(diào)”。然而出人意料的是，2017年，全球特種機器人市場規(guī)模已達到了56億美元，如圖7-1所示。近年來，全球特種機器人整機性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場，引起各國政府高度關(guān)注。其中，美國、日本和歐盟在特種機器人創(chuàng)新和市場推廣方面全球領(lǐng)先。美國提出“機器人發(fā)展路線圖”，計劃將特種機器人列為未來十幾年的重點發(fā)展方向。日本2015年提出“機器人革命”戰(zhàn)略，涵蓋特種機器人、新世紀(jì)工業(yè)機器人和服務(wù)機器人三個主要方向，計劃5年內(nèi)實現(xiàn)市場規(guī)模翻番，擴大至12萬億日元，其中特種機器人將是增速最快的領(lǐng)域。歐盟在2014年啟動全球最大民用機器人研發(fā)項目，將啟動“火花”計劃，在未來幾年內(nèi)投入28億歐元，開發(fā)包括特種機器人在內(nèi)的機器人產(chǎn)品并迅速推向市場。2012—2020年全球特種機器人銷售額及增長率如圖7-2所示。目前，特種機器人的發(fā)展有以下特點：(1)技術(shù)進步促進智能水平大幅提升。(2)替代人類在更多特殊環(huán)境中從事危險勞動。(3)救災(zāi)、仿生、載人等領(lǐng)域獲得高度關(guān)注。(4)無人機廣受各路資本追捧。7.1.2我國特種機器人發(fā)展現(xiàn)狀近年來，全球特種機器人整機性能持續(xù)提升，不斷催生新興市場。在政策引導(dǎo)帶動下，我國特種機器人技術(shù)水平不斷進步，各種類型的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，市場蓄勢待發(fā)。在應(yīng)對地震、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，對特種機器人有著突出的需求。2016年，我國特種機器人市場規(guī)模達到6.3億美元，增速達到16.7%，略高于全球特種機器人增速。其中，軍事應(yīng)用機器人、極限作業(yè)機器人和應(yīng)急救援機器人市場規(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)機器人是增速最快的領(lǐng)域。隨著我國企業(yè)對安全生產(chǎn)意識的進一步提升，將逐步使用特種機器人替代人在高危場所和復(fù)雜環(huán)境中進行作業(yè)。至2023年，特種機器人的國內(nèi)市場需求有望突破180億人民幣。此外，特種機器人以3D打印、智能機器人為代表的國家產(chǎn)業(yè)政策助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在全國范圍內(nèi)出現(xiàn)爆發(fā)式增長。同時，各地特種機器人產(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，我國機器人市場結(jié)構(gòu)和2012—2020年我國特種機器人銷售額及增長率如圖7-4和圖7-5所示。我國特種機器人發(fā)展取得的顯著成就如下：(1)國家扶持帶動特種機器人技術(shù)水平不斷進步。我國政府高度重視特種機器人技術(shù)研究與開發(fā)，并通過“863”計劃、特殊服役環(huán)境下作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)主題項目及深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備等重點專項予以支持。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)，汽車底盤危險物品快速識別技術(shù)已初步應(yīng)用于反恐排爆機器人。與此同時，我國先后攻克了鈦合金載人艙球殼制造、大深度浮力材料制備、深海推進器等多項核心技術(shù)，使我國在深海核心裝備國產(chǎn)化方面取得了顯著進步。(2)特種無人機、水下機器人等研制水平全球領(lǐng)先。目前，在特種機器人領(lǐng)域，我國已初步形成了特種無人機、水下機器人、搜救/排爆機器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢。7.1.3特種機器人核心技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展，我國機器人技術(shù)在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研制、制造水平等方面均實現(xiàn)了突破與跨越，但與發(fā)達國家的差距仍然存在。我們需要不懈努力、奮起直追，使中國機器人在世界機器人的舞臺上綻放中國制造的魅力。隨著國產(chǎn)工業(yè)機器人應(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)用方面取得積極進展。目前，我國已將突破機器人關(guān)鍵核心技術(shù)作為科技發(fā)展重要戰(zhàn)略。在特種機器人方面，政策引導(dǎo)帶動特種機器人技術(shù)水平不斷進步，我國已初步形成了特種無人機、水下機器人、搜救／排爆機器人等系列產(chǎn)品，并在一些領(lǐng)域形成優(yōu)勢。7.2特種機器人的定義與劃分標(biāo)準(zhǔn)7.2.1特種機器人的定義根據(jù)GB/T36239—2018規(guī)定，特種機器人(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)的機器人。注：特種機器人指除工業(yè)機器人、公共服務(wù)機器人和個人服務(wù)機器人以外的機器人，一般專指專業(yè)服務(wù)機器人。7.2.2特種機器人的劃分標(biāo)準(zhǔn)特種機器人主要根據(jù)其所應(yīng)用的主要行業(yè)、使用空間、運動方式、功能進行分類。1.按行業(yè)分類根據(jù)特種機器人所應(yīng)用的主要行業(yè)，可將特種機器人分為：農(nóng)業(yè)機器人、電力機器人、建筑機器人、物流機器人、醫(yī)用機器人、護理機器人、康復(fù)機器人、安防與救援機器人、軍用機器人、核工業(yè)機器人、礦業(yè)機器人、石油化工機器人、市政工程機器人和其他行業(yè)機器人。1)農(nóng)業(yè)機器人農(nóng)業(yè)機器人是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機器人的總稱。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人正在發(fā)揮越來越大的作用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動方式，提高了農(nóng)民的勞動力，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。2)電力機器人電力機器人主要包括發(fā)電領(lǐng)域機器人、輸電領(lǐng)域機器人、變電領(lǐng)域機器人、配電領(lǐng)域機器人、用電領(lǐng)域機器人等。圖7-8是一款電力巡檢機器人，該機器人是以智慧變電站設(shè)計要求，完成相關(guān)設(shè)備全面巡檢的智能化監(jiān)測裝置。電力巡檢機器人具備自主導(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)識別各類儀表讀數(shù)及設(shè)備的電流、電壓致熱現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，提高巡視效率，真正實現(xiàn)機器人在多種復(fù)雜環(huán)境中的智能巡檢。3)建筑機器人建筑機器人是應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的機器人的總稱，包括房屋建筑機器人、土木工程建筑機器人、建筑安裝機器人、建筑裝飾機器人等。隨著全球建筑行業(yè)的快速發(fā)展和勞動力成本的上升，建筑機器人迎來了發(fā)展機遇。圖7-9所示是一款地坪研磨機器人，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)模式研磨揚塵大、施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣、勞動強度高、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問題，整體工效約為人工作業(yè)的2倍。4)物流機器人物流機器人主要包括倉儲機器人、分揀機器人、運輸機器人、派送機器人等。目前，隨著工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)升級對國內(nèi)制造及物流場景的快速應(yīng)變能力的要求不斷提高，AMR作為高度自動化的柔性設(shè)備，將會是未來產(chǎn)業(yè)升級自動化的大方向。AMR機器人將會是企業(yè)打造智慧工廠、智慧物流必不可少的一部分。凱樂士在移動機器人領(lǐng)域深耕多年，先后推出多款適應(yīng)多場景的移動機器人?；谀K化設(shè)計和高標(biāo)準(zhǔn)測試，凱樂士的AMR機器人穩(wěn)定性更強，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。AMR搬運機器人如圖7-10所示。5)醫(yī)用機器人醫(yī)用機器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機器人，是一種智能型服務(wù)機器人，它能獨自編制操作計劃，依據(jù)實際情況確定動作程序，然后把動作變?yōu)椴僮鳈C構(gòu)的運動。醫(yī)用機器人種類很多，按照不同用途，有臨床醫(yī)療用機器人、護理機器人、醫(yī)用教學(xué)機器人和為殘疾人服務(wù)的機器人等。圖7-11所示為一款可穿戴外骨骼機器人，它不僅能預(yù)防老年人意外摔倒，還可以幫助殘疾人進行康復(fù)訓(xùn)練。6)安防與救援機器人安防與救援機器人主要包括安保機器人、警用機器人、消防機器人、救援機器人等。圖7-12所示為一款RXR-M80DTG61通用型履帶式消防滅火機器人，主要由控制箱(遙控器)、機器人底盤、車載大流量多功能水炮、車載氣體檢測、車載視頻采集設(shè)備、環(huán)境偵測設(shè)備、聲光報警警示及自保設(shè)備等組成。該消防機器人適用于部分火災(zāi)現(xiàn)場的火勢控制、洗消、降溫、環(huán)境信息采集等，同時具有防爆、越障能力強、拖拽能力強的特點。7)軍用機器人軍用機器人(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機器人。近年來，各國都已經(jīng)研制出第二代軍用智能機器人，其特點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，并具有自動搜索、識別和消滅敵方目標(biāo)的功能。MAARS(模塊化的先進武裝機器人系統(tǒng))在它的小型框架中配備了強大的火力。它的模塊化設(shè)計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)機器人核工業(yè)機器人主要包括核軍工作業(yè)機器人、核動力廠運維機器人、核技術(shù)應(yīng)用作業(yè)機器人、核設(shè)施應(yīng)急作業(yè)機器人、核設(shè)施退役機器人。近年來，我國核工業(yè)機器人研發(fā)及應(yīng)用取得了不凡的成果。中核集團承擔(dān)了國家“863”等重大科研項目，實現(xiàn)了各種核電關(guān)鍵設(shè)備檢修機器人的工程應(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器人；開展了核燃料、核應(yīng)急機器人以及強輻射環(huán)境下應(yīng)急處置機器人的系列研究工作，如“靈蜥”機器人、爬行檢測機器人、應(yīng)急處置機器人等等，并已應(yīng)用到工程實踐。9)礦業(yè)機器人礦業(yè)機器人主要包括礦產(chǎn)勘探機器人、礦業(yè)開采機器人、礦物運輸機器人、礦物分選機器人、礦山救災(zāi)機器人等。中國礦業(yè)大學(xué)是國內(nèi)率先開展煤礦救援機器人研發(fā)的單位，經(jīng)過十多年的努力，研發(fā)了多種類型的CUMT系列煤礦救援機器人。其中CUMT-V(A)型煤礦救援機器人于2016年在山西大同塔山煤礦進行了現(xiàn)場示范應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果，為煤礦救援機器人的研發(fā)應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。圖7-15所示為在CUMTV(A)型煤礦救援機器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的CUMT-V(B)型機器人。10)石油化工機器人石油化工機器人主要包括石化勘探機器人、石化開采機器人、石化輸送機器人、石化加工機器人、石化儲存和罐裝機器人等，其他的機器人機制還有監(jiān)測石油平臺的機器人狗，以及檢查管道泄漏的陸上無人機。無人機可代替工作人員進入高溫、易燃、高空等危險區(qū)域作業(yè)，保障人員安全；結(jié)合多角度可見光、熱成像和氣體探測儀對設(shè)備進行檢測診斷，信息全面精準(zhǔn)；免停工巡檢大大提高生產(chǎn)效率；無人機管線巡檢與場地勘測已實現(xiàn)高度自動化，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)市政工程機器人市政工程機器人主要包括設(shè)備安裝機器人、施工檢測機器人、設(shè)施設(shè)備維保機器人、管道機器人等。市政工程中常采用管道機器人，管道機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。12)其他行業(yè)機器人該類機器人指應(yīng)用于上述行業(yè)領(lǐng)域以外的特種機器人。2.按使用空間分類根據(jù)特種機器人使用的空間，可將特種機器人分為：地面機器人、地下機器人、水面機器人、水下機器人、空中機器人、空間機器人和其他機器人。1)地面機器人地面機器人主要指在地面上使用的特種機器人，主要包括地面作業(yè)機器人、山地作業(yè)機器人、極地作業(yè)機器人、纜索作業(yè)機器人、爬壁作業(yè)機器人、灘涂作業(yè)機器人、無人巡檢車、防爆機器人等。圖7-18所示為國辰機器人設(shè)計的室外巡檢機器人。用于地面活動的特種機器人有無人巡檢車、防爆機器人等。2)地下機器人地下機器人主要包括井道作業(yè)機器人、管道作業(yè)機器人、巷道作業(yè)機器人等。管道機器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。石油天然氣管道需要定期進行內(nèi)部的清理、保養(yǎng)，否則一旦發(fā)生泄漏，后果不堪設(shè)想。但油氣管道長達幾千公里，清理、保養(yǎng)非常困難。管道作業(yè)機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)，通過對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以判斷管道是否需要維護、更換，并可以對管道進行清理、保養(yǎng)。3)水面機器人水面機器人主要包括水面無人艇、海洋救助機器人等。水面無人艇是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)，一旦配備先進的控制系統(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)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如偵察、搜索、探測和排雷，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，美國和以色列一直處于領(lǐng)先地位。各國都競相研制無人艇，國內(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)或障礙物檢測及分類、潛水水下作業(yè)平臺等。ECAUSVinspector無人艇長7~8.5米，速度可達35節(jié)，遙控距離達10海里。4)水下機器人水下機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)機器人。水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。水下機器人主要包括潛水機器人、水下滑翔機器人、水底作業(yè)機器人等。作為我國“863”計劃重大專項，由中國船舶重工集團公司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，運用了當(dāng)前世界上最先進的高新技術(shù)，實現(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，可達世界99.8%的洋底。5)空中機器人空中機器人主要包括飛行機器人、浮空作業(yè)機器人等。空中機器人是一項系統(tǒng)工程，涉及航空理論、計算機、控制、電子、機械、材料和系統(tǒng)工程等多個學(xué)科。在具體問題中，又涉及飛行器的設(shè)計與制作、控制系統(tǒng)和算法的設(shè)計、傳感器應(yīng)用與融合、導(dǎo)航制導(dǎo)、數(shù)據(jù)通信、圖像識別和信號處理等多方面的知識。圖7-22所示為美國全球鷹無人機，它是一種高空高速長航時無人偵察機，主要用于低、中強度沖突中實施大范圍的連續(xù)偵察與監(jiān)視，機身上方有一臺渦扇發(fā)動機，最大飛行速度為740km/h，巡航速度為365km/h，航程可達26000km，續(xù)航時間為42h，可以從美國本土起飛到達全球任何地點進行偵察，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)空間機器人空間機器人(SpaceRobots)是用于代替人類在太空中進行科學(xué)試驗、出艙操作、空間探測等活動的特種機器人?？臻g機器人主要包括空間艙內(nèi)機器人、空間艙外機器人、星球探測機器人及空間飛行機器人等。空間機器人代替宇航員出艙活動可以大幅度降低風(fēng)險和成本?？臻g機器人是在空間環(huán)境中活動的，空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大，空間機器人工作在微重力、高真空、超低溫、強輻射、照明差的環(huán)境中，因此，空間機器人與地面機器人的要求也必然不相同，有它自身的特點。首先，空間機器人的體積比較小，重量比較輕，抗干擾能力比較強。其次，空間機器人的智能程度比較高，功能比較全?？臻g機器人消耗的能量要盡可能小，工作壽命要盡可能長，而且由于工作在太空這一特殊的環(huán)境之下，因此對它的可靠性要求也比較高。此外，空間機器人是在一個不斷變化的三維環(huán)境中運動并自主導(dǎo)航?？臻g機器人主要從事空間站的建造、航天器的維護和修理、空間生產(chǎn)和科學(xué)實驗、星球探測等工作。圖7-23所示為美國的“好奇”號火星車。7)其他機器人該類機器人指在兩種(含)以上作業(yè)空間使用的機器人，如兩棲、三棲機器人等。3.按運動方式分類特種機器人可按機器人的運動方式分為輪式機器人、履帶式機器人、足腿式機器人、蠕動式機器人、飛行式機器人、潛游式機器人、固定式機器人、噴射式機器人、穿戴式機器人、復(fù)合式機器人、其他運動方式機器人。1)輪式機器人輪式機器人是指用輪子實現(xiàn)移動的移動機器人。迄今為止，輪子是移動機器人和人造交通車輛中最流行的運動機構(gòu)，其效率高，制作簡單。因此在各種移動機構(gòu)中，輪式移動機構(gòu)最為常見，且其移動速度和移動方向易于控制。圖7-24所示是一采用四個瑞典輪的輪式機器人。2)履帶式機器人履帶式機器人主要指搭載履帶底盤機構(gòu)，利用履帶實現(xiàn)移動的移動機器人。履帶移動機器人具有牽引力大、不易打滑、越野性能好等優(yōu)點，可以搭載攝像頭、探測器等設(shè)備代替人類從事一些危險工作(如排爆、化學(xué)探測等)，減少不必要的人員傷亡。當(dāng)前履帶式機器人主要包括：軍用機器人，例如排爆機器人、反恐機器人等；民用機器人，例如消防機器人、救援機器人、巡邏機器人等。圖7-25所示是一款履帶式滅火消防機器人。3)足腿式機器人足腿式機器人是指利用一條或更多條腿實現(xiàn)移動的移動機器人。履帶式移動機構(gòu)雖可以在高低不平的地面上運動，但是適應(yīng)性不強，行走時晃動較大，在軟地面上行駛時效率低。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。但是一般的多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然足腿式機器人在這樣的環(huán)境下有獨特的優(yōu)勢。腿足式移動機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，腿足式運動方式的立足點是離散的點，可以在地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶式移動機構(gòu)必須面臨最壞的地形上的幾乎所有的點。腿足式機器人的運動方式還具有主動隔振能力，即使地面高低不平，機身的運動仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。腿足式機器人在不平地面或松軟地面上的運動速度較高，能耗較少?，F(xiàn)有的腿足式移動機器人的足數(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動。實際應(yīng)用中，由于雙足和四足具有相對好的適應(yīng)性和靈活性，也最接近人類和動物，所以用得最多。圖7-26所示為波士頓動力公司開發(fā)的spot足腿式機器人。4)蠕動式機器人蠕動式機器人即利用自身蠕動實現(xiàn)移動的移動機器人。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機器人，即機器人SAW(單驅(qū)動波浪前行的機器人)。SAW是3D打印出的仿生機器人，也是世界上首臺利用單驅(qū)動產(chǎn)生持續(xù)波浪因此得以行動的機器人。。5)飛行式機器人飛行式機器人是指利用自身的飛行裝置飛行移動的移動機器人，例如旗艦航拍機DJIMavic3，如圖7-28所示。6)潛游式機器人潛游式機器人是指利用下潛、游動裝置實現(xiàn)下潛游動的移動機器人，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”潛水器，“海斗一號”是由中華人民共和國科技部“十三五”國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項支持，沈陽自動化所聯(lián)合國內(nèi)十余家科研單位共同研制的中國首臺作業(yè)型全海深自主遙控潛水器?！昂６芬惶枴痹谥袊鴩鴥?nèi)首次采用全海深高精度聲學(xué)定位技術(shù)和機載多傳感器信息融合技術(shù)，搭載的具有完全中國自主知識產(chǎn)權(quán)的七功能全海深電動機械手，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)。該潛水器同時搭載高清攝像系統(tǒng)，可獲取不同作業(yè)點的深淵海底地質(zhì)環(huán)境、深淵底棲生物運動、海溝典型地質(zhì)環(huán)境變化等影像資料。7)固定式機器人固定式機器人(半移動式機器人)是指固定在一定區(qū)域內(nèi)無法自主移動作業(yè)的機器人，機器人整體固定在某個位置，只有部分可以運動，例如固定式值守機器人，如圖7-30所示。1978年，美國Unimation公司推出和人的手臂類似的PUMA系列通用工業(yè)機器人,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任務(wù)，由程序控制的機械電子自動裝置，這標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù)日益成熟。PUMA560是一款固定式機器人，其基座與立柱結(jié)構(gòu)如圖7-31所示。8)噴射式機器人噴射式機器人是指通過噴射物質(zhì)產(chǎn)生的反作用力來提供運動能力的機器人。9)穿戴式機器人穿戴式機器人的運動形式是適應(yīng)人體運動的主被動運動方式，該類機器人是可裝備于人身的智能機器設(shè)備，是協(xié)助人可以做各種拓展功能的機器設(shè)備。比如機械外骨骼，是一種由鋼鐵的框架構(gòu)成并且可讓人穿上的機器裝置，這個裝備可以提供額外能量來供四肢運動。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)、高機動、超靈活、全信息、強火力，以及形散神聚的優(yōu)勢，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)場生存率的一種技術(shù)，或許因為它的出現(xiàn)，未來的戰(zhàn)爭形式將發(fā)生重要變化。外骨骼技術(shù)在國際上發(fā)展迅速。作為未來步兵的必備科技裝備，各國都在競相研發(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)能力使整個部隊的戰(zhàn)斗力再上一個臺階。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的國家可能會占據(jù)較大的優(yōu)勢。10)復(fù)合式機器人復(fù)合式機器人是指同時具備兩種及以上運動方式的機器人。11)其他運動方式機器人該類機器人是指利用其他方式運動的機器人。4.按功能分類特種機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、維護、維修、巡檢、偵察、排爆、搜救、輸送、診斷、治療、康復(fù)、清潔等。7.3特種機器人應(yīng)用地面移動機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動的物體。地面移動機器人的研究最早可追溯到20世紀(jì)50年代初，美國BarrettElectronics公司研究開發(fā)出世界第一臺自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)。由于當(dāng)時電子領(lǐng)域尚處于晶體管時代，因此該車功能有限，僅能在特定小范圍運動，目的是提高運輸自動化水平。到了20世紀(jì)六七十年代，美國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，國外掀起了智能機器人研究熱潮，其中具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價值的移動機器人受到西方各國的普遍關(guān)注。在移動機器人的發(fā)展中，出現(xiàn)兩個機器人大國，一個是日本，另一個是美國。時至今日，各種類型的地面移動機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地面移動機器人的概念、結(jié)構(gòu)形式針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的操作需要，移動機器人系統(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、仿生足式和蠕動爬行式幾種結(jié)構(gòu)形式，如圖7-33所示。輪式地面移動機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。在軌道上運行的車輛多采用實心輪胎，車輪形狀如圖7-34所示。履帶機構(gòu)的常見形狀如圖7-35所示。根據(jù)實際使用場合的要求，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)要求進行適當(dāng)變化，如圖7-36所示。7.3.2地面移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)地面移動機器人系統(tǒng)一般包括機構(gòu)環(huán)節(jié)、驅(qū)動控制環(huán)節(jié)、全局反饋環(huán)節(jié)。離線驅(qū)動控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、運動學(xué)動力學(xué)理論等已成為地面移動機器人系統(tǒng)的研究熱點。1.離線驅(qū)動控制實現(xiàn)離線驅(qū)動控制存在兩個關(guān)鍵問題。(1)研制功重比高的動力源；(2)研制小型大功率、集成化的新型電機驅(qū)動控制單元。在解決動力源方面，研究人員一般采用聚合物鋰離子動力電池，并取得了一定成效。在驅(qū)動控制單元方面，隨著DSP技術(shù)以及SOC(SystemonChip)和SIP(SysteminPackage)的發(fā)展，將復(fù)雜的機器人運動控制算法與單電機控制算法融為一體，將多個驅(qū)動芯片掛靠在同一控制微處理器上，同時將多個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)融合實際上是對人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬。與單傳感器相比，運用多傳感器信息融合技術(shù)在解決探測、跟蹤和目標(biāo)識別等問題方面，能夠增強系統(tǒng)生存能力，提高整個系統(tǒng)的可靠性和健壯性，增強數(shù)據(jù)的可信度，提高精度，擴展系統(tǒng)的時間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實時性和信息利用率等。作為多傳感器融合的研究熱點之一，融合方法一直受到人們的重視，這方面國外已經(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：隨機和人工智能方法。信息融合的不同層次對應(yīng)不同的算法，包括加權(quán)平均融合、卡爾曼濾波法、Bayes估計、統(tǒng)計決策理論、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.運動學(xué)動力學(xué)理論目前制約足式移動機器人廣泛應(yīng)用的主要問題是其穩(wěn)定性。作為一種步行機械，足式移動機器人不僅是多鏈結(jié)構(gòu)，而且具有時變的運動拓?fù)?，此外還是冗余驅(qū)動系統(tǒng)，其運動學(xué)及動力學(xué)比起工業(yè)上的固定基座式機器人要復(fù)雜得多。迄今為止仍然缺乏足式移動機器人爬行運動學(xué)的系統(tǒng)研究，特別是很少有將該機器人視為一個整體運動鏈的正運動學(xué)研究成果發(fā)表。該機器人在進行快速移動、慢速移動、停止、轉(zhuǎn)彎等一系列姿態(tài)變換過程中，對其平穩(wěn)性及運動的連續(xù)性要求是很高的，必須時刻保持最佳的運動姿態(tài)。因此利用并串聯(lián)機器人技術(shù)的研究來達到多種運動姿態(tài)的實現(xiàn)和調(diào)整，就成為足式移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。7.3.3地面移動機器人實例1.地面?zhèn)刹鞕C器人地面?zhèn)刹鞕C器人是軍用機器人中發(fā)展最早，應(yīng)用最為廣泛的一類機器人，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的地形適應(yīng)能力及通過能力。Packbot機器人由美國著名的軍用及特種機器人公司IRobot開發(fā)，是一種輕型地面?zhèn)刹鞕C器人。Packbot的意思是背包機器人，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)計都成為了移