服务机器人技术研究现状与发展趋势_王田苗 (1)
中国科学:信息科学2012年第42卷第9期:1049–1066
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html, https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,
服务机器人技术研究现状与发展趋势
王田苗,陶永?,陈阳
北京航空航天大学机器人研究所,北京100191
*通信作者.E-mail:taoy@https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,
收稿日期:2012–06–04;接受日期:2012–08–21
摘要服务机器人技术经过近30年的发展,在机械、信息、材料、控制、医学等多学科交叉方面取
得了重要的成果,本文结合作者在机器人领域的相关工作,在分析国内外关于服务机器人发展研究
现状的基础上,就服务机器人目前涉及的仿生材料与结构、自重构机器人、复杂环境下机器人动力
学问题、智能认知与感知、网络化交互及微纳系统等关键技术的研究进展做简要的综述,并概要展
望了其发展趋势.希望能够在把握国际服务机器人前沿技术发展动态的同时,为培育我国服务机器
人产业提供相关理论、方法及技术.
关键词服务机器人仿生材料与结构模块化自重构机器人动力学智能认知与感知网络化
交互微纳系统
1引言
1.1服务机器人定义/内涵及分类
国际机器人联合会(International Federation of Robotics,IFR)给了服务机器人一个初步的定义:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类的服务工作,但不包括从事生产的设备[1].在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》中对智能服务机器人给予了明确定义——“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”[2].
国际机器人联合会对服务机器人按照用途进行分类[1],分为专业服务机器人和家用服务机器人两类,如专业服务机器人可分为水下作业机器人、空间探测机器人、抢险救援机器人、反恐防爆机器人、军用机器人、农业机器人、医疗机器人以及其他特殊用途机器人;个人/家庭用服务机器人可分为家政服务机器人、助老助残机器人、教育娱乐机器人等.
1.2世界各国服务机器人发展计划
机器人技术集机械、信息、材料、智能控制、生物医学等多学科于一体,不但自身技术附加值高,产品应用范围广,而且已经成为重要的技术辐射平台,对增强军事国防实力、提高处理突发事件水平、带动整体经济发展、改善人民群众生活水平都具有十分重要的意义.
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位.美、日、韩、欧等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展,将机器人产业作为战略产业,纷纷制定各自的机器人国家发展战略规划.
(1)美国相关机器人研究计划.美国机器人发展起步早,其发展思路是立足于相关机器人技术实现产业化,包括医疗外科机器人da Vinci及家用智能吸尘器机器人已经实现产业化发展.其机器人研究计划主要包括:1989年开始执行联合机器人研究计划(Joint Robotics Program)[3];美国国防部《无人系统路线图(2009～2034年)》[4];2010年2月美国训练与条令司令部与坦克车辆研究、发展与工程中心发布的《机器人战略白皮书》[5];2009年7月美国国防部向外公布其美国陆军未来战斗系统(FCS)[6];美国海军2004年9月《无人水下航行器UUV总体规划》[7];以及2011年6月美国总统Obama在CMU讲话,提出了NRI国家机器人发展计划(NASA,NSF,NIH),希望振兴美国制造业[8].
(2)日本相关机器人研究计划.日本一贯将机器人技术列入国家的研究计划和重大项目,以工业机器人、仿人娱乐机器人为突破口,采用模块化和标准化道路,近两年开始正在积极开展RT(机器人技术)的研究,推进服务机器人的产业化;另外经济产业省发布新产业发展战略和机器人技术战略,其中日本能源及产业技术综合开发机构(NEDO)资助项目[9]包括:服务机器人安全技术和验证项目(2009～2013)2009年预算约1.2亿人民币;智能机器人技术软件计划(2007～2011)2009年资助约9700万人民币;基本机器人技术开放式创新改进传统技术(2008～2010)2009年资助约1000万人民币;先进机器人单元技术战略开发计划(2006～2010)2009年预算约5447万人民币.
(3)欧洲相关机器人研究计划.2006年欧盟制定了欧洲第七框架计划(FP7),执行期从2007年至2013年,总预算达532亿欧元,加强机器人模块化功能部件和危险作业机器人研发[10];另外欧洲机器人技术研究网络提出了2002～2022年欧洲机器人研究与应用的路线图(Euron Research Roadmaps)[11].
(4)韩国相关机器人研究计划.韩国机器人发展强调智能机器人与现代网络相结合,制定了韩国“839”战略计划:智能服务机器人是9种核心技术之一;将智能服务机器人作为21世纪推动国家经济增长的10大发动机产业之一,2013年成为世界三大机器人生产国之一.具体为:2003年韩国政府提出的“十大未来发展动力产业”政策,2004年信息通信部(MIC)提出的“IT839”计划[12],及其“无所不在的机器人伙伴”项目,2008后每年4000亿韩元(约合22亿人民币)[13];2008年的《智能机器人开发与普及促进法》,共计8章、49条以及3条附则;2009年韩国政府发布了“第一次智能型机器人基本计划”,目标是到2018年使韩国成为全球机器人主导国家,计划在2013年以前投入1万亿韩元(约合55亿人民币)[14].
1.3服务机器人的意义及未来空间
《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》明确指出将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术,并提出“以服务机器人应用需求为重点,研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术”.
服务机器人技术作为战略性高技术,未来产业链长并带动性强,在世界范围内还处在分散发展阶段.通过服务机器人核心技术与产品的攻关,对国家重大需求与安全具有重要意义;通过前沿技术、核心部件与相关标准的研发,对于国家民生科技与战略性新兴产业发展具有重要推动作用;通过感知、决策与执行等探索,对于传统产业升级与服务有重要促进作用.
一方面,随着我国逐步进入老龄化社会,我国助老服务机器人需求量将面临井喷式增长;助老服务机器人产品市场前景广阔,发展潜力巨大,为我国提供了难得的服务机器人产业发展机遇.另一方面,
1050
中国科学:信息科学第42卷第9期
公共安全事件如地震、洪涝灾害和极端天气以及矿难、火灾、社会安防等频发;另外,医疗与教育对服务机器人的需求旺盛.这些都表明我国服务机器人潜在巨大市场急待开发.
服务机器人技术具有综合性、渗透性的特点,着眼于利用机器人技术完成有益于人类的服务工作,在老人/残疾人和特种领域具有广阔应用前景,同时具有技术辐射性强和经济效益明显的特点.服务机器人技术不仅是国家未来空间、水下与地下资源勘探、武器装备制高点的技术较量,而且将成为国家之间高技术激烈竞争的战略性新兴产业,包括助老助残、危险作业、教育娱乐等,它是未来先进制造业与现代服务业的重要组成部分,也是世界高科技产业发展的一次重大机遇.
2国内外服务机器人研究现状
2.1国外服务机器人技术研究现状
国际上关于智能机器人技术研究的优势科研机构包括:MIT计算机科学和智能实验室、Stanford University人工智能实验室、Carnegie Mellon University(CMU)机器人研究所、Georgia Institute of Technology人机交互实验室、Waseda University仿人机器人研究院、日本本田公司机器人研究中心、University of Tsukuba智能机器人研究室、德国宇航中心机器人研究室、德国Fraunhofer-Gesellschaft应用研究中心、Universitat de Girona水下机器人研究室等.知名的国际服务机器人行业领先企业有:美国iRobot公司、美国Northrop Grumman公司、英国ABP公司、Saab Seaeye水下机器人公司、美国Intuitive Surgical外科手术机器人公司、德国Reis机器人集团、瑞士ABB公司、日本Yaskawa Electrics公司、美国Remotec公司、加拿大Pesco公司、法国Aldebaran公司等[15].
据IFR2011年报告,全球服务机器人市场保持较快的增长速度.IFR数据显示,2010年全球专业服务机器人销量达13741台,同比增长4%,销售额为32亿美元,同比增长15%;个人/家庭服务机器人销量为220万台,同比增长35%,销售额为5.38亿美元,同比增长39%[16].
20世纪90年代以来,特别是2000年以来,家用、专业和军用等服务机器人及工业机器人专利申请数量持续快速增长,新的技术条目不断涌现,表明服务机器人和工业机器人相关技术越来越受到关注,相关研究和开发正在快速发展.通过对DII专利数据库进行检索,到2010年5月5日止,与家用服务机器人研究相关的专利(族)为4839件,涉及专业服务机器人的专利(族)共有2166件,与军用服务机器人研究相关的专利数量为4372件,与工业机器人研究相关的专利(族)2.76万件(数据检索日期为2010年7月7日)[17].从趋势上看,服务机器人和工业机器人的专利申请数量将持续快速增长,日美韩德等国的大型企业集团正引领全球服务和工业机器人的发展,美日中德韩5国则是全球服务和工业机器人的主要研发和竞争区域.
近年来,国外服务机器人热门产品不断涌现.在无人系统、仿人/生机器人、四足机器人、助老助残/家用机器人、智能假肢等方面,国外相关的研究机构或机器人公司取得了重要突破.
在无人系统方面,典型代表为美国研制的RQ-4全球鹰无人机,作为目前最先进的无人机,该无人机搭载先进侦察传感系统,实现与美军现有指挥控制系统实时数据传输,2003年美国联邦航空管理局授权全球鹰在国内领空实施飞行任务,并在伊拉克、阿富汗战场上得到了广泛应用[18].另外,包括火力侦察兵、X-47B无人舰载机(见图1)等也已装备或正在完善功能[19],未来无人机将朝着隐蔽性、高机动、超长时间滞空、智能避障、多无人系统联合作战方向发展[4].
在仿人/生机器人方面,1999年日本本田率先研究双足仿人机器人的预测运动控制,并在2000年发布了首款ASIMO机器人,2011年其行走速度达到9km/h;而且实现了单足、双足弹跳功能,并能
1051
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
图1
X-47B 无人舰载机进行测试[19]Figure 1X-47B unmanned combat air vehicle on the test [19]WABOT-1P2ASIMO DB CB HRP-2HRP-4HRP-4C ARMAR-IV HUBO Partner Robot iCub ARMAR-lll Twendy-one WABIAN KOBIAN Petman Robonaut Justin NAO
DARwIN-OP Lola 图2世界知名的仿人机器人[21]
Figure 2The world famous humanoid robots
[21]够行走于非平整地面.在人机交互方面,ASIMO 能够实现自主避障,并能够从3个人的同时对话中区分出各个人员[20].随后美国Massachusetts Institute of Technology (MIT)、日本产业技术综合研究所、日本丰田公司、美国通用公司、美国波士顿动力公司、中国北京理工大学等也开展了相关的研究,研制了HRP-4C 、Toyota’s Partner Robot 、Robonaut-R2、Petman 、“汇童”BHR-5等仿人机器人[21](部分图片见图2),未来人形机器人将在提高与各年龄层次人类的交互并提供帮助上得到发展.1052
中国科学:信息科学第42卷第9
期
图3波士顿动力公司的AlphaDog在户外测试[23] Figure3Boston Dynamics’AlphaDog was doing the outdoor tests[23]图4AeroVironment公司研制的Nano Hummingbird[25]
Figure4AeroVironment’s Nano Hum-mingbird[25]
在仿动物机器人方面,由MIT人员成立的波士顿动力公司率先突破四足机器人复杂动力学建模、控制与驱动问题,于2005年推出了首款BigDog四足大狗机器人,在此基础上,2011年研制成功速度最快的四腿机器人Cheetah,陆地行走速度达到每小时约29公里.其研制的另一款四足机器人AlphaDog (见图3)可以搬运重约180公斤的物品,同时还可以利用感应器朝着指定地点前进,在没有燃料补给的情况下可以步行约32公里[22,23].另外,在仿生机器鱼研究方面,英国ESSEX大学胡豁生教授所领导的机器人团队[24]开发了世界上第一代全自动智能仿生机器鱼,并在英国伦敦水族馆进行了为时两年的表演.在仿飞鸟研究方面,AeroVironment公司研制出一款翼展仅16厘米的可以实现长时间飞行和稳定控制的最小的仿生飞行机器人Nano Hummingbird[25](见图4).
在医疗康复机器人方面,Intuitive Surgical公司率先突破外科手术机器人3D视觉精确定位及多自由度末端操作手结构设计与精确控制问题,于1999年首次发布da Vinci外科手术机器人(见图5),目前该系统在1450余家科研及医院场所得到安装使用[26].智能假肢方面,Ottobock公司自20世纪60年代率先开发出肌电假肢并确立组件式假肢国际标准后,目前在世界范围内提供各类假肢并在自动轮椅方面开展了相关工作[27].日本Cyberdyne公司研发的外骨骼机器人Robot Suit HAL重23kg,续航能力达到2小时40分钟,这款机器人更倾向于辅助老年人、残疾人行走,并赋予一定的负载能力[28].另外Lockheed Martin公司开发的外骨骼机器人HULC面向战场需求,能够辅助士兵抱起最大90千克的负载并以16km/h的速度突击[29].
在助老助残、家用服务机器人方面,机器人主要提供卫生打扫、健康护理、家庭助手等方面服务,目前在卫生清洗机器人方面主要有iRobot公司的Roomba系列吸尘器机器人,Mint公司的Mint机器人,Aquabot公司的Aquabot泳池清洗机器人等.在个人辅助机器人方面,主要有Willow Garage 公司的PR2机器人,Futurerobot公司的FURO机器人等,这些机器人都能够实现一定程度的人机交互功能[30].在辅助行走方面,Independence Technology公司开发的iBOT4000能够实现跨越台阶、上下楼梯等功能[31].
作为一个十分特殊环境下应用的机器人,核工业机器人对于机器人的抗辐射与自动化能力提出了更为苛刻的要求,到目前为止,核极端环境下遥操作机器人的唯一一次成功应用是1998年对欧共体的Tokamak JET装置的内部部件完成的全遥操作的维护任务[32].
1053
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
图5da Vinci外科手术机器人[26]
Figure5The da Vinci surgical robot[26]
2.2国内服务机器人技术研究现状
我国服务机器人产品崭露头角.目前已初步形成了水下自主机器人、消防机器人、搜救/排爆机器人、仿人机器人、医疗机器人、机器人护理床和智能轮椅、烹饪机器人等系列产品,展示出一定的市场前景.仿人机器人进入北京与广州科技馆,体现了综合技术世界前列的水平,其中北京理工大学研制的“汇童”BHR[33]及浙江大学研制的Wu&Kong仿人机器人[34]连续对打乒乓球最高可达110回合,机器人与人对打最高可达140回合,其中的相关传感、伺服、驱动控制技术也得到了发展[35].
在水下机器人方面,2011年7月26日,由中国船舶重工集团公司702所、中国科学院沈阳自动化研究所和声学研究所等多家国内科研机构与企业联合攻关,攻克了中国在深海技术领域的近底自动航行和悬停定位、高速水声通信、充油银锌蓄电池容量等一系列技术难关,设计完成的7000米级“蛟龙号”顺利完成了5000米海试[36,37].另外北京航空航天大学机器人研究所在仿生水下机器鱼方面取得了进展,研制的SPC系列机器鱼在长航时、高机动性等方面获得突破,并应用于水质检测[38].
国内在工业机器人研究方面,主要以企业研究成果为主,如沈阳新松机器人自动化股份有限公司在焊接机器人及自动导引车(AGV)等方面取得重要市场突破[39],哈尔滨博实自动化股份有限公司主要在自动包装与码垛机器人方面进行相关机器人产品开发[40],广州数控设备有限公司研发了自主知识产权的RB系列工业机器人[41],昆山华恒焊接股份有限公司侧重于焊接机器人研究[42],上海沃迪科技联合上海交通大学机器人研究所研制成功了码垛机器人并推向市场[43],值得一提的是,天津大学在并联机器人上取得了重要进展,相关技术获得美国专利[44,45].另外,安徽巨一自动化、海尔哈工大机器人技术有限公司、常州铭赛、苏州博实、南京埃斯顿、安徽埃夫特智能装备、北京博创兴盛、青岛科捷自动化等在工业机器人整体或是核心部件方面也进行了研究和市场化产业推广.
在医疗康复机器人研究方面,北京航空航天大学机器人研究所联合海军总医院,在国内率先进行医疗脑外科机器人研究,突破了机器人机构综合与优化、医学图像处理、导航定位、手术规划等关键技术,于2003年设计出了适合辅助脑外科手术的机器人,截止2008年底已经成功实施5000余例手术[46].模块化创伤骨科机器人获得了医疗器械许可证[47],血管介入手术机器人也进行了临床动物实
1054
中国科学:信息科学第42卷第9期
验[48].重庆金山科技集团于2001年开始在国内最先研发胶囊内镜微机电系统,突破了低功耗图像采集与处理系统设计、近距宽景非球面镜头设计、无线传输设计和封装工艺等关键技术,于2004年初研制成功原理样机并于2005年实现产品定型[49].此外,哈工大机器人所及天津大学也在微创、腹腔外科手术机器人等领域进行了相关研究工作[50,51].包括华中科技大学的肢体康复机器人[52]、上海交通大学的智能轮椅[53,54]、山东建筑大学的中医按摩机器人[55]、北京航空航天大学的床椅一体化机器人[56]等在内的康复机器人都得到了深入的研究与发展.
在教育机器人研究推广方面,上海未来伙伴机器人有限公司于1998年推出全球第一台教育机器人产品AS-MII能力风暴机器人[57].北京博创兴盛科技有限公司于2007年及2009年分别研制成功了面向高校机器人技术教育的“创意之星”模块化机器人教学套件及“未来之星”移动机器人平台[58].
在反恐排爆危险作业机器人研究应用方面,北京博创兴盛科技有限公司研制成功的反恐排爆机器人及车底检查机器人成功应用于北京两会、2008奥运会以及2010亚运会,装备100台套以上并出口[58].沈阳自动化研究所研制成功了可携带侦察机器人、反恐防暴系列机器人、旋翼飞行机器人、超高压输电线路巡检机器人系统等多款特殊环境下工作机器人[59].
值得一提的是,我国在极地科考机器人方面也进行了研究,包括冰雪面移动机器人及低空飞行机器人已经在南极科考中得到了应用[60].而且,国家自然科学基金委员会启动了“视听觉信息的认知计算”重大研究计划,国内多家研究单位进行了智能无人车辆的研究,并进行了中国智能车未来挑战赛,在相关智能感知技术方面获得了突破[61].另外深圳市繁兴科技有限公司联合上海交大、扬州大学率先开展中国菜肴烹饪机器人研制,解决了中国烹饪中独有的烹饪技法工艺实现关键技术,目前正在准备装备部队[62].
3服务机器人前沿关键技术
服务机器人关键技术可从产业与前沿创新两个方面进行划分.服务机器人产业发展共性关键技术包含产品创意与性能优化设计,模块化/标准化体系结构设计,标准化、模块化、高性能、低成本的执行机构,传感器、驱动器、控制器等核心零部件制造,高功率密度能源动力,信息识别与宜人化人机交互,人机共存安全,系统集成与应用,性能测试规范与维护技术等方面;服务机器人前沿创新技术包含仿生材料与结构一体化设计、精密微/纳操作、多自由度灵巧操作、执行机构与驱动器一体化设计、非结构环境下的动力学与智能控制、生机电激励与控制、非结构环境认知与导航规划、故障自诊断与自修复、人类情感与运动感知理解、人类语义识别与提取、记忆和智能推理、多模式人机交互、多机器人协同作业等方面.以下将重点阐述仿生材料与结构、自重构机器人、复杂环境下机器人动力学问题、智能认知与感知、网络化交互及微纳系统等服务机器人涉及的关键技术.
3.1仿生材料与结构
自然界中生物经过亿万年长期进化,其结构与功能已达到近乎完美的程度,实现了机构与功能的统一,局部与整体的协调和统一[63].服务机器人作为机器人的一个重要分支,从仿生学角度出发,吸收借鉴生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,能够为机器人的功能实现提供必要的技术支撑,其中仿生皮肤、人工肌肉及结构驱动一体化设计是当前及未来服务机器人发展的重要课题. 2012年Harvard University的Lauder教授的研究组[64]通过流体实验发现,覆盖上真实的鲨鱼皮将对水中推进的物体起到显著的减阻作用,而且相比覆盖了Speedo泳衣的运动物体,覆盖上鲨鱼皮的运
1055
王田苗等:
服务机器人技术研究现状与发展趋势
Figure6The soft-bodied robot is going through the narrow gap[68].The correspongding runtime is(a)0s,(b)4s, (c)11s,(d)22s,(e)48s,(f)49s,(g)62s and(h)80s.
动物体其前缘旋涡更加前移,前缘旋涡产生的抽吸作用将增加水中运动物体的推进速度,目前这个速度增加了12%.对于这个小组而言,利用微加工技术制造出一种类似的表面结构是这个小组未来要开展的工作.另外意大利Metta等[65]将最新研制的一种电子皮肤,覆盖在人形机器人iCub手掌上,可灵敏地感应到1克重物体的压力,以协助机器人触摸物体.2010年Stanford University的Cutkosky领导的研究团队[66]在仿壁虎机器人Stickybot上主要对机器人脚趾上的粘合剂涂层进行了研究,目前研发了一种20微米宽的多聚材料黏合微丝,但负载量很大,往Stickybot专用脚上涂抹该材料,能够保证其能在竖直的木板、涂漆金属和玻璃上行走自如.由于此黏合剂是单向作用的,未来Stickybot将装上旋转关节,以便实现各向快速移动.University of California,Berkeley的Takei等[67]由硅制成的电子皮肤能感应0～15kPa的压力,这种触觉压力相当于人们在键盘上打字产生的效果,对于未来机器人外表设计有直接的借鉴意义.在仿生结构运动方面,仿鱼尾巴摆动机构效率主要面临着电机驱动效率的制约[38],灵巧手除了传统的手指性状模式外,仿生物的柔性驱动目前正成为一种趋势,Harvard University的Whitesides带领的研究小组[68,69]在软体机器人方面进行了突破性研究,研制了一个长约12.7cm的机器人,其四肢可以各自独立操控,通过人工或计算机自动控制将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动（见图6）.该机器人当前必须依靠一条外接电源线供电,未来将找到一种能够实现电源内置方法.目前来看,仿生材料与机构能够为未来机器人实现多功能高效率发展提供必要的技术储备,一个很重要的问题是必须具备相应的光机电微纳加工工艺及传感驱动执行一体化设计能力,这对于仿生结构材料的未来应用至关重要.
1056
中国科学:信息科学第42卷第9期
3.2模块化自重构
模块化自重构机器人通过对多个单一的模块化智能单元进行可变构形设计、运动规划及控制,以达到提升机器人运动能力、负载能力及对环境适应能力的效果[70].自重构机器人的核心问题主要体现在模块的几何拓扑分布及相应的整体刚度.在自重构机器人的几何拓扑分布研究方面,Cornell University的Zykov等[71,72]从理论上证明了任意尺寸自重构机器人的存在性,并于2005年设计的Molecubes模块化机器人从物理上证明了运动可重构.MIT的Rus等[73,74]于2006年设计了Miche 晶格式模块化机器人,实现了任意形状的组建,该团队偏重于随机控制进行自重构,并将随机组织控制理论引申到智能交通方面.Ecole Polytechnique F′e d′e rale de Lausanne(EPFL)的Ijspeert等[75]基于未来智能家具能够根据人类的要求自动变化的设想,于2009年搭建了Roombots模块化机器人平台,目前通过随机优化算法对中央模式发生器进行了运动控制优化,未来将利用传感反馈以提高运动效率与鲁棒性,同时将对室内的导航问题进行深入研究.另一方面,Roombots为了实现智能家具,其整体结构的刚度问题是未来应用的一个核心问题.White等[76]对具体的刚性链接的模块化结构进行抽象处理,对模块间的连接处以考虑非线性特性的刚度矩阵表示,并以数值优化方法对给定拓扑结构的自重构机器人进行连接刚度的计算与分析,未来将考虑非刚性连接的模块化机器人.另外,北京航空航天大学魏洪兴等[77]于2010年利用多个具有自主移动能力的小型模块机器人进行自重构研究,划分了机器人漫游、导航、自主接驳及移动4个运动行为,未来将在机器人与外界环境的动力学交互方面进行研究.从自重构机器人发展的初衷来看,未来自重构机器人面临着大规模机载并行计算及结构化或是非结构化环境下长时间完全自主能力实现的挑战.
3.3复杂环境下机器人动力学控制
随着人类探索空间的扩大及对任务需求的提高,未来服务机器人的工作环境将是复杂多变的,高动态性、高适应性、高负载能力是服务机器人特别是户外机器人发展的方向之一.以机械臂为代表的工业机器人必须满足对高负载及高速的双重需求,但是高负载与高速将给机器人带来额外的影响,一方面是对外部运动生成器提出更高的要求,其生成的指令必须是内环伺服控制器能够有效执行的;另一方面,大负载高速运动引起内部摩擦等非线性因素放大,如此,传统的动力学将不适合这种情况,对控制器的设计将提出更高要求[78,79].以四足机器人BigDog为代表的战场复杂地形环境下移动机器人则诠释着机器人动力学控制的精髓.BigDog四足机器人在复杂地形移动时,通过自身携带的传感设备实时感知与周边环境的作用力,内部核心位姿控制器能够通过每条腿与地面接触的反应力来协调腿部运动学,核心问题包括四足机器人的运动学及全状态动力学精确建模用以生成步态及控制器设计[80～83].
3.4智能认知与感知
智能认知与感知是机器人与人、机器人与环境进行交互的基础,目前与服务机器人密切相关的智能认知感知技术包括脑生肌电认知、城市环境下移动机器人对环境的感知与识别以及智能空间等3方面.在脑生肌电认知方面,研究者主要是希望通过脑波、肌肉神经信号帮助残障人士操作智能轮椅、假肢等器具,以恢复其肢体功能.其中由Darpa资助的功能假肢DEKA Arm项目的研究人员[84,85]在Nature上介绍了通过建立一种神经界面将大脑皮层神经活动翻译成能够操纵辅助装置的控制信号,从而恢复瘫痪者的运动能力和独立生活能力.而且证明了长期瘫痪或中枢神经受到损伤的人可以通过神
1057
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
图7DEKA Arm辅助瘫痪患者饮食[84]
Figure7DEKA Arm assisted the paralyzed patient’s diets[84]
图8Google自动驾驶汽车上路行驶[88]
Figure8Google’s self-driving car on the road[88]
经信号恢复控制复杂装置的能力(见图7).Rebsamen等进行脑电波控制轮椅移动时,通过对已知环境的特定目标的路径进行规划,而使用者只需要集中于数量有限的目标,这样能够降低由于使用者注意力过度集中引起的疲劳,并提高轮椅移动的正确率[86].
在城市环境下移动机器人对环境的感知与识别方面,主要是为提高无人系统的自主能力提供技术支持.典型的代表是Thrun带领的Google的自动驾驶汽车项目[87,88](见图8),通过集成机载激光雷达,惯性导航设备获得自动汽车实时的位置与交互环境数据,通过机载任务控制计算机进行实时路径规划并行为决策,最终实现了实际道路的全程自主驾驶,并获得了Nevada的上路驾驶许可.另外,美军最新的无人系统路线图中期望无人系统能够具备自主避障并降低对GPS信号的依赖[4],鉴于此,国外一些研究机构将机器视觉、超声、激光雷达等多传感器进行了信息融合,以期得到无人系统在未知复杂环境下的位姿信息,并重建地图,达到自主躲避功能.其中,Koray等[89]于2009年通过直升机上一个单目相机识别室内地标建立室内SLAM算法实现飞行器在廊道里的自主飞行,未来工作将侧重于算法效率的提高,并对诸如楼梯等更为复杂的环境信息进行获取重建以得到一幢楼宇或是一片地
1058
中国科学:信息科学第42卷第9期
区的可供飞行器导航的信息.CMU的Scherer等[90]于2009年利用激光雷达并采用evidence gird方法构建3D地图以感知未知环境,实现直升机低空完全自主避障飞行.
智能空间是以传感器网络为基础,目前主要是为医护人员实时监测在一个固定空间内活动的老年人或病人的身体状况提供技术支持.Helal等[91]为实现对糖尿病患者的行为监测,建立了一个包括传感器硬件层、原始数据层、数据融合层、数据分析层及决策层5层结构的智能空间,具有灵活扩展、自集成、远程监控与自动模型生成分析等特点,已经在两处地方进行了人员饮食起居等活动的检查分析,依据现有准则,行为识别准确率达到了98%,未来将在行为准则判据上进行深入研究.目前,智能空间研究主要集中在传感器组网通讯、高效环境信息提取重建、数据源与服务集成等方面[92,93].
值得一提的是,人形机器人ASIMO的最新展示表明其能够通过视觉自主躲避障碍物并同时具有识别3个人不同声音的人机交互能力[20],总体而言,这些感知识别技术在高效计算与精确识别方面有着巨大的发展空间,未来智能认知与感知主要是在传感器技术发展的基础上,进行大量数据有效分类、归纳,并提取可靠有效信息,凝聚成反映人–机–环境交互关系的特征数据网,并结合人工智能的发展及高效能计算能力的实现,为服务机器人的智能化发展提供基础保障.
3.5多模式网络化交互
机器人多模式网络化交互,主要体现在两个方面,一是机器人之间的组网协调,包括单一类型机器人群体及多类型机器人群体协作问题.另一方面是MEMS技术、应用软件及网络通讯新技术的发展催生出的新型人机交互模式.在单一类型机器人群体的交互研究方面,MIT的Schwager等[94]应用一致学习控制算法于地面群体机器人实现相对于局部未知环境下目标传感源的收敛分布,这类机器人的行为属性较为一致,在局部通讯规划决策上比较容易得到一致描述.在多类型机器人群体协作上,群体的行为属性增加,决策层更为复杂,University of California,Berkeley的Sastry等[95]以地面移动机器人及空中飞行机器人为主体,设计了追逃场景,通过分层策略实现了空旷环境下的机器人协同通讯与移动控制.2011年University of Brussels的Dorigo等[96]通过在室内设计由包括空中机器人、地面机器人、执行机器人在内3种不同机器人协同完成取书任务,首次表明了结构化未知环境下多种类机器人群体的协同搜救能力,未来将进行非同类群体机器人严格的行为数学描述及分层多向控制与通讯研究.此外,以体感游戏、3G网络交互为代表的新型人机交互模式亦为服务机器人发展提供相应的技术支撑.其中体感游戏主要是通过集成MEMS传感器、计算机视觉识别、短距离无线通讯、包含肢体功能的视频游戏等为一体,在娱乐的同时促进用户肢体运动,以达到休闲或是物理康复的目的[97,98].相比较于2G网络,3G网络由于能够提供更高的传输速度,而且3G网络模块能够保证在移动时的数据传输速度,因此基于3G网络的远程人机交互在机器人中延迟更小,而且能够提供更为丰富的信息[99,100].
3.6微纳系统
服务机器人的一个重要应用是希望其能够在狭小空间里开展探测或是执行任务.目前,微纳型医疗机器人及军用侦察机器人正成为服务机器人研究的一个热点,而其核心技术在于创新并集成多功能低功耗传感及驱动模块.2011年瑞士Eidgen¨o ssische Technische Hochschule Z¨u rich(ETH Zurich)的Nelson等[101]首次提取眼内投影映射关系,并应用于基于CAD模型建立的定位模型,设计了3mm 大小的微型眼科机器人,利用无线电磁技术实现了机器人三维空间精确控制.2011年AeroVironment 公司集成微传感、微驱动技术,研制成功翼展16.5cm,总重18.7g的微型稳定无人扑翼飞行器,现速
1059
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
2 mm
500 μm200 μm
图9基于pop-up工艺加工微型机器蜜蜂[103]
Figure9The tiny robot bee fabricated based on the pop-up method[103]
度可达4.9m/s,同时可持续飞行8min[25].Harvard University的Wood等[102,103]目前正采用一种pop-up工艺加工尺寸小于3cm的微型仿蜜蜂扑翼机器人(见图9),该机器人未来将安装微纳传感控制器以实现最终的稳定飞行控制.
4服务机器人发展趋势与展望
在世界范围内,机器人技术作为战略高技术,无论推动国防军事、智能制造装备、资源开发,还是发展未来服务机器人产业,美国、日本、欧洲等都十分重视其发展.一方面,中国工业生产型机器人需求强劲,有望形成一定规模的产业;另一方面,服务性机器人产品形态与产业规模还不清晰,需要结合行业地方经济与产业需求试点培育.尽管如此,服务机器人在服务于国家安全、重大民生科技等工程化产品应用,及与此相适应的模块化标准和前沿科技创新研究发展上有着迫切需要.
服务机器人技术发展主要趋势为智能化、标准化、网络化.具体为:由简单机电一体化装备,向以生机电一体化和多传感器智能化等方面发展;由单一作业,向服务机器人与信息网络相结合的虚拟交互、远程操作和网络服务等方面发展;由研制单一复杂系统,向将其核心技术、核心模块嵌入于高端制造等相关装备方面发展.另外服务机器人的市场化要求家庭化、模块化、产业化成为未来服务机器人应用发展的趋势.
服务机器人技术越来越向智能机器技术与系统方向发展,其应用领域向助老助残、家用服务、特种服务等方面扩展,在学科发展上与生机电理论与技术、纳米制造、生物制造等学科进行交叉创新,研究的科学问题包含新材料、新感知、新控制和新认知等方面.而涉及服务机器人的需求与创新、产业、服务及安全之间的辩证关系依然是其发展的核心原动力与约束力.
(1)需求与创新.缺乏机器人先进适用的核心技术与部件突破,包括仿生材料与驱动构件一体化设计制造技术,智能感知、生机电信息识别与人机交互技术,不确定服役环境下的动力学建模与控制技术,多机器人协同作业、智能空间定位技术等方面,同时没有形成和开放相对统一体系结构标准、软硬件分裂.
(2)需求与产业.学界与产业界缺乏对服务机器人明确的产品功能定义;消费者对服务机器人产品价格(性价比)的敏感;企业看不见有一定批量的不可替代实用化功能的机器人产业带动;缺乏行业标
1060
中国科学:信息科学第42卷第9期
准,产品面市前尚需国家有关方面及时理顺市场准入机制,制订行业标准、操作规范以及服务机器人评价体系.
(3)需求与服务.围绕客户需求,以深化和拓展应用、优化服务、延伸产业链为目标,鼓励应用技术和服务技术的研发;创新服务模式,通过政策杠杆促进新的商业模式的形成,培育服务消费市场,推进机器人服务业的发展;发展机器人租赁业,采用租赁方式有利于减少用户购买产品的风险,通过出租可增加与顾客接触的机会,掌握顾客的需求,增加销售机会;发展机器人保险,设置相应的保险机制,保险由于服务机器人安全问题,对产业可持续发展带来问题,包括服务机器人系统、软件、机器人的外围设备等.
创新服务机器人服务业的发展模式.促进服务机器人的终端消费,大力推广服务机器人产品,使广大消费者更多地了解并使用服务机器人产品.稳步推进私人购买服务机器人的补贴试点,在促进服务机器人产业产品的消费上给予更大支持.大力支持服务机器人的服务市场拓展和商业模式创新,创新产业的收入模式,注重从客户角度出发,提供独特的、个性化的、全面的产品或服务,促进技术进步和产业升级.努力建设服务机器人应用示范基地,以机器人的一体化生产、综合利用下游产业链、产品商业化,特别是以各种政策作为主要示范内容.由政府搭建某些公益性服务机器人的示范平台,并且具备良好的配套措施.
(4)需求与安全.基于安全体系标准,制定服务机器人的安全体系法律法规,包括使用者的安全、服务机器人本身的安全以及服务机器人对于人类社会的安全要求等;通过广泛的讨论适时推出服务机器人安全与道德准则,以立法的形式规范人类对服务机器人的制造和使用,确定人类与服务机器人之间的关系,防止人类与服务机器人之间的“虐待”或伤害,明确规定人类与服务机器人的权利、义务与责任.定义服务机器人的行为规范,包括如下内容:Issac Asimov机器人三大定律、防止滥用与虐待服务机器人、在使用服务机器人过程中有可能涉及到的其他道德、伦理与情感依赖等社会问题.
5结论
研究服务机器人产业基础框架与核心技术,发展服务机器人战略性新兴产业,对促进我国机器人自主创新体系的建立,适应“机器人进入千家万户”的产业发展趋势,将产生深远的影响,应对我国老龄化社会、建设和谐社会等,具有重要的战略性、前瞻性和引导性.
服务机器人作为一个具有巨大社会关注度的、特色鲜明的典型高新技术,是21世纪高技术制造业与现代服务业的重要组成部分,也是我国高科技产业发展的一次重大机遇,对于提升国家核心竞争力具有重要战略意义.
致谢我国服务机器人发展得到了国务院发展研究中心、国家科技部高新计划发展及产业化司、科技部高技术发展研究中心的大力支持,同时我国的机器人领域专家同行也为这一新兴战略产业的发展贡献自己的一份力量,在此,作者表示深深的敬意.由于作者知识有限,其中的不足之处请各位专家学者批评指正.
参考文献
1International Federation of Robotics.Service robots.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/service-robots/
1061
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
2The Central People’s Government of the People’s Republic of China.National medium and long-term program for science and technology development.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/jrzg/2006-02/09/content183787.htm[中国政府门户网.国家中长期科学和技术发展规划纲要.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/jrzg/2006-02/09/content183787.htm]
3An X J,Shi Y B,Dai B,et https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,itary ground robots.Ref Period Natl Def Technol,2000,2:10–14[安向京,施燕斌,戴斌,等.美军地面机器人.国防科技参考,2000,2:10–14]
4O?ce of the Under Secretary of Defense for Acquisition,Technology,and Logistics.UMS integrated roadmap2009.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/psa/docs/UMSIntegratedRoadmap2009.pdf
5Royal United Services Institute.Robotics strategy white paper.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,
6U.S.Department of Defense.Future combat system(FCS)program transitions to army brigade combat team mod-ernization.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/releases/release.aspx?releaseid=12763
7The U.S.Navy.The navy undersea vehicle(UUV)master plan.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/navydata/technology/uuvmp.pdf 8National Science Foundation.National robotics initiative(NRI).https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/funding/pgm summ.jsp?pims id= 503641&org=CISE
9New Energy and Industrial Technology Development Organization.NEDO projects:industrial technologies.http:// www.nedo.go.jp/english/activities nedoprojects machine.html
10European Commission.Research&innovation FP7.http://ec.europa.eu/research/fp7/pdf/fp7-factsheets en.pdf
11European Robotics Research Network.Research roadmap2.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/activities/moreroadmap
12Korea IT Times.MIC policy–robots as perfect companions.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/story/2969/mic-policy-robots-perfect-companions
13Korea IT Times.Korea aims to be one of the world’s top three robot powerhouses by2013.http://www.koreaittimes.
com/story/11251/korea-aims-be-one-world%E2%80%99s-top-three-robot-powerhouses-2013
14Robotics Trends.Korea puts$750M in robotics,aims to lead market by2018.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/article/ print/korea to put750m in robotics industry
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html, online exhibitions.Automation online exhibition.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/automation21xx
16International Federation of Robotics.World robotics2011service robots.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/service-robots/statistics/ 17National Science Library,Chinese Academy of Sciences.Robot patent analysis report,2010[中国科学院国家科学图书馆.机器人专利分析报告,2010]
18Northrop Grumman.RQ-4block10global hawk.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/products/ghrq4a/
19Ross P E.When will software have the right stu??IEEE Spectr,2011,48:38–43
20Honda.Honda unveils all-new ASIMO with signi?cant advancements.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/news/2011/c111108All-new-ASIMO/index.html
21Asfour T,Yokoi K,Lee C S G,et al.Humanoid robotics.IEEE Robot Autom Mag,2012,19:108,118
22Li Y B,Li B,Ruan J H,et al.Research of mammal bionic quadruped robots:A review.In:Proceedings of the IEEE Conference on Robotics,Automation and Mechatronics(RAM),Qingdao,2011.166–171
23Boston Dynamics.BigDog-the most advanced rough-terrain robot on earth.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,
24Hu H.Biologically inspired design of autonomous robotic?sh at Essex.In:Proceedings of the IEEE SMC UK-RI Chapter Conference,on Advances in Cybernetic Systems,She?eld,2006.3–8
25Aero Viroment.Nano hummingbird.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/nano
26Intuitive Surgical.The da Vinci surgical system.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/products/davinci surgical system/ 27Ottobock.Ottobock-Home.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/
28Cyberdyne.Robot suit HAL.http://www.cyberdyne.jp/english/
29Lockheed Martin.HULC.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/products/hulc/
30Gonz′a lez I,Fern′a ndez M,Maestre J,et al.Service robotics within the digital home:Applications and future prospects.
Springer,2011
31Independence Technology.iBOT mobility system.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/
32Rolfe A C.Remote handling-JET experience.Nucl Energy,1999,38:277–287
33The Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China.The High-tech Secretaries of the Ministry of Science and Technology go to the Beijing Institute of Technology to survey the research progress of humanoid robot.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/kjbgz/201101/t2011012184460.htm[中华人民共和国科学技术部.科技部高新司前往北京理工大学调研仿人机器人研究进展.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/kjbgz/201101/t2011012184460.htm]
1062
中国科学:信息科学第42卷第9期
34Xinhua net.Zhejiang University has developed a humanoid robot that can play pingpong.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ edu/2011-10/10/c122136438.htm[新华网.浙江大学研制出能打乒乓球的仿人机器人.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/edu/ 2011-10/10/c122136438.htm]
35China Network Television.The key components of our humanoid robot has gained a breakthrough.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,tv.
cn/20120417/110952.shtml[中国网络电视台.我国仿人机器人关键部件取得突破性进展.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/20120417/ 110952.shtml]
36Baidu Baike.Jiaolong manned submersible.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/view/3767835.htm[百度百科.蛟龙号载人潜水器.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/view/3767835.htm]
37Liu F,Cui W C,Li X Y.China’s?rst deep manned submersible,JIAOLONG.Sci China Earth Sci,2010,40:1617–1620 [刘峰,崔维成,李向阳.中国首台深海载人潜水器——蛟龙号.中国科学:地球科学,2010,40:1617–1620]
38Liang J H,Wang T M,Wen L.Development of a two-joint robotic?sh for real-world exploration.J Field Robot,2011, 28:70–79
39SIASUN Robot&Automation Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/[沈阳新松机器人自动化股份有限公司.http://www.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/]
40Harbin BOSHI Automation Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/[哈尔滨博实自动化设备有限责任公司.http://www.boshi.
cn/]
41GSK Cnc Equipment Co.,Ltd.GSK RB serials industrial robots.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/robot.asp[广州数控.广州数控RB系列工业机器人.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/robot.asp]
42Kunshan Huaheng Welding Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/[昆山华恒焊接股份有限公司.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/]
43Shanghia Wodi Automation Equipment co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/Index.aspx[上海沃迪自动化装备股份有限公司.沃迪机器人.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/Index.aspx]
44Huang T,Chetwynd D G,Mei J P.Tolerance design of a2-DOF over-constrained translational parallel robot.IEEE Trans Robot,2006,21:167–172
45People’s Daily Online.Tianjin university’s parallel robot mechanism has been the United States patent.http://www.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/2006/10-13/426131233123675.html[人民网.天津大学“并联机器人机构”技术获美国专利.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/2006/10-13/426131233123675.html]
46Tian Z M,Lu W S,Wang T M.Application of a robotic telemanipulation system in stereotactic surgery.Stereotact Funct Neurosurg,2008,86:54–61
47Science and Technology Daily.Bi-planar orthopaedic surgery robot:To promote the upgrading of medical equipment industry.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/kjrb/content/2011-01/17/content265998.htm[科技日报.双平面骨科手术机器人:促进医疗器械产业升级换代.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/kjrb/content/2011-01/17/content265998.htm]
48Wang T M,Zhang D P,Liu D.Remote-controlled vascular interventional surgery robot.Int J Med Robot Comput Assist Surg,2010,6:194–201
49Chongqing Jinshan Science&Technology Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,[重庆金山科技集团有限公司.http:// https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,]
50Sun Y S,Wu D M,Du Z J,et al.Robot-assisted needle insertion strategies based on liver force model.Robot,2011, 33:66–70[孙银山,吴冬梅,杜志江,等.基于肝脏力模型的机器人辅助进针策略.机器人,2011,33:66–70]
51Wang S X,Wang X F,Zhang J X,et al.A new auxiliary celiac minimally invasive surgery robot:“MicroHandA”.
Robot Tech Appl,2011,4:17–21[王树新,王晓菲,张建勋,等.辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”.机器人技术与应用,2011,4:17–21]
52Xiong C H,Jiang X Z,Sun R L,et al.Control methods for exoskeleton rehabilitation robot driven with pneumatic muscles.Ind Robot,2009,36:210–220
53Wang J C,Chen W D.Design and implementation of multi-sensor based autonomous wheelchair.J Nanjing Univ SciTechnol,2009,33:104–109[王景川,陈卫东.基于多传感器的智能轮椅设计与实现.南京理工大学学报,2009,33:104–109] 54Wang Y,Chen W D,Wang J C.Hybrid map-based navigation for intelligent wheelchair.In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA),Shanghai,2011:637–642
55Gao H B,Lu S Y,Wang T,et al.Research and development of Chinese medical massage robot.Robot,2011,33: 553–562[高焕兵,鲁守银,王涛,等.中医按摩机器人研制与开发.机器人,2011,33:553–562]
1063
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
56Xinhua net.The assistant robot for the older has?nished the demonstration application in Haidian sijiqing gerocomium.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/bjpd sdzx/2012-02/17/content24728684.htm[新华网.“助老机器人”在海淀四季青敬老院示范应用.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/bjpd sdzx/2012-02/17/content24728684.htm]
57Shanghai xPartner Robotics Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/[上海未来伙伴机器人有限公司.http://www.xpartner.
cn/]
58The Robotic Department of Beijing Universal Pioneering Technology Co.,Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ch/index.
asp[北京博创兴盛科技有限公司机器人事业部.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ch/index.asp]
59Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Science.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/[中国科学院沈阳自动化研究所.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/]
60Xinhua net.The Ministry of Science and Technology:Our country’s polar expedition robots has been successfully ap-plied in the Antarctic scienti?c expedition.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/politics/2008-01/23/content7476605.htm[新华网.科技部:我国极地科考机器人南极科考中初试成功.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/politics/2008-01/23/content7476605.
htm]
61Xi’an Jiaotong University.Cognitive calculation of visual and auditory information.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/mes.do?
method=list[西安交通大学.视听觉信息的认知计算.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/mes.do?method=list]
62Shenzhen Pansum Science&Techology Co.Ltd.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ch/[深圳市繁兴科技有限公司.http://www.
https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ch/]
63Liu K S,Jiang L.Research progress on biomimetic structural and functional materials.Chinese Sci Bull(ChineseVer), 2009,54:2667–2681[刘克松,江雷.仿生结构及其功能材料研究进展.科学通报,2009,54:2667–2681]
64Oe?ner J,Lauder G V.The hydrodynamic function of shark skin and two biomimetic applications.J Exp Biol,2012, 215:785–795
65Natale L,Nori F,Metta G,et al.The iCub platform:a tool for studying intrinsically motivated learning.In: Baldassarre G,Mirolli M,eds.Intrinsically Motivated Learning in Natural and Arti?cial Systems.Berlin:Springer-Verlag,2012
66Soto D,Hill G,Parness A,et al.E?ect of?bril shape on adhesive properties.Appl Phys Lett,2010,97:053701
67Takei K,Takahashi T,Ho J C,et al.Nanowire active-matrix circuitry for low-voltage macroscale arti?cial skin.Nat Mater,2010,9:821–826
68Shepherd R F,Ilievski F,Choi W,et al.Multi-gait soft robot.PNAS,2012,doi:10.1073/pnas.1116564108
69Martinez R V,Fish C R,Chen X,et al.Elastomeric origami:Programmable paper-elastomer composites as pneumatic actuators.Adv Funct Mater,2012,22:1376–1384
70Yim M,Shen W M,Behnam S L,et al.Modular self-recon?gurable robot systems.IEEE Robot Autom Mag,2007, 14:43–52
71White P,Zykov V,Bongard J,et al.Three dimensional stochastic recon?guration of modular robots.In:Proceedings of Robotics Science and Systems,Cambridge,2005
72Zykov V,Mytilinaios E,Adams B,et al.Self-reproducing machines.Nature,2005,435:163–164
73Gilpin K,Kotay K,Rus D,et al.Miche:modular shape formation by self-disassembly.Int J Robot Res,2008,27: 345–372
74Lim S,Balakrishnan H,Gi?ord D,et al.Stochastic motion planning and applications to tra?c.Int J Robot Res, 2011,30:699–712
75Spr¨o witz A,Pouya S,Bonardi S,et al.Roombots:recon?gurable robots for adaptive furniture.IEEE Comput Intell Mag,2010,5:20–32
76White P J,Revzen S,Thorne C E,et al.A general sti?ness model for programmable matter and modular robotic structures.Robotica,2011,29:103–121.
77Wei H X,Chen Y D,Tan J D,et al.Sambot:a self-assembly modular robot system.IEEE-ASME Trans Mechatron, 2011,16:745–757
78Yang C F,Huang Q T,Jiang H Z,et al.PD control with gravity compensation for hydraulic6-DOF parallel manipulator.
Mech Mach Theory,2010,45:666–677
79You W,Kong M X,Sun L N,et al.Control system design for heavy duty industrial robot.Ind Robot,2012,39
80Raibert M,Blankespoor K,Nelson G,et al.BigDog,the rough-terrain quadruped robot.In:Proceedings of the17th World Congress,Seoul,2008.10822–10826
1064
中国科学:信息科学第42卷第9期
81Wooden D,Malchano M,Blankespoor K,et al.Autonomous navigation for BigDog.In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,Anchorage,2010.4376–4381
82Kalakrishnan M,Buchli J,Pastor P,et al.Fast,robust quadruped locomotion over challenging terrain.In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,Anchorage,2010.2665–2670
83Kalakrishnan M,Buchli J,Pastor P,et al.Learning,planning,and control for quadruped locomotion over challenging terrain.Int J Robot Res,2011,30:236–258
84Hochberg L R,Bacher D,Jarosiewicz B,et al.Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm.Nature,2012,485:372–375
85Kuiken T A,Li G L,Lock B A,et al.Targeted muscle reinnervation for real-time myoelectric control of multifunction arti?cial arms.J Am Med Assoc,2009,301:619–628
86Rebsamen B,Guan C T,Zhang H H,et al.A brain controlled wheelchair to navigate in familiar environments.IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng,2010,18:590–598.
87Montemerlo M,Becker J,Bhat S,et al.Junior:the Stanford entry in the urban challenge.J Field Robot,2008,25: 569–597
88Guizzo E.How Google’s self-driving car works.IEEE Spectrum Online,October18,2011.https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,/ automaton/robotics/arti?cial-intelligence/how-google-self-driving-car-works
89Celik K,Chung S J,Clausman M,et al.Monocular vision SLAM for Indoor Aerial vehicles.In:Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems.St.Louis,2009.1566–1573
90Scherer S,Singh S,Chamberlain L,et al.Flying fast and low among obstacles:methodology and experiments.Int J Robot Res,2008,27:549–574
91Helal A,Cook D J,Schmalz M.Smart home-based health platform for behavioral monitoring and alteration of diabetes patients.J Diabetes Sci Technol,2009,3:141–148
92Honkola J,Laine H,Brown R,et al.Smart-M3information sharing platform.In:Proceedings of the IEEE Symposium on Computers and Communications(ISCC2010),Riccione,2010.1041–1046
93Park J H,Denko M,Bellavista,P.Editorial:smart space technological developments.IET Commun,2011,5:2431–2433.
94Schwager M,McLurkin J,Slotine J E,et al.From theory to practice:distributed coverage control experiments with groups of robots.In:Proceedings of the11th International Symposium on Experimental Robotics(ISER08),Athens, 2008.127–136
95Kim H J,Vidal R,Shim D H,et al.A hierarchical approach to probabilistic pursuit-evasion games with unmanned ground and aerial vehicles.In:Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control,Shanghai,2001.634–639 96Dorigo M,Floreano D,Gambardella L M,et al.Swarmanoid:a novel concept for the study of heterogeneous robotic swarms.IEEE Robot Autom Mag,2012
97Ustinova K I,Leonard W A,Cassavaugh N D,et al.Development of a3D immersive videogame to improve arm-postural coordination in patients with TBI.J Neuro Eng Rehabil,2011,8:61,doi:10.1186/1743-0003-8-61
98Steven J,Nichols V.Game-console makers battle over motion-sensitive https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,puter,2009,42:13–15
99Garawi S,Istepanian R S H,Abu-Rghe?M A.3G wireless communications for mobile robotc tele-ultrasonography systems.IEEE Commun Mag,2006,44:91–96
100Spelta C,Manzoni V,Corti A,et al.Smartphone-based vehicle-to-driver/environment interaction system for motor-cycles.IEEE Embed Syst Lett,2010,2:39–42
101Bergeles C,Kratochvil B E,Nelson B J.Model-based localization of intraocular microrobots for wireless electromagnetic control.In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA2011),Shanghai, 2011.2617–2622
102Whitney J P,Sreetharan P S,Ma K,et al.Pop-up book MEMS.J Micromech Microeng,2011,21:115021
103Sreetharan P S,Whitney J P,Strauss M D,et al.Monolithic fabrication of millimeter-scale machines.J Micromech Microeng,2012,22:055027
1065
王田苗等:服务机器人技术研究现状与发展趋势
Research status and development trends of the service
robotic technology
WANG TianMiao,TAO Yong?&CHEN Yang
Robotics Institute,Beihang University,Beijing100191,China
*E-mail:taoy@https://www.sodocs.net/doc/9b18395767.html,
Abstract After thirty years’development,the service robots have achieved important results in the interdisci-plinary aspect involving mechanical engineering,information,material,control as well as medicine.In combination with our relative research work in the?eld of service robots,in this paper,we review the research and development status of the service robotic technologies based on the analysis about the current development of the service robots at home and abroad.The key technologies include the biomimetic materials and structure for more e?cient and compact design,the self-recon?guring modular robots with more strong survival ability,the robotic dynamics under the complex environments,the intelligent cognitive and perception for more information,the networked interaction for more complex tasks,the micro-nano robotic systems used in tiny space and so on.Finally,we think that the dialectical relationships between the needs and the innovation,the industry,the service and the safety are the core driving and binding forces which will in?uence the development of the service robots signi?cantly. We hope this paper will not only grasp the development trends of the international advanced service robots,but also provide related theory,method and technology for our country’s service robotic industry.
Keywords service robots,biomimetic materials and structure,self-recon?guring modular,robotic dynamics, intelligent cognitive and perception,networked interaction,micro-nano systems
W ANG TianMiao was born in1960. He received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical Univer-sity,Xi’an in1990.Currently,he is a Professor at Beihang University.His research interests include bionic mecha-nism,medical surgical robots and elec-tromechanical integration for advanced robots.
CHEN Yang was born in1985.He received the B.S.degree in School of Mechanical Engineering and Automa-tion from Beihang University in2007, where he is currently working toward the Ph.D.degree.His research inter-ests include modeling,identi?cation and control of unmanned air vehi-cles.TAO Yong was born in1979.He received the Ph.D.degree in School of Mechanical Engineering and Automa-tion from Beihang University in2009. Currently,he is a Lecturer at Beihang University.His research interests in-clude industry robot for aircraft assem-bly,indoor service robot,environmental perception and learning.
1066