研究生课程论文机器人研究报告.docx

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研究生课程论文机器人研究报告

服务机器人研究报告

摘要：

机器人技术的研究已从传统的工业领域扩展到医疗服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救援等新领域，并快速发展。

而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，同时机器人技术代表一个国家的高科技水平和自动化程度，了解和分析国内外的研究现状和最新进展有助于加快我国服务机器人行业的发展。

本学习研究报告在分析服务机器人国内外研究现状和最新进展的基础上，介绍了服务机器人的当前运用的一些关键性技术及其发展过程中的一些重要问题，探讨服务机器人的发展趋势，希望在学习机器人技术这们课程的同时，把握国际服务机器人前沿技术发展动态，对我国服务机器人产业的发展有所了解，对未来服务机器人的发展趋势作出展望。

关键词：

服务机器人；研究现状；发展趋势；关键技术

Abstract：

Theresearchesofrobottechnologyaremovingfromthetraditionalindustrytomedicalservice,educationandentertainment,explorationandexploitation,bio-engineering,rescue,etc.,andtherelatedtechnologydevelopsrapidly.Butafterthirtyyears’development,theservicerobotshaveachievedimportantresultsintheinterdisciplinaryaspectinvolvingmechanicalengineering,information,material,controlaswellasmedicine.Thetechnologyoftherobotrepresentsanationalhigh-techlevelandthedegreeofautomation.ItishelpfultodeveloptheindustryofservicerobotsinChinaifweknowthecurrentsituationanddevelopmenttrendofservicerobotsresearchclearly.Thisstudyreportontheanalysisofservicerobot,onthebasisofdomesticandforeignresearchpresentsituationandthelatestprogressofservicerobotispresentedinthepaperthecurrentuseofsomekeytechnologyanditsdevelopment,someimportantproblemsintheprocessofdiscussthedevelopmenttrendofservicerobots,hopeinthecourseofstudyingrobottechnologythatareatthesametime,tograsptheinternationalforefrontofservicerobottechnologydevelopmentdynamics,thedevelopmentofservicerobotindustryinChina,lookingtothefuturetrendofthedevelopmentofservicerobots.

Keywords:

servicerobot;Theresearchstatus;Thedevelopmenttrend;Thekeytechnology

1绪论

1.1服务机器人定义/内涵及分类

国际机器人联合会（InternationalFederationofRobotics,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。

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”国际机器人联合会对服务机器人按照用途进行分类，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。

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daVinci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（JointRoboticsProgram）；美国国防部《无人系统路线图（2009∼2034年）》；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》；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）；美国海军2004年9月《无人水下航行器UUV总体规划》；以及2011年6月美国总统Obama在CMU讲话看，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。

（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；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（EuronResearchRoadmaps）。

（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，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）;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）。

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，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服务机器人最新研究现状

2.1国外服务机器人的最新发展与研究现状

（1）家用服务机器人

家庭机器人，也叫家政机器人，也称为家庭服务机器人，家政服务机器人，是指能够完成一些家庭杂务的机器人。

家庭服务机器人是目前最有可能进入千家万户的服务机器人。

根据国际机器人联合会（IFR）的分类，家务机器人包括机器人管家、伴侣、助理、类人型机器人、吸尘器机器人、地板清洁机器人、修剪草坪机器人，水池清理机器人、窗户清洁机器人等。

近年来，个人、家用服务机器人研究和应用在一些发达国家得到快速的发展。

在日本，推动家用机器人产业已成为日本政府既定国策。

日本经济产业省为10年到30年后的科技发展做了规划，并制作了“技术战略蓝图”。

根据这个预想，家庭生活中将出现的最大变化，就是机器人的普及，机器人将成为家中的“保姆”，照顾孩子学习玩乐，协助老人更衣洗澡，提醒病人按时吃药。

家中的洗衣、吸尘等麻烦工作，当然更要交给它们。

韩国知识经济部发布了韩国实现成为世界三大机器人强国目标的方案——《服务型机器人产业发展战略》。

希望通过开创新市场来缩小与发达国家2.5年的差距，提出到2018年加强机器人产业全球竞争力的方案。

计划通过该战略让2009年仅为10%的世界机器人市场占有率到2018年提升至20%。

在美国和欧洲，机器人研究人员致力于改进机器人的智能，赋予它们学习的能力。

从经验中学习就是一个名为RobotClub的国际协作项目的中心课题。

该项目得到欧盟资助，包括来自欧洲、日本和美国的16个实验室参与此项目。

其设想是：

在未来5年，制造出像儿童一样大小的类人机器人。

这种机器人会变得更聪明，它能像孩子一样，通过与环境的交互作用来进行学习。

在家务机器人的研究与开发方面，日本无疑是技术领先者，韩国紧随其后。

美国虽然对服务机器人的研究投入没有日本多，但产业化和公司运作做得很成功，在产品定位与开拓方面做得比日本和韩国出色，培育了像iRrobot和WOWWEE这些专门做机器人的公司。

图1日本NEC开发的“PaPeRo”

日本NEC公司开发了个人伙伴机器人PaPeRo，如图1所示。

它可以通过遥控信号发送器对家里的电视机进行遥控，被抚摸头部时会开心，CCD摄像头能够进行图像识别和测距。

通过无线调制解调器终端盒与电话线相连接，机器人就能够上因特网浏览。

三菱重工2003年推出协助家庭保健和看家的类人型家用机器人wakamaru，如图2所示。

日本ZMP公司设计生产的Nuvo机器人身高15英寸，体重5.5磅。

Nuvo可以行走，起坐，并可以对语音命令如“向右转”做出反应。

它与手机有连接，因

此人们可以通过安装在机器人头部的数码摄像机拍摄的照片，查看家中的情况，人们还可以通过遥控器对其进行控制，如图3所示。

日本Tmsuk机器人公司与

Alacom安保公司合作开发的T34机器人配有4个轮子，最高移动速度为每小时10公里，如图4所示。

它配备有探测装置，可根据人体温度和声音侦察周围情况，并将相应图像实时地显示于手机屏幕。

发现可疑人员后，它可在主人的遥控指挥下，朝可疑人员喷撒一张蜘蛛网式的大网。

图2日本三棱重工开发的“wakamaru”图3 Nuvo机器人

图4T34机器人

（2）娱乐机器人

目前，全球机器人的发展日趋繁荣，其中服务型机器人以其良好的使用前景成为机器人技术发展的重要方向，尤其娱乐机器人以其娱乐性在影视娱乐及服务等行业中具有广泛的应用前景，比较典型的娱乐机器人有竞赛机器人和仿生娱乐机器人。

（a）竞赛机器人

机器人足球是一项具有体育竞技魅力的高技术竞技项目。

机器人足球的高技术可以概括为12个字：

“实时采集、实时控制、实时行动”。

这3个“实时”是机器人足球的难点之所在，也是机器人足球的魅力之所在。

目前，世界上比较有影响的机器人赛事主要有两个，一个是由国际机器人足球联合会（FIRA）组织的机器人足球世界杯FIRACup（见图5），另一个是由国际人工智能协会组织的机器人世界杯RoboCup（见图10）。

除了机器人足球比赛外，其他形式的机器人比赛也很多，比如：

国际奥林匹克机器人大赛，NHK国际机器人比赛等，比赛的内容非常丰富，包括表演赛、跳远、走迷宫、相扑、打乒乓球等，这些比赛深深地吸引着机器人爱好者和大中学生，也推动了机器人技术的发展。

图6FIRACup机器人足球赛图7RoboCup足球机器人

（b）仿生娱乐机器人

索尼公司多年来一直致力于娱乐机器人的研究开发，2004年推出的最新研究的仿人形娱乐机器人QRIO（见图8）不仅会奔跑，而且还可以跳跃。

静止、步行、奔跑、跳跃这一系列动作它能做得非常流畅。

它有很强的平衡能力，只要你从前面推它，它就会边后退边寻找平衡点，同时将外力化解掉。

QRIO还会抓

球、传球和投球。

图8索尼仿人机器人QRIO图9索尼机器狗AiboERS-7

索尼的另外一款仿狗的娱乐机器人AiboERS-7（如图9），其具有35万像素彩色照相机（CMOS图像传感器），可辨别出骨头的顏色和形状。

距离传感器

可感知物体的距离和脚下的段差。

加速度传感器可感知身体的倾斜。

另外，韩国、美国、英国、意大利、德国、俄罗斯、新加坡也都进行了研究，并研制出了各种各式各样的娱乐型机器人。

目前在娱乐机器人方面，日本和

韩国占有一定的优势，产业化也比较好。

（3）无人化军用机器人

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另外，包括火力侦察兵、X-47B无人舰载机（见图10）等也已装备或正在完善功能，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。

图10X-47B无人舰载机进行测试

还有利用仿动物技术的军用机器人，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29公里.其研制的另一款四足机器人AlphaDog（见图11）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。

机器大狗为作战人员在危险地形携带军用物资，为作战人员提供必需的安全保障，减少人员的伤亡。

图11军用大狗机器人

（4）助老助残机器人

德国的Care-0-BotⅡ是帮助残疾人和老年人独立生活的移动家庭看护系统。

它可以摆放座椅、拿饮料、控制空调和报警；可以从床上或椅子上支撑用户起身，智能辅助行走；还可以管理视频电话、电视等，与医疗和公共服务机构通信，检测危险信号并紧急呼救。

爱尔兰的VA-PAM-AID、日本的RFID和Walking Helper导航机器人可以帮助老年人和弱视者独立行走。

这类机器人一般带有环境感知和传感器实现导航、避障，可以根据用户的行走习惯设定工作参数，具有操作和信息反馈的人机接口。

在改善老年与残疾人行走与出行方面，传统的轮椅、助行、代步工具正被智能轮椅（或称为智能轮椅式移动机器人）、智能助行器（或称为智能助行机器人）所代替。

以智能轮椅形式出现的移动服务机器人作为智能移动机器人和康复机器人的一个交叉分支，目前正受到越来越多的重视。

德国不来梅大学研制了用于辅助残疾人的半自主轮椅机器人，该系统是将一个MANUS机器人手臂安装在轮椅上，由语音识别系统控制，轮椅的正前方安装了电子托盘，左面装有一个平板显示器，系统以程序化运动和用户控制运动两种模式工作。

在FRIENDⅠ的基础上，不来梅大学在2004年推出了智能化更高、人性化更好的FRIENDⅡ，该系统集成了ATMEC Robotic GmbH公司生产的模块化手臂和5指手抓，并利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂。

韩国在2001年和2004年分别研制出了两种轮椅机器人：

KOREASⅠ和KOREASⅡ。

KOREASⅠ是在电动轮椅上安装了一个6自由度手臂的智能康复系统，手臂末端装彩色摄像机、力/力矩传感器来感知环境，可以用10个按键手动控制机器臂，或用简单口令操作机器人。

KOREASⅡ是在KOREASⅠ基础上进行改进的一套系统，它重点解决了人机交互技术，可根据不同伤残程度选择。

眼鼠标可感知眼球的运动来指向特定对象，并单击屏幕上的按钮，用生物信号识别方式控制机器臂。

根据WTEC评估结果，美国在如下领域保持领先地位：

机器人室外导航、机器人体系结构（控制、机构和计算的集成）、以及部分服务和个人机器人领域。

日本和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人（包括娱乐）领域处于领先位置。

欧洲在结构化环境的移动技术，包括城市交通领域保持领先。

欧洲还在助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。

澳大利亚在定位和导航的理论和应用方面具有优势。

2.2我国服务机器人的研究现状

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及浙江大学研制的Wu&Kong仿人机器人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。

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

5000米海试。

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。

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，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，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，昆山华恒焊接股份有限公司侧重于焊接机器人研究，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，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。

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。

模块化创伤骨科机器人获得了医疗器械许可证，血管介入手术机器人也进行了临床动物实验。

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。

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。

包括华中科技大学的肢体康复机器人、上海交通大学的智能轮椅、山东建筑大学的中医按摩机器人、北京航空航天大学的床椅一体化机器人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。

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。

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。

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。

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。

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.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。

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，