1、服务机器人概述 主讲人：邸明星主讲人：邸明星 2008年年7月月2日日 目录n引言n服务机器人分类n服务机器人关键技术一、引言n现在工业生产中已经应用了各种各样的机器人系统，如焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人等，这些机器人都是在固定的生产流水线中按照预先设计好的流程重复的进行某些操作，这些机器人系统注重的是精度和速度。另一类机器人系统是建立在移动平台上的自主机器人系统，这些机器人和工业机器人不同，它们在非结构化和不可预测的环境中运动，近年来该类机器人的应用也越来越多，如娱乐机器人和各种各样的服务机器人，这类机器人在家居环境和办公环境为人类提供各种娱乐或服务。服务机器人定义n服务机器人是机器人
2、家族中的一个年轻成员，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。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，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健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。服务机器人的定位就是服务。从机器人的功能特点上来讲，它与工业机器人的一个本质区别在于，工业机器人的工作环境都是已知的，而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的。二、服务机器人分类按服务对象和应用目的不同，可以分为以下六类：n医疗服务机器人 n健康福利服务机器人 n公共服务机器人 n家庭服务机器人 n娱乐机器人 n教育
3、机器人 1、医疗服务机器人、医疗服务机器人 n医疗服务机器人主要指能够直接为医生提供服务，帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人。n医疗外科机器人是医疗服务机器人的典型代表，它可以由医生对机器人进行遥控操作，在医生难以直接进行手术的部位由机器人准确地完成各种手术,如图所示为口腔修复机器人。而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段。因此，采用医疗服务机器人进行手术可以减小创面、缩短手术时间，从而达到减少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。2、健康福利服务机器人、健康福利服务机器人 n健康福利服务机器人是指在医院里为医生或病人提供服务的服务
4、机器人。图中是直接为病人提供康复治疗的服务机器人。他可以提供指定负载力和行走速度的步行训练和为腿部受伤的病人提供术后康复训练治疗。许多研究单位和公司正在积极开发的各种类型的智能轮椅和智能病床也都属于健康福利服务机器人。3、公共服务机器人、公共服务机器人 n公共服务机器人的范围最为广泛，只要能够为公众或公用设备提供服务的机器人都属于该类型服务机器人。例如，在展览会会场、办公大楼、旅游景点为客人提供信息咨询服务的迎宾导游机器人，在建筑物内或居民区内进行自动巡视的保安巡逻机器人如图所示，加油站里的自动加油机器人，高楼擦窗和壁面清洗机器人，飞机清洗机器人，下水道清洗机器人等。此外还有机器邮递员以及用于
5、多种用途的自主移动机器人平台，它们可在办公室内部传递信件或其他物品。目前这些机器人在技术上都已经相当成熟，在价格上也基本上被用户接受，并已在许多国家得到了实际应用。随着机器人技术的进一步发展，在不久的将来，会有越来越多的公共服务机器人进入我们的日常生活。4、家庭服务机器人、家庭服务机器人 n自动割草机和全自动吸尘器是家庭服务机器人的典型代表。凯驰RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，如图所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。n该机器人内置四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；
6、通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让。扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下面。其相应的基站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。5、娱乐机器人、娱乐机器人 n娱乐机器人的种类很多，其中主要是以机器狗AIBO为代表的机器宠物，如图所示。AIBO的出现不但给索尼公司带来了新的商机，也为机器人如何进入寻常家庭提供了一个新的发展思路。6、教育机器人、教育机器人 n教育机器人的发展则是通过以“机器人足球”比赛为代表的各种类型的机器人竞赛进行
7、的。机器人竞赛的参赛队伍主要由大、中、小学生组成。由于机器人竞赛不但具有很好的观赏性，而且可以使参赛的学生在创新能力、动手能力等方面都可以得到很好的锻炼，所以深受学校和学生家长的欢迎，并越来越多地受到各国政府的重视。目前一些国家正在积极组织机器人国际比赛，并提出了举行机器人奥林匹克竞赛的想法，如图所示为类人足球机器人。三、服务机器人关键技术移动服务机器人的主要关键技术如图所示：n环境感知环境感知 机器人在行驶时必须不断地感知周围环境及自身状态信息，机器人现在多配备多种传感器：超声波传感器、红外传感器和激光传感器等。为了有效地利用传感器信息，需要对其进行综合、融和处理。近年来人们提出许多传感器信
8、息融和算法，如人工神经网络、贝叶斯估计、数学模型、人工智能等，经过融和的信息能比较完整地反映环境特征，提高机器人导航精确度。nSLAM(Simultaneous Localization and Mapping),即时定位与地图构建即时定位与地图构建 机器人要在室内运动，必须解决定位问题。常用的定位方法主要通过GPS、光码盘、惯性陀螺、磁罗盘、路标等实现。n人机接口技术人机接口技术 人机接口作为用户和家庭服务机器人之间的交互方式，必须设计的合理、方便、易于使用，也需从技术、心理学及经济角度来选择用户与机器间最佳的合作方式。在家庭机器人系统中比较通用的人机交互方式有语音控制，界面操作（如菜单选择
9、、鼠标驱动等）和操作杆形式，各个系统根据自身需要也设计了头部运动、鹰眼系统、呼吸驱动等富有特色的交互方式，一般在每个系统中都是几种共存，以便根据环境、用户身体状况来选择合适的接口。n自由机械手自由机械手 家庭服务机器人尤其是陪护型助老/助残机器人的作业臂设计预操作技术，是真正解决老年与残疾人独立生活（协助拿取物品、料理家务）的关键技术.为陪护型助老/助残机器人设计的作业臂，既要能完成较复杂的操作，又要求成本低，还要具有绝对的安全。n环境监控问题环境监控问题 典型的智能安全系统如安全建筑和安全机器人应该包括入侵者、火情、煤气和环境等探测器。相对于安全建筑的固定性和被动监控，安全机器人是可以四处移
10、动的并且是主动系统。要完成环境监控任务，安全机器人必须有如下功能：自主导航、主-从操作系统、通过网络的监控系统、远程操作的视觉系统和险情探测诊断系统。现在市场上已经有了一些安全机器人产品，如日本的SOC机器人，价格为10万美元。基于机器人的现场巡逻系统主要是由机器人自动沿着既定路径运动，并用携带的传感器检测各种情况，如有异常就通知远程操作者，由操作者进行确认并采取措施。安全监控系统的核心问题是如何发现异常情况及发现异常后所采取的措施。对于漏气、漏水等情况，机器人多是配备专门的传感器，在机器人的轮子上装配液体检测传感器，当地面有积水时可以马上被机器人发觉。对于火情的判断因为用单一的传感器如烟雾传
11、感器容易在某些情况下产生错误识别，如吸烟引起的烟雾，所以多采用传感融合的方法进行检测，采用烟雾、火焰和温度传感融合进行判断。对于入侵者的判断现在多数用视觉系统及人体传感器。在发现异常情况之后，多数监控机器人立即通过无线网络通知监控中心，由监控人员通过机器人传输的图像进行确认并采取措施。n自主电源再充电问题自主电源再充电问题 服务机器人要求能够在无人的环境下长期连续地工作。当电源不足时机器人必须自动寻找充电站，进行对接充电，并监控电源电压，当达到额定电压之后机器人继续执行任务。工作环境对服务机器人的能源提出了特殊要求，目前服务机器人基本上都采用电池作为能源，电池有一次电池、二次电池和燃料电池。路
12、径规划 n如何在复杂、不可预测的环境中自主移动到目标点，并且能够躲避障碍物是移动机器人最基本、最重要的能力之一，也是其它应用的基础。机器人路径规划最早研究的是从起始点运动到目标点的类型，在服务机器人中许多场合需要该类型，如医疗服务机器人、健康福利服务机器人、搬运机器人等都经常需要该类型路径规划。n常用的路径规划方法主要有四种：路线图方法（Roadmap Approach）、单元分解方法（Cell Decomposition）、势场法（Potential Field）和爬行虫方法。路径规划 n如何在复杂、不可预测的环境中自主移动到目标点，并且能够躲避障碍物是移动机器人最基本、最重要的能力之一，也
13、是其它应用的基础。机器人路径规划最早研究的是从起始点运动到目标点的类型，在服务机器人中许多场合需要该类型，如医疗服务机器人、健康福利服务机器人、搬运机器人等都经常需要该类型路径规划。n常用的路径规划方法主要有四种：路线图方法（Roadmap Approach）、单元分解方法（Cell Decomposition）、势场法（Potential Field）和爬行虫方法。路线图方法 路线图方法主要利用可视图规划路径，该方法适用于环境中的障碍物是多边形的情况，将机器人、目标点和多边形障碍物的各顶点进行组合连接，要求机器人和障碍物各顶点之间以及各障碍物顶点与顶点之间的连线均不能穿越障碍物，即直线是可视
14、的。然后搜索路径的问题就转化为从起始点到目标点经过这些可视线的最短距离问题，如图所示：单元分解法 单元分解法是采用预先定义的基本形状单元来分解环境，并将这些基本单元及它们之间的连线组成一个连通图，然后运用图搜索的方法进行路径规划。根据分解单元的不同可以分为两类：精确单元分解法（梯形分解单元）和近似单元分解法（栅格单元）。单元分解法 精确单元分解法是用梯形单元或三角形单元分解自由空间，并用连通图表示各单元之间的相邻关系，然后在连通图中搜索路径，找到路径之后，再将单元序列转换为安全路径（即连接两个相邻单元的中点），如图所示：单元分解法 近似单元分解法主要是栅格分解法。开始时整个环境被分割成多个较大
15、的矩形，每个矩形之间都是连续的，如果某矩形内部包含障碍物或者边界，则继续分成4个小矩形，该分割递归进行直到每个矩形或者都是完全的自由空间，或者是完全被障碍物占据。在进行路径规划时，只用完全是自由空间的栅格，同样该方法的规划也是用图搜索的方法进行。栅格法容易实现，但是栅格划分的大小直接影响环境信息的存储量和规划时间的长短，栅格划分过大，信息存储量小，会丢失许多有用的信息，分辨率下降；如果栅格划分过大，信息存储量急剧增加，规划时间长。爬行虫算法 上述几种方法都是全信息规划方法，爬行虫算法可用有限的信息进行规划，在该方法中机器人时刻知道目标的方位并且只能感知局部范围内的环境，环境中包含有限个障碍物，并且一条直线和障碍物相交有限次。机器人开始时向着目标位置运动，当遇到障碍物时沿着障碍物边线运动，直到障碍物不再阻拦机器人向目标前进，机器人继续向目标位置前进，如图所示 谢谢！
