全球服务机器人发展现状及战略

  国际上通常从机器人应用环境出发,将机器人分为两大类:工业机器人和服务机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。服务机器人是机器人家族中的年轻成员,指除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。

  作为机器人家族中的新生代,服务机器人备受关注,但相对于比较成熟的工业机器人而言,尚没有一个特别严格的定义,各国科学家对它的看法也不尽相同。其中,认可度较高的定义来自国际机器人联盟(International Federation of Robotics,IFR)的提法:“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”。德国生产技术与自动化研究所给出的定义是,“服务机器人是一种可以全自主或半自主地为人类或设备提供有用服务的机器人”。而我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中对服务机器人的定义为“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”。

  先进的服务型机器人能够与人类和环境互动,配备影像、语音、触觉等各式感测器,结合人工智慧能及时反应外在情况且具备学习能力,因而又被称为智能型机器人。

全球服务机器人发展现状及战略

  服务机器人的出现时间,稍晚于工业机器人,上世纪90年代才正式登上历史舞台。从目前发展状况来看,全球服务机器人尚处于起步阶段,市场化程度不高,但由于受到简单劳动力不足及人口老龄化等刚性驱动和科技发展促进的影响,服务机器人产业发展非常迅速,应用范围也在逐步扩大。

  服务机器人按照其应用领域划分,主要包括个人/家用服务机器人(Personal/Domestic Service Robots)和专业服务机器人(Professional Service Robots)两大类。其中,个人/家用服务机器人主要包括教育机器人、扫地机器人、娱乐机器人、残障辅助机器人等;专业服务机器人主要包括国防机器人、野外机器人、医疗机器人、物流机器人等。

  目前世界上至少有48个国家在发展机器人,其中25个国家400多家企业涉足服务型机器人领域,如能力风暴专注于教育机器人、iRobot专注于家庭服务机器人、Intuitive Surgical致力于医用机器人、Aldebaran SAS专业提供个人机器人、Boston dynamics则主要开发军用机器人,并诞生了类似iRobot扫地机器人、达芬奇手术机器人等极具革命性的商业化产品。

  在北美、欧洲和亚洲,迄今超过7种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。在服务机器人领域,处于发展前列的国家中,西方国家以美国、德国和法国为代表,亚洲以日本和韩国为代表。欧盟已启动全球最大民用机器人研发项目,到2020年将投入28亿欧元研发用于医疗、护理、家务、农业和运输等领域的机器人。

  1、美国

  美国是机器人的发源地,美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位,其技术全面、先进,适应性十分强,在军用、医疗、家用服务机器人产业都占有绝对的优势,占服务机器人市场约60%的份额。根据世界技术评估中心(World Technology Evaluation Center,WTEC)的评估结果,美国服务机器人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。

  美国服务机器人市场特征:通过较低端、实用性高的服务机器人先期开拓市场。以吸尘器、草坪修正机器人为特征。美国无疑是在服务机器人产业化方面做得最好的国家,iRobot公司的Roomba、ConnectR和PackBot等、Adept公司的Mobilerobots,Boston Dynamics公司的BigDog都是世界知名的家用/特种服务机器人产品/品牌。

  2、欧洲

  根据WTEC评估结果,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,先后推出联合空中力量能力中心(JAPCC)的无人机系统飞行计划(Flight Plan for Unmanned Aircraft Systems)、欧盟第七框架计划(FP7)、欧洲机器人研究路线图等。

  德国向来以严谨认真称世,其服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位,其开发的机器人保姆Care-O-Bot3遍布全身的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头,让它既能识别生活用品,也能避免误伤主人;它还具有声控或手势控制、有自我学习能力,还能听懂语音命令和看懂手势命令。

  法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。法国政府一开始就比较重视机器人技术,大力支持服务机器人研究计划,并且建立起一个完整的科学技术体系,特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。

  3、亚洲

  根据WTEC评估结果,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,中国紧跟其后。

  日本政府对机器人发展执行了持续支持的战略,上世纪80年代后,先后有极限作业机器人计划(1985-1990年)、微型机器人计划(1991-2000年)、仿人机器人研究计划(2001-2003年)、大大特计划(2002年至今)与阿童木计划(The Atom Project)等。日本服务机器人市场特征:纳入国家战略的服务机器人全面发展规划,以仿人机器人、智能玩具机器人和专业救灾救援机器人为主要特征。

  韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业,把服务机器人作为国家的一个新的经济增长点进行重点发展,对机器人技术给予了重点扶持。韩国服务机器人市场特征:以服务机器人为机器人产业重点的政府主导型规划,以智能化家政机器人为主要特征。

  在国家863计划支持下,我国服务机器人产业研究已经取得了一定成绩,诞生一些服务机器人产品,教育机器人、迎宾机器人、清扫机器人、导游机器人、智能轮椅等,以及一批服务机器人龙头企业,如能力风暴、哈工大、妙手机器人、新松机器人、科沃斯等。目前,国家已明确提出服务机器人产业五年的总体发展目标:到2020年,我国服务机器人年销售收入超过300亿元。

  整体而言,国际上服务机器人主要由美、日、中、德、韩五国主导着全球技术的研发。技术发展主要趋势为智能化、标准化、网络化,并呈现三大态势:一是由简单机电一体化装备,向以机电一体化和智能化等方面发展;二是由机器人单一作业向群体交流、远程学习和网络服务等方面发展;三是由研制单一复杂系统,向将其核心技术、核心模块嵌入于先进制造等相关装备方面发展。

  主要特点

  在全球范围内,服务机器人具有巨大的发展应用潜力,特别是发达国家的服务机器人产业,在刚性需求的驱动下,更是有着广阔的市场前景。综合来看,服务机器人的快速发展受到以下因素的驱动:

  1、简单劳动力不足。由于发达国家的劳动力价格日趋上涨,而且人们越来越不愿意从事自己不喜欢干的工作,类似于清洁、看护、保安等简单工作在发达国家从事的人越来越少。这种简单劳动力的不足,使得服务机器人有着巨大的应用市场。

  2、人口老龄化问题加剧。全球人口的老龄化带来大量的问题,社会保障和服务、看护的需求更加紧迫,以及医疗看护人员不足的冲突激化,服务机器人作为良好的解决方案有着巨大的发展空间。

  3、科技的快速发展。进入互联网时代后,人类的科学技术迅猛发展,得益于计算机和微芯片的发展,智能机器人更新换代的速度越来越快,成本下降,能实现的功能越来越多,如更便捷、更安全、更精确等。

  4、经济水平的提高。随着经济水平的提升,人们可支配收入的增加,使得人们能够购买服务机器人来解放简单的重复劳动,获得更多的空闲时间。

  服务机器人是一系列新型技术的融合,服务机器人实际上是多种技术的融合和实现,包括语音交互、导航定位、运动控制、后台调度管理、多传感技术、通信等多领域技术。为了使之能够满足应用功能的需要及保持其智能化的稳定性,服务机器人的主要关键技术如下:

  定位导航技术:行业领先的服务机器人企业,八成都采用了SLAM技术。简单来说,SLAM技术是指机器人在未知环境中,完成定位、建图、路径规划的整套流程。

  运动控制技术:当前,在所有的机器人种类中,轮式、履带式的服务机器人拥有更好的平衡性,在运动过程中更稳定。从目前的技术发展和实用性来看,轮式、履带式的机器人显然更符合市场需求。

  多传感器融合技术:传感器如同机器人的“五官”,目前我国主流服务机器人主要配有红外传感器、超声波传感器等。实际上,如果服务机器人想要完成更多、更复杂的任务,还需配备更多的传感器。

  深度学习算法:传统机器人无法理解语意、环境,而深度学习算法的出现则改变了这种现状。不过,受技术水平、大数据获取难题以及云运算效率等因素限制,目前深度学习算法还存在一定的瓶颈,想要广泛应用于服务机器人中,恐怕还需要一段时间。

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