服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)原則淺談

趙宇浩+劉洋

摘 要：近年來(lái)，服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異的發(fā)展，人工智能、物理網(wǎng)、新材料、為機(jī)器人的設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供了更多可能。人們生活水平日益提高，對(duì)生活品質(zhì)將會(huì)有更多的要求，智能、靈活、功能強(qiáng)大的服務(wù)機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展前景。本文通過(guò)對(duì)機(jī)器人發(fā)展歷程和新技術(shù)的文獻(xiàn)研究，以用戶為中心對(duì)未來(lái)服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出安全、實(shí)用、情感交互、智能、低成本等的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；人工智能；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)計(jì)原則

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-5312（2017）30-0167-02

一、引言

機(jī)器人的發(fā)展一直都是社會(huì)討論的熱點(diǎn)，近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給各行業(yè)、各領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)新的可能，人們對(duì)機(jī)器人的研究和思考已經(jīng)不只是科學(xué)家的技術(shù)研究以及哲學(xué)家的學(xué)術(shù)討論，各行各業(yè)的翹楚在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的熱潮里看到了機(jī)器人發(fā)展的新方向。據(jù)市場(chǎng)研究顯示，2016年我國(guó)家用服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá) 140 億元人民幣，預(yù)計(jì) 2017 年將達(dá)到 240 億元人民幣。隨著國(guó)民生活水平的提高，人們對(duì)于生活品質(zhì)將會(huì)有新的要求，屆時(shí)家用服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大，相信未來(lái)科技的發(fā)展，生產(chǎn)成本的降低，服務(wù)機(jī)器人將如同普通家用電器一樣走入尋常百姓家，為人們的生活提供便利。

二、近現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展概述

創(chuàng)造一種能夠代替自身進(jìn)行各種勞動(dòng)的事物是人類長(zhǎng)期以來(lái)的愿望，“機(jī)器人”的概念便伴隨著這個(gè)美好的愿望誕生。國(guó)內(nèi)外歷史古籍對(duì)機(jī)器人相關(guān)故事均有記載，《列子·湯問(wèn)》中記有“偃師獻(xiàn)藝”寓言，描述了戰(zhàn)國(guó)時(shí)期巧匠偃師善做能歌善舞的人偶，雖然寓言帶有科幻色彩，但充分表達(dá)了人們對(duì)于機(jī)器人的幻想。1959年，美國(guó)發(fā)明家英格伯格和德沃爾設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，由此拉開(kāi)了現(xiàn)代機(jī)器人研究發(fā)展的帷幕。

（一）現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展歷程

從機(jī)器人技術(shù)革新的角度看，現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展可分為三個(gè)階段。示教再現(xiàn)機(jī)器人（第一代機(jī)器人）根據(jù)示教編程存儲(chǔ)的固定程序不斷重復(fù)執(zhí)行的機(jī)械動(dòng)作，對(duì)外界信息不具備反饋能力，自上世紀(jì)50年代末至90年代，示教再現(xiàn)機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人在全球范圍工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用；各類傳感器的發(fā)明和應(yīng)用為機(jī)器人提供了感知周?chē)h(huán)境的可能，在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展出感知機(jī)器人（第二代機(jī)器人），可根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷并對(duì)自身動(dòng)作做出調(diào)整，減少工作錯(cuò)誤，又被稱為自適應(yīng)機(jī)器人，目前已作為工業(yè)機(jī)器人被生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用；智能機(jī)器人（第三代機(jī)器人），不僅具備感知機(jī)器人感應(yīng)外界信息的能力，而且具有推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)能力，將感知和行動(dòng)智能結(jié)合起來(lái)，目前正處于研發(fā)階段。

（二）機(jī)器人分類

機(jī)器人的分類方法多樣，我國(guó)機(jī)器人研究者從應(yīng)用環(huán)境的角度將機(jī)器人類別劃分為兩大類，即制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人多為用于工業(yè)生產(chǎn)制造的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，可協(xié)助或代替工人在高危環(huán)境中完成勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作，普遍應(yīng)用于3C制造業(yè)、汽車(chē)零部件及整車(chē)裝配、建筑等領(lǐng)域，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)幾十個(gè)行業(yè)大類。特種機(jī)器人根據(jù)具體用途又可劃分為服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中家用服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，2010年至2016年，家用服務(wù)機(jī)器人的全球市場(chǎng)銷量已從220萬(wàn)臺(tái)增至640萬(wàn)臺(tái)，家政服務(wù)機(jī)器人、家用安全監(jiān)視機(jī)器人、教育娛樂(lè)機(jī)器人等家用服務(wù)機(jī)器人已逐步進(jìn)入普通家庭，給人們生活帶來(lái)新體驗(yàn)。隨著人們生活水平的提高，新需求細(xì)化，提供對(duì)應(yīng)服務(wù)的服務(wù)機(jī)器人將會(huì)出現(xiàn)，機(jī)器人的類別將進(jìn)一步細(xì)分，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大。如圖1所示。

三、 新技術(shù)對(duì)機(jī)器人的影響

（一）人工智能

人工智能是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)信息收集、信息處理、執(zhí)行命令，以達(dá)到模擬人類的某些思維過(guò)程以及諸如學(xué)習(xí)、思考、推理等智能行為的學(xué)科，研究領(lǐng)域主要包括機(jī)器人、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。

人工智能分為強(qiáng)人工智能（Artificial General Intelligence，簡(jiǎn)稱AGI）和弱人工智能（Artificial Narrow Intelligence，簡(jiǎn)稱ANI）。由于強(qiáng)人工智能的智能程序要求達(dá)到人類級(jí)別，既可以像人一樣對(duì)各種層次的問(wèn)題做出應(yīng)對(duì)，還需要具備自我學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜理念等能力，研究開(kāi)發(fā)困難。目前被廣泛研究和應(yīng)用的在單個(gè)領(lǐng)域較強(qiáng)的人工智能程序?qū)儆谌跞斯ぶ悄?，其深度學(xué)習(xí)能力和云計(jì)算能力強(qiáng)大，在大數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、醫(yī)療護(hù)理、無(wú)人駕駛、工業(yè)機(jī)器人和智能家居等多個(gè)領(lǐng)域普遍應(yīng)用，iPhone 的語(yǔ)音助手siri、購(gòu)物App智能客服、手機(jī)面部識(shí)別等都是弱人工智能。各大互聯(lián)網(wǎng)公司十分看好人工智能與真人深度交互的特點(diǎn)，積極開(kāi)發(fā)各類人工智能相關(guān)的產(chǎn)品，如百度“度秘”、阿里小蜜、Facebook M助理等人工智能產(chǎn)品，能夠通過(guò)與用戶深度交流，了解用戶信息，判斷用戶需求，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。

目前，人工智能研究領(lǐng)域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、蟻群算法、進(jìn)化算法等技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，使機(jī)器人的深度學(xué)習(xí)能力和信息處理能力更出眾，增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力；控制系統(tǒng)智能化，科學(xué)計(jì)算規(guī)劃最優(yōu)工作路徑，工作效率提高；智能化程度進(jìn)一步提高，促進(jìn)了機(jī)器人的擬人化發(fā)展，為機(jī)器人處理復(fù)雜工作提供了更多的技術(shù)支持。

（二）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，簡(jiǎn)稱IoT）是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外傳感器、氣體傳感器、聲波傳感器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，將現(xiàn)實(shí)物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行物與物之間的信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理三大特征，被廣泛應(yīng)用于智能交通、安保監(jiān)測(cè)、物業(yè)管控、健康護(hù)理、植物栽培、軍情偵查等多個(gè)領(lǐng)域。endprint

物理網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，為機(jī)器人的控制提供了新的環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)的特性，機(jī)器人能通過(guò)信息傳遞和智能處理，完成大部分需要人工勞動(dòng)完成的任務(wù)；將射頻、條碼標(biāo)簽、傳感器等技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線，對(duì)零部件、產(chǎn)品自動(dòng)打碼，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)測(cè)，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程追蹤定位；多機(jī)器人系統(tǒng)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的感知，信息傳遞、智能規(guī)劃任務(wù)和活動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，提高工作效率。

（三）其他新技術(shù)

2016年英國(guó)《自然》雜志刊登了由哈佛大學(xué)生物工程研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)的全球首個(gè)全軟體機(jī)器人“Ocobot”（章魚(yú)機(jī)器人），該機(jī)器人全部使用柔性材料硅橡膠，成本低廉，不含任何堅(jiān)硬的零件，依靠化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，擺脫了外置電纜的限制。柔性材料的多自由度、高靈活、可變形、能量吸收等特性，使機(jī)器人能在更極端的環(huán)境下靈巧的運(yùn)動(dòng)，承受外部沖擊的能力更強(qiáng)，勝任更多任務(wù)，在狹小空間故障檢查、醫(yī)療診斷、軍事偵查探測(cè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

液態(tài)金屬控制技術(shù)是一直通過(guò)控制電磁場(chǎng)準(zhǔn)確控制液態(tài)金屬材料外觀特征、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的新技術(shù)，目前主要應(yīng)用于3C制造領(lǐng)域，具有熔融后塑形能力，為機(jī)器人的可變形發(fā)展提供了可能。生肌電控制技術(shù)是利用人類肢體表面肌電信號(hào)控制機(jī)器活動(dòng)的技術(shù)，通過(guò)生物信號(hào)控制機(jī)器人，在遠(yuǎn)程控制、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。情感識(shí)別技術(shù)，可通過(guò)采集、分析人類面部、肢體信息，有效識(shí)別人類情感和心理活動(dòng)，使機(jī)器人具備了類似人類的觀察能力，可以用于輔助醫(yī)療，刑偵鑒別等領(lǐng)域。

四、服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

服務(wù)機(jī)器人研究和應(yīng)用在一些發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展迅速，其中掃地機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)完全成熟穩(wěn)定。日本在機(jī)器人研究方面處于世界前列，日本政府已經(jīng)將推動(dòng)家用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展定為國(guó)策，各國(guó)都出臺(tái)了相對(duì)應(yīng)的既定國(guó)策。日本機(jī)器人協(xié)會(huì)最新研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究趨于成熟，未來(lái)發(fā)展空間及其有限，服務(wù)機(jī)器人研發(fā)、應(yīng)用將大幅增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025年將有517億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人如掃地機(jī)、教育娛樂(lè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等服務(wù)于人的日常生活，與工業(yè)機(jī)器人相比使用環(huán)境信息更復(fù)雜，這就要求服務(wù)機(jī)器人需要對(duì)周?chē)h(huán)境信息、用戶信息識(shí)別精準(zhǔn)，且具備仿人的情感、思維，動(dòng)作反饋擬人化、情感化，以滿足社會(huì)服務(wù)需求。本田公司研發(fā)的ASIMO仿人機(jī)器人從第一次以雙腳流暢行走亮相至今已發(fā)展了17年，其最新版的ASIMO造型簡(jiǎn)約，已經(jīng)可以流暢完成包括攀爬樓梯、手語(yǔ)交流、倒茶、踢球等高難度擬人行為。

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人研發(fā)多注重技術(shù)應(yīng)用，編程人員與工業(yè)設(shè)計(jì)師、用戶之間溝通交流欠缺，邏輯思維相差甚遠(yuǎn)，造成國(guó)內(nèi)服務(wù)機(jī)器人外觀偏機(jī)械，交互體驗(yàn)差，與國(guó)外服務(wù)機(jī)器人相比缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。服務(wù)機(jī)器人本身是技術(shù)的集合，其核心技術(shù)不存在壟斷，如何利用自身優(yōu)勢(shì)，研發(fā)滿足我國(guó)市場(chǎng)需求的服務(wù)機(jī)器人，阻止發(fā)達(dá)國(guó)家的輸出，改變市場(chǎng)現(xiàn)狀，是我國(guó)目前最迫切需要的。

五、服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)原則

服務(wù)機(jī)器人基本設(shè)計(jì)原則，如圖1所示。

根據(jù)未來(lái)科技發(fā)展趨勢(shì)分析以及服務(wù)機(jī)器人的實(shí)際市場(chǎng)需求，服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾個(gè)原則：（1）安全；不僅指機(jī)器人自身外觀設(shè)計(jì)、動(dòng)作設(shè)計(jì)的安全，所用材質(zhì)綠色環(huán)保無(wú)公害，還應(yīng)包括內(nèi)部信息的安全。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，物與物之間信息交流通訊，服務(wù)機(jī)器人應(yīng)設(shè)置信息安全鎖，保護(hù)核心代碼及用戶信息，防止黑客篡改，減小安全隱患。（2）實(shí)用；機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能系統(tǒng)模塊多樣，服務(wù)機(jī)器人在功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，各個(gè)部件應(yīng)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，便于更換，方便普通用戶日常維修、維護(hù)，同時(shí)便于硬件的升級(jí)拓展，節(jié)省使用成本。（3）情感交互；機(jī)器人不同于普通智能產(chǎn)品，其交互是從單一的界面交互到肢體和界面綜合的立體交互，交互過(guò)程注重人的情感，動(dòng)作反饋充滿趣味性，擬人化的動(dòng)作與工業(yè)機(jī)器人有明顯的區(qū)別。（4）智能；“智能機(jī)器+網(wǎng)絡(luò)”的智能系統(tǒng)，在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及下，服務(wù)機(jī)器人應(yīng)針對(duì)不同的工作環(huán)境，通過(guò)信息獲取，深度學(xué)習(xí)，不斷適應(yīng)新環(huán)境，提升自身工作效率；多機(jī)器人在物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境下，協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)。（5）低成本；目前功能強(qiáng)大的服務(wù)機(jī)器人技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)階段，制作成本較高，隨著技術(shù)發(fā)展，未來(lái)量化生產(chǎn)，服務(wù)機(jī)器人制造成本應(yīng)進(jìn)一步控制，降低消費(fèi)門(mén)檻。

六、結(jié)語(yǔ)

2017年被譽(yù)為人工智能元年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步、新材料工藝的發(fā)展為服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供了更多的可能。隨著《中國(guó)制造2025》一系列政策的推進(jìn)，中國(guó)服務(wù)機(jī)器人將面臨更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的全面化、智能化、市場(chǎng)化，不僅需要科技的支持，還需要設(shè)計(jì)思維的指導(dǎo)，滿足大眾審美和功能需求，充分發(fā)揮本土優(yōu)勢(shì)，才能提升中國(guó)服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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