智能巡檢機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

尹項(xiàng)迎 藺飛飛

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，勞動(dòng)力成本的不斷上升，智能化自動(dòng)化技術(shù)逐步代替人力成為巡檢工作的新趨勢(shì)。傳統(tǒng)的人工巡檢方式有很多欠缺，如勞動(dòng)強(qiáng)力大、工作效率低下，且在惡劣天氣環(huán)境下易受到影響難以進(jìn)行巡檢，存在安全隱患等[1]。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，一些危險(xiǎn)行業(yè)逐漸采用以智能技術(shù)為基礎(chǔ)的智能機(jī)器人來代替人工，在巡檢過程中模擬人工操作行為，既降低了工作風(fēng)險(xiǎn)和人力消耗等問題，又能提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集，成為當(dāng)今社會(huì)三種主要巡檢作業(yè)中最有應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ姆绞健?/p>

1 智能巡檢機(jī)器人的概述

智能巡檢機(jī)器人利用智能語音識(shí)別、移動(dòng)終端和中控端控制巡檢機(jī)器人行走到指定位置，通過關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)確獲取外界環(huán)境信息，檢測(cè)對(duì)象相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)采集收集傳輸?shù)娇蛻舳?，是一種適應(yīng)于多種環(huán)境下具備多種功能的移動(dòng)設(shè)備。目前智能巡檢機(jī)器人類型多樣，從移動(dòng)方式來看大致包括三種：軌道懸掛式、地面移動(dòng)式以及管道滾動(dòng)式。三種機(jī)器人分別對(duì)應(yīng)完成不同領(lǐng)域或工作環(huán)境下的巡檢工作[2]。

智能巡檢機(jī)器人根據(jù)功能屬性，其作用主要表現(xiàn)為：日常巡檢，能夠定時(shí)、定點(diǎn)、定軌跡進(jìn)行巡檢工作；視頻監(jiān)控采集數(shù)據(jù)，通過自帶攝像頭智能識(shí)別檢查項(xiàng)目，采集巡檢對(duì)象相關(guān)信息，并傳送回相應(yīng)的數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)分析，將采集回來的數(shù)據(jù)分析判斷篩選，結(jié)果輸送到用戶客戶端，提高工作效率；自主導(dǎo)航回充，當(dāng)巡檢任務(wù)結(jié)束后，能夠根據(jù)充電樁發(fā)出的信號(hào)回航充電[3]。

2 智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

智能控制系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人在技術(shù)中最為復(fù)雜也是要求最高的[4]，由于自然環(huán)境條件的局限和限制，智能控制系統(tǒng)是機(jī)器人在整個(gè)巡檢工作中最重要技術(shù)支撐。如跨越躲避障礙物或遇到惡劣自然環(huán)境時(shí)，智能巡檢機(jī)器人通過視頻捕捉偵查識(shí)別環(huán)境情況，調(diào)整或轉(zhuǎn)換前進(jìn)路線和方式，并配合肢體操作，使機(jī)器人順利通過障礙。自主導(dǎo)航與定位技術(shù)是面對(duì)野外工作環(huán)境時(shí)非常必要且要求極高的技術(shù)條件。當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)主要有三種：一是GPS導(dǎo)航，利用空間、地面和技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航和定位。二是激光導(dǎo)航，利用機(jī)器人自身激光束與目標(biāo)物碰撞，根據(jù)發(fā)生時(shí)間確定距離，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。三是視覺導(dǎo)航，利用機(jī)器人攝像頭捕捉的外界信息，確定其所在位置，從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和移動(dòng)。目前從智能巡檢機(jī)器人發(fā)展情況來看，視覺導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，在精度、廣度都能夠準(zhǔn)確快速獲得相關(guān)信息[4]。此外智能巡檢機(jī)器人還有語音識(shí)別技術(shù)、運(yùn)行中的防撞保護(hù)技術(shù)、以及檢測(cè)功能與技術(shù)作業(yè)等。

2.2 功能與審美現(xiàn)狀

強(qiáng)大的核心技術(shù)支撐為智能巡檢機(jī)器人的運(yùn)行得到了有效保證。而智能巡檢機(jī)器人的功能和審美影響了機(jī)器人巡檢工作的效率和使用狀況。功能方面現(xiàn)狀：現(xiàn)有巡檢機(jī)器人功能相對(duì)簡(jiǎn)單，在復(fù)雜環(huán)境的人機(jī)交互體驗(yàn)效果不佳，往往最終功能目的沒有得到最大發(fā)揮。另外，簡(jiǎn)陋的設(shè)計(jì)外型會(huì)直接影響到智能巡檢機(jī)器人的功能分布和操作運(yùn)行。尤其是外部傳感器，需安裝在行走裝置或末端，智能巡檢機(jī)器人的造型則一定程度上影響到傳感器功能性的發(fā)揮。此外一些功能操作識(shí)別不明確，缺少設(shè)計(jì)語言特征等問題導(dǎo)致在智能化和人性化設(shè)計(jì)上均存在欠缺。審美方面現(xiàn)狀：前期智能巡檢機(jī)器人的重心放在技術(shù)研發(fā)上，所以目前我國(guó)智能巡檢機(jī)器人外觀造型缺少美觀性和視覺舒適度。目前我國(guó)三種主要類型巡檢機(jī)器人在造型上常以簡(jiǎn)單幾何體外殼覆蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其呆板笨拙形式與與智能巡檢機(jī)器人的靈活移動(dòng)性產(chǎn)生視覺沖突，欠缺的生動(dòng)性和現(xiàn)代設(shè)計(jì)語言難以使用戶與機(jī)器產(chǎn)生情感共鳴。色彩的不合理搭配也造成用戶對(duì)智能巡檢機(jī)器人的認(rèn)知誤解。

2.3 人機(jī)關(guān)系處理現(xiàn)狀

在設(shè)計(jì)中，合理的人機(jī)關(guān)系能讓巡檢工作達(dá)到高效、快捷、舒適的目標(biāo)。智能巡檢機(jī)器人的人機(jī)關(guān)系主要集中在用戶與機(jī)器人功能之間的使用關(guān)系，用戶與信息傳遞之間的交互關(guān)系，以及用戶與智能巡檢機(jī)器人、環(huán)境之間的關(guān)系。上述功能和審美方面的現(xiàn)狀情況在一定角度上顯示了人與機(jī)器之間的不和諧共存關(guān)系，集中表現(xiàn)在機(jī)器人功能使用及動(dòng)態(tài)操作不符合人基本行為。用戶與智能巡檢機(jī)器人的信息交流傳遞主要通過技術(shù)平臺(tái)搭建實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)支撐不到位，程序設(shè)定不合理，界面模塊操作不清晰等現(xiàn)狀都影響了人與智能巡檢機(jī)器人之間的信息交流和反饋。不僅如此，人、機(jī)、環(huán)境的三者相生關(guān)系潛移默化影響智能巡檢機(jī)器人的使用。

2.4 市場(chǎng)需求發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)是世界第一大機(jī)器人市場(chǎng)的國(guó)家，大量的科研人員為機(jī)器人的生態(tài)化發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。然而，智能機(jī)器人在發(fā)展中面臨著市場(chǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。面對(duì)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大，用戶對(duì)機(jī)器人的需求更加復(fù)雜化和多元化，但用戶對(duì)智能機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)認(rèn)知的不足及需求的導(dǎo)向不清晰，為機(jī)器人的市場(chǎng)發(fā)展增加了難度，而且用戶越來越追求機(jī)器人的個(gè)性化、創(chuàng)新化和多樣化[5]。當(dāng)前智能巡檢機(jī)器人主要應(yīng)用于電力、煤礦、船艙、化工、隧道等領(lǐng)域，其發(fā)展?jié)摿€在于醫(yī)療、安全施工等領(lǐng)域的市場(chǎng)開發(fā)和利用。由此看來，智能巡檢機(jī)器人可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，市場(chǎng)前景開闊，不同的市場(chǎng)需要可應(yīng)用不同類型智能巡檢機(jī)器人，顯示了智能巡檢機(jī)器人的多元化設(shè)計(jì)和個(gè)性化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

3 智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 提升功能與審美的優(yōu)化設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人的功能與審美優(yōu)化主要三個(gè)方面：一是造型功能優(yōu)化，目的在于明確智能巡檢機(jī)器人的功能區(qū)以及使用方式。智能巡檢機(jī)器人的外型形態(tài)很大程度上能引導(dǎo)用戶使用及安全規(guī)范操作。局部造型特征能引導(dǎo)用戶視覺著力點(diǎn)，以便快速有效獲取重要信息等。二是色彩審美優(yōu)化，在色彩搭配采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)色彩配色，提升設(shè)計(jì)美觀性和時(shí)代感，同時(shí)色彩語義能輔助功能使用，如紅白能起到警示作用，藍(lán)白顯示操作區(qū)等。三是關(guān)鍵技術(shù)智能優(yōu)化。在多種傳感器技術(shù)設(shè)備融合的基礎(chǔ)上探索智能化技術(shù)應(yīng)用。如3D掃描技術(shù)、AR實(shí)景檢測(cè)、預(yù)警應(yīng)急處理以及虛擬現(xiàn)實(shí)等。關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和創(chuàng)新應(yīng)用為每次巡檢作業(yè)自動(dòng)規(guī)劃巡檢任務(wù)，調(diào)整巡檢路線，優(yōu)化決策等，提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)保障并節(jié)省人力物力消耗。

3.2 強(qiáng)化人機(jī)協(xié)作模式的交互設(shè)計(jì)

在人機(jī)協(xié)作模式中，智能巡檢機(jī)器人在加快動(dòng)態(tài)感知、優(yōu)化決策等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)外，增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)效果也是強(qiáng)化人機(jī)協(xié)作效能的一個(gè)重要部分，換言之就是處理好人、機(jī)器、環(huán)境之間的和諧交互關(guān)系。巡檢機(jī)器人的智能化無疑強(qiáng)調(diào)的是三者之間的交互關(guān)系。由于全智能化巡檢還有待發(fā)展成熟，在智能巡檢機(jī)器人在作業(yè)過程中，人為起到至關(guān)重要的作用，運(yùn)用人的多感官如視覺、語言聽覺等來理解周圍環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象，讓用戶獲得自然、沉浸式的交互體驗(yàn)?？梢岳弥w動(dòng)作、手指、語音，甚至是眼動(dòng)追蹤等方式來實(shí)現(xiàn)與智能巡檢機(jī)器人的交流與對(duì)話，使得人機(jī)操作方式更加自然和諧。通過不同的肢體動(dòng)作和語音系統(tǒng)控制巡檢機(jī)器人的操作，完成巡檢任務(wù)。依靠智能交互新技術(shù)發(fā)展成為未來智能巡檢機(jī)器人一個(gè)設(shè)計(jì)發(fā)展大趨勢(shì)。

3.3 滿足不同需求導(dǎo)向的定制化設(shè)計(jì)

定制化智能巡檢機(jī)器人可以滿足在不同環(huán)境下和不同用戶需求下在外觀、功能、結(jié)構(gòu)等方面的個(gè)性化需求。加大外型設(shè)計(jì)上的投入能增加對(duì)廣大用戶或企業(yè)對(duì)吸引力[5]。從設(shè)計(jì)發(fā)展來看，未來智能巡檢機(jī)器人的定制化設(shè)計(jì)不僅是顏色搭配的個(gè)性化變化，更注重深層次的智能巡檢機(jī)器人與環(huán)境之間的呼應(yīng)關(guān)系。一方面表現(xiàn)為智能巡檢機(jī)器人在造型結(jié)構(gòu)上與環(huán)境呼應(yīng)，如仿生設(shè)計(jì)，根據(jù)智能巡檢機(jī)器人所使用場(chǎng)地，合理布置仿生設(shè)計(jì)主題，對(duì)智能巡檢機(jī)器人的造型進(jìn)行再設(shè)計(jì)優(yōu)化，建立用戶與智能巡檢機(jī)器人之間的認(rèn)知感知聯(lián)系，以便提升用戶對(duì)智能巡檢機(jī)器人的理解和體驗(yàn)感。另一方面表現(xiàn)為智能巡檢機(jī)器人在設(shè)計(jì)理念上與環(huán)境的呼應(yīng)。例如在煤礦、電力環(huán)境中使用的智能巡檢機(jī)器人可采用綠色設(shè)計(jì)主題。通過綠色材料和新型工藝手段，減緩智能巡檢機(jī)器人的壽命，演延長(zhǎng)工作作業(yè)時(shí)間和效率，達(dá)到少污染、少浪費(fèi)、資源再生循環(huán)理念，與使用環(huán)境形成一個(gè)合理契機(jī)和對(duì)應(yīng)關(guān)系。產(chǎn)業(yè)鏈條的細(xì)化加快了用戶需求的差異化，也就影響了智能巡檢機(jī)器人在個(gè)性化時(shí)代的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，也為未來智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)發(fā)展提供了一種可能性。

4 結(jié)語

智能巡檢機(jī)器人是未來眾多行業(yè)領(lǐng)域中代替人工作業(yè)的一種重要工具，在設(shè)計(jì)發(fā)展的今天，關(guān)鍵技術(shù)、功能與審美、和諧人機(jī)關(guān)系以及市場(chǎng)需求是智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)不可或缺的部分。而相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)以及定制化設(shè)計(jì)也將成為智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。