服務(wù)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

劉逸倫，何倩鴻（通訊作者），王科盛

（電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 四川 成都 611731）

0 引言

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會（IFR）的定義[1]，服務(wù)機(jī)器人可分為專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人和個人/家庭服務(wù)機(jī)器人。專業(yè)服務(wù)機(jī)器人分為物流機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、國防機(jī)器人、農(nóng)場機(jī)器人等。個人/家庭服務(wù)機(jī)器人包括娛樂機(jī)器人、教育機(jī)器人、家庭清潔機(jī)器人、助老助殘機(jī)器人等。

服務(wù)機(jī)器人的使用最早起源于20 世紀(jì)80 年代，由“機(jī)器人之父”恩格爾伯格設(shè)計(jì)的醫(yī)護(hù)助手機(jī)器人是世界上第一臺服務(wù)機(jī)器人。隨后關(guān)于服務(wù)機(jī)器人的研究逐漸興起，市場上出現(xiàn)了軍用無人機(jī)、水下勘探機(jī)器人、農(nóng)場擠奶機(jī)器人、家用除草機(jī)等服務(wù)機(jī)器人。21 世紀(jì)以來，世界服務(wù)機(jī)器人發(fā)展空前迅速，服務(wù)機(jī)器人市場也進(jìn)入繁榮階段。隨之出現(xiàn)了民用無人機(jī)、掃地機(jī)器人、物流運(yùn)輸機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人等大量服務(wù)機(jī)器人的相關(guān)研究和應(yīng)用。

1 研究內(nèi)容

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[2]，2000 年以前，全球服務(wù)機(jī)器人數(shù)量為6 600 臺左右。進(jìn)入21 世紀(jì)后，服務(wù)機(jī)器人行業(yè)蓬勃發(fā)展，經(jīng)過20 年的發(fā)展，2020 年服務(wù)機(jī)器人總數(shù)已達(dá)到2 700 萬臺以上，為2000 年服務(wù)機(jī)器人數(shù)量的4 060 倍。

1.1 服務(wù)機(jī)器人市場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖1 和圖2，為近年來服務(wù)機(jī)器人銷售量統(tǒng)計(jì)。

由圖1 及圖2 可以看出，2005—2010 年，服務(wù)機(jī)器人銷售量較低，專用服務(wù)機(jī)器人與個人/家庭服務(wù)機(jī)器人銷售量增長趨勢基本一致，且增速緩慢；2010 年后，服務(wù)機(jī)器人銷量出現(xiàn)了較為明顯的增長；2015 年左右增長幅度迅速提升；2018—2019 年，相比于專用服務(wù)機(jī)器人，個人/家庭服務(wù)機(jī)器人銷售量增幅出現(xiàn)了明顯提升。

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會的數(shù)據(jù)[3]，在專用領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人中，2010 年前世界上銷量最廣泛的是軍用無人機(jī)和擠奶機(jī)器人，其次為水下作業(yè)機(jī)器人。物流和醫(yī)療機(jī)器人銷量僅占比15%，但由于醫(yī)療機(jī)器人價格昂貴，總銷售額占專用服務(wù)機(jī)器人的35%以上。從2010 年起，隨著自主移動機(jī)器人的概念提出，物流機(jī)器人銷量大幅增長，從2010 年物流機(jī)器人銷量占專用服務(wù)機(jī)器人總銷量的7%增長到2019 年的43%。2015 年后，農(nóng)場機(jī)器人銷量增幅逐漸降低，擠奶機(jī)器人等市場逐漸飽和。整體來看，雖然專用服務(wù)機(jī)器人銷量相比個人/家庭服務(wù)機(jī)器人少很多，但專用服務(wù)機(jī)器人的銷售額卻一直是個人/家庭服務(wù)機(jī)器人的兩倍以上，專用服務(wù)機(jī)器人一直是大部分企業(yè)進(jìn)行研究與產(chǎn)業(yè)化的核心。

在個人/家庭服務(wù)機(jī)器人中，2002 年以前，家庭服務(wù)類機(jī)器人中銷量占比最高的為真空吸塵器與除草機(jī)器人，娛樂機(jī)器人占比最高的為玩具機(jī)器人，玩具機(jī)器人制作簡單，價格低廉。而家庭服務(wù)機(jī)器人價格較為昂貴，性能較差，因此應(yīng)用較少，銷量僅為娛樂機(jī)器人的一半左右。2010 年，隨著技術(shù)的發(fā)展與市場價格的降低，家庭服務(wù)機(jī)器人銷量已經(jīng)超過了娛樂機(jī)器人的兩倍。

1.2 服務(wù)機(jī)器人論文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

據(jù)圖3 和圖4 所示，1990—1995 年，幾乎沒有相關(guān)服務(wù)機(jī)器人的研究論文出現(xiàn)。從1995 年開始，關(guān)于服務(wù)機(jī)器人的研究開始增長；2000—2014 年，相關(guān)研究數(shù)量一直在穩(wěn)定增長；2015—2018 年，論文數(shù)量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長，在2018 年左右達(dá)到最高峰。但自2018 年后，服務(wù)機(jī)器人相關(guān)論文數(shù)量出現(xiàn)了下降趨勢，服務(wù)機(jī)器人整體研究出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。

圖5 列出了中國知網(wǎng)關(guān)于服務(wù)機(jī)器人詞頻最高的35個詞匯，按照2015—2020 年詞頻遞增順序排列。由圖5可以看出，2010 年前機(jī)器人相關(guān)詞頻均較少，其中“導(dǎo)航”“ARM”“水下機(jī)器人”“吸塵機(jī)器人”等詞頻相對較高，此階段對機(jī)器人的研究主要集中在傳統(tǒng)導(dǎo)航和單片機(jī)控制方面，水下機(jī)器人和吸塵機(jī)器人有著較為廣泛的應(yīng)用。

2010—2015 年，“家政服務(wù)”“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)”等詞匯增加較多，說明服務(wù)機(jī)器人的研究方向正在向家庭化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展?！吧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)”“定位”等詞匯增加，表明機(jī)器人的算法正趨于復(fù)雜化，由傳統(tǒng)固定參數(shù)的算法逐漸向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用。“機(jī)械臂”“護(hù)理機(jī)器人”詞頻的出現(xiàn)，表明了該階段的機(jī)器人產(chǎn)品正在走向工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。

2015 年以后，“機(jī)器視覺”“云技術(shù)”“人工智能”“路徑規(guī)劃”等詞匯數(shù)量大增，表明機(jī)器人正朝著云端化、智能化的方向發(fā)展。“機(jī)器人情感”“深度學(xué)習(xí)”詞匯的增加，說明關(guān)于機(jī)器人自主學(xué)習(xí)的相關(guān)研究開始出現(xiàn)，但該類詞匯在詞匯總量上還相對較少?！凹矣脵C(jī)器人”“家政服務(wù)”詞匯自2010 年繼續(xù)增加，家用服務(wù)機(jī)器人的相關(guān)研究正處于繁榮階段。同時“醫(yī)療機(jī)器人”“助老助殘”“特種機(jī)器人”詞頻增加，說明服務(wù)機(jī)器人中關(guān)于此類機(jī)器人的研究大量增加。“節(jié)省成本”“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)”詞頻增加，說明服務(wù)機(jī)器人正在由科研大量向市場轉(zhuǎn)移。

1.3 國外服務(wù)機(jī)器人發(fā)展概述

據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，2019 年，全球范圍內(nèi)有890 家企業(yè)正在研制服務(wù)機(jī)器人。在專業(yè)服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，約90%的物流機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人在歐洲和北美生產(chǎn)，而僅有10%在亞洲生產(chǎn)。家庭服務(wù)機(jī)器人有75%是由美國企業(yè)生產(chǎn)的，亞洲企業(yè)的生產(chǎn)份額占比約為19%，歐洲企業(yè)占6%。

在南水北調(diào)受水區(qū)內(nèi)要根據(jù)不同區(qū)域的地下水情況，分區(qū)分類確定地下水生態(tài)水位。以地下水生態(tài)水位作為地下水合理開采的控制性指標(biāo)，比較直觀地衡量地下水開采情況，保護(hù)地下水資源。

美國在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域起步較早，處于行業(yè)前列。2013 年掃地機(jī)器人全球累計(jì)銷量超過1 000 萬臺。中國在2018 年掃地機(jī)器人累計(jì)銷量為560 萬臺左右。雖然美國服務(wù)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展較早，技術(shù)積累較多，但美國服務(wù)機(jī)器人市場較小，應(yīng)用場景也較少。就掃地機(jī)器人而言，2019 年中國掃地機(jī)器人年銷售量已經(jīng)超越美國兩倍以上，這表明中國相對于美國具有更廣闊的服務(wù)機(jī)器人市場。

日本在20 世紀(jì)60 年代末從美國引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)后，已經(jīng)成為機(jī)器人第一大生產(chǎn)國，且日本的機(jī)器人文化氛圍較好，日本企業(yè)熱衷于研發(fā)服務(wù)機(jī)器人。與中國不同的是，日本機(jī)器人研發(fā)流程主要針對市場，根據(jù)需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品。然而2008 年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，日本經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷，由于市場環(huán)境以及機(jī)器人零部件的價格問題等因素，日本服務(wù)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展也屢遇瓶頸，服務(wù)機(jī)器人市場銷售量一度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。

歐洲在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域同樣處于領(lǐng)先地位。2000 年以來，歐洲整體制造業(yè)出現(xiàn)下滑，服務(wù)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入低谷時期。2017 年，歐盟發(fā)布了“地平線 2020 計(jì)劃”，其中對服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行了大量規(guī)劃，促進(jìn)了歐洲服務(wù)機(jī)器人的研究與應(yīng)用。其中，德國與意大利在人工智能、機(jī)電一體化、人機(jī)交互方面有著較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力[5]。

2015 年以來，由于全球老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，為老年人或殘疾人提供援助的助殘機(jī)器人的市場不斷增長。2019 年全球助殘機(jī)器人銷售額增長了17%。因此，許多國家的研究項(xiàng)目都集中在這個巨大的服務(wù)機(jī)器人市場上[6]。

1.4 國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展大致分為3 個階段：2010 年前發(fā)展階段；2010—2015 年為上升階段；2015 年至今為繁榮階段。

1.4.1 2010 年前發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)中期開始，在國外已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能控制、自主移動等智能機(jī)器人的概念，國內(nèi)在20 世紀(jì)開始也進(jìn)行了相關(guān)方向的研究。但限于硬件技術(shù)的制約，大部分服務(wù)機(jī)器人的研制主要還處在理論和實(shí)驗(yàn)室階段，價格昂貴，無法做到量產(chǎn)，百姓日常生活無法普及相關(guān)產(chǎn)品。只有農(nóng)場擠奶機(jī)器人和安防無人機(jī)方面，由于技術(shù)上相對成熟且價格適中，因此市場應(yīng)用相對較為廣泛。2004 年，中國第一個擠奶機(jī)器人在蒙牛安裝，而由國內(nèi)完全自研的擠奶機(jī)器人在2019 年才完成研制并在洛陽投入使用。

2010 年以來，計(jì)算機(jī)市場飛速發(fā)展，2012 年，英國劍橋大學(xué)發(fā)售了世界上最小的臺式機(jī)Raspberry Pi電腦板，中文譯名“樹莓派”，該電腦僅有一張信用卡大小。樹莓派的出現(xiàn)，代表低成本微型計(jì)算機(jī)開始進(jìn)入市場。

隨著計(jì)算機(jī)的微型化和性能的提升，微型的計(jì)算機(jī)可以裝入小型機(jī)器人并為機(jī)器人帶來大量的算力，使得機(jī)器視覺等所需要的復(fù)雜的計(jì)算量變得可以接受，同時使得更加智能的家庭服務(wù)機(jī)器人成本降低，逐漸進(jìn)入市場。

2012 年左右，隨著自主移動機(jī)器人和智能工廠概念的提出，AGV 的應(yīng)用數(shù)量出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。同時，AGV 由傳統(tǒng)的電磁等導(dǎo)航方式轉(zhuǎn)向雷達(dá)及視覺導(dǎo)航，向著多傳感器融合方向發(fā)展。國際機(jī)器人聯(lián)合會主席曾表示[7]：“以物流機(jī)器人壽命15 年來計(jì)算，運(yùn)營成本僅為年度投資的5%左右。用于物流的服務(wù)機(jī)器人的投資能被迅速回收?！?/p>

2018 年，共有7 700 臺AGV 用于制造行業(yè)和近10.3萬輛用于非制造行業(yè)中。中國電商行業(yè)的發(fā)展也提升了倉庫與物流線對于自動化機(jī)器人的需求，推動了非制造業(yè)自動化物流的趨勢，使得AGV 并不僅被用于制造業(yè)企業(yè)的工廠，同時廣泛出現(xiàn)在電商企業(yè)的倉庫，造就了巨大的市場。

2010 年后，由于硬件價格的降低和芯片性能的提升，使用激光雷達(dá)或視覺導(dǎo)航的掃地機(jī)器人大量進(jìn)入市場[8]。隨著iRobot 等掃地機(jī)器人產(chǎn)品的出現(xiàn)，家庭服務(wù)機(jī)器人市場銷量大增。2017 年，打掃機(jī)器人、除草機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人已經(jīng)占服務(wù)機(jī)器人銷售量總數(shù)的3/4。

1.4.3 2015 年至今發(fā)展現(xiàn)狀

2014 年開始，4G 網(wǎng)絡(luò)正式投入商用，隨著通信速度的提升，機(jī)器人的發(fā)展也由本地轉(zhuǎn)向云端。同時，隨著計(jì)算機(jī)性能增加，計(jì)算量得到提升，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也不斷進(jìn)步。此階段服務(wù)機(jī)器人向著云平臺、云計(jì)算、人機(jī)智能交互方向發(fā)展。同時，越來越多的國內(nèi)廠商開始參與家庭服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)，產(chǎn)品價格逐漸平民化，開始進(jìn)入市場。

中國目前正面臨著老齡化越來越嚴(yán)重的問題，2021年，中國60 歲及以上人口為26 402 萬人，占總?cè)丝跀?shù)的18.70%，這催生了巨大的助老服務(wù)機(jī)器人市場。早在2010年，國家863 計(jì)劃就對助老助殘機(jī)器人進(jìn)行大量的支持，如中科院自動化研究所研制的智能輪椅等，極大地方便了老年人的出行[9]。2019 年助老機(jī)器人銷量占個人服務(wù)機(jī)器人的17%，目前助老機(jī)器人的發(fā)展還處在起步階段，預(yù)計(jì)此類機(jī)器人未來5 年還會有較大的發(fā)展前景。

近年來，醫(yī)療機(jī)器人同樣發(fā)展迅速，隨著機(jī)器視覺的發(fā)展和機(jī)械臂控制精度的提升，手術(shù)機(jī)器人達(dá)到了真正遠(yuǎn)超人類的手術(shù)精確度。2015 年，我國醫(yī)用機(jī)器人年度申請專利數(shù)量已在服務(wù)機(jī)器人中位列第1，為上一年度的4 倍，2017 年醫(yī)用機(jī)器人累計(jì)申請專利數(shù)已超越排名第2的無人機(jī)1 萬件以上[10]。2019 年醫(yī)療機(jī)器人的銷售額在專用服務(wù)機(jī)器人中占47%。

2019 年，新冠肺炎疫情的出現(xiàn)使服務(wù)機(jī)器人市場繼續(xù)增長。由于疫情帶來的勞動力工作不便情況，使用服務(wù)機(jī)器人是非常好的替代方案。同時，這也對機(jī)器人消毒的解決方案、工廠和倉庫中的機(jī)器人物流解決方案或家用送貨機(jī)器人的需求大幅提高，促進(jìn)了服務(wù)機(jī)器人行業(yè)技術(shù)水平提升。

2 結(jié)語

《中國制造2025》[11]中要求家庭服務(wù)機(jī)器人具備自主移動、自主學(xué)習(xí)、與人自然交互的能力；養(yǎng)老助殘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、與人自然交互，實(shí)現(xiàn)可穿戴輔助等；醫(yī)療機(jī)器人向著軟體、多手指、醫(yī)用影像結(jié)合方向發(fā)展；無人機(jī)向多機(jī)合作、預(yù)編程控制方向發(fā)展；仿生飛行器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。由此可見，根據(jù)《中國制造2025》對服務(wù)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)和要求，服務(wù)機(jī)器人向著機(jī)器自主學(xué)習(xí)、能與人類自然交互以及多機(jī)互聯(lián)的方向發(fā)展，未來養(yǎng)老助殘機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人以及無人機(jī)特種機(jī)器人是幾個重要發(fā)展方向。

隨著技術(shù)的進(jìn)步、全球老齡化趨勢和勞動力不足等因素推動，未來服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速持續(xù)的增長期。雖然我國機(jī)器人研究起步較晚，但服務(wù)機(jī)器人在全球也是新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)研發(fā)與制造依然處在探索階段，我國同樣有許多服務(wù)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)可以站在世界前列。與工業(yè)機(jī)器人不同，服務(wù)機(jī)器人是面向廣大消費(fèi)者的，擁有著十分廣闊的市場，對服務(wù)機(jī)器人的研究應(yīng)結(jié)合技術(shù)與市場，統(tǒng)籌國家政策與相關(guān)行業(yè)規(guī)范，堅(jiān)持自主研發(fā)與自主創(chuàng)新，才能真正做到讓服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入每一個人的生活。