1、服务机器人的研究进展 徐思聪(浙江省宁波大学科技学院 宁波：315000)摘要（小五黑体）：将人工神经网络理论和算法应用于双层辉光离子渗金属工艺的研究，在对网络进行训练的基础上，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层表面成分和元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的数学模型，试验结果与计算结果十分吻合。 （小五宋体）关键词（小五黑体）：双层辉光 人工神经网络 预测模型（小五宋体）中图分类号（小五黑体）：TG156（小五宋体）Research progress of the service robot XU Si Cong (College of Science & Technology Ningbo
2、 University Ningbo:315000 )Abstract（小五黑体）：The theory and the algorithm of the artificial neural network are applied in the research of the technique and the composition, the gross mass fraction of element, the thickness of surface alloying layer as well as the absorption rate is built. The calculati
3、on results are in good agreement with the experimental results.（小五）Key words（小五黑体）：Double glow Artificial neural network Prediction model0 前言0.1 定义 *家政机器人 指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等；所述感知装置将在家庭居住环境内感知到的信息传送给控制装置，控制装置指令执行装置作出响应，并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制，以及家庭娱乐、病况监
4、视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。0.2 产生背景 0.2.1 “老龄化”问题的浮现人口老龄化是社会发展的必然结果，也是社会进步的象征，但同时也给社会带来一系列问题。老年人是一个特殊的群体，在生理健康、各项与年龄有关的生理功能等方面明显不如年轻人，认知功能的进行性衰退严重影响着老年人的个人和家庭生活；精神忧郁则使部分老人遭受着痛苦；有些老人必须部分或全部依赖他人生活。0.2.2“空巢化”问题的浮现都市社会最易遭受家庭“空巢化”的挑战。竞争赋予了年轻人只争朝夕的使命感，人们都在紧张地为生计而忙碌；陷入了角色困境，要同时扮演好成功人士的角色、合格父母的角色和孝顺子女的角色往往是勉为其难的。0
5、.3 研究意义所述感知装置将在家庭居住环境内感知到的信息传送给控制装置，控制装置指令执行装置作出响应，并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制，以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。月 2012 年 4 月 徐思聪：服务机器人的研究进展 11 发展历程1.1 机器人的发展历程表 1 机器人的发展历程年代 事件1946 第一台数字电子计算机1952 数控机床的诞生1947 美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947 年开发了遥控机械手1954 美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利1962 美国 AMF 公司生产出“VERSTRAN”,与 Unim
6、ation 公司生产的 Unimate 机器人 1965 约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出 Beast 机器人 1967 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人 Shakey1970 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人 2006 微软公司推出 Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。1.2 服务机器人的发展日本是世界上发展商业服务机器人最早的国家,目前已有 10 多种服务型机 器人问世,推动本国商业服务机器人产业发展已成为日本政府既定国策.很长一 段时间以来,日本一直是世
7、界上最大的机器人制造国,其产量是世界其他国家总 和的两倍.日本拥有一批年轻,知识渊博的机器人专家,在注册的 5000多名机 器人工程师中,近一半是专门研究人工智能领域的.以追求产业开发为导向的日 本,已经与善于创新的美国在人工智能研究水平上难分伯仲.现在,日本的松下 电工,NEC,索尼 ,丰田,本田等公司都在每年投资上亿美元开发商业服务机器 人,以保持自己在世界上的领先地位.近几年,日本公司推出一些家庭服务类机器人,可以起到保安,打扫卫生, 照顾老人等作用.由于人工智能,声音及图形识辨科技,无线电脑网络的不断发 展,新一代家庭机器人将更“自立“ 与互动,不再需要遥控 .在高端方面 ,索尼 公司
8、推出的宠物机器人和机器狗,可以取物,回答主人的问话,照相,当电池不 足时可以自己寻找电源插座并给自己充电.商业服务机器人将为社会带来巨大的 效益,也会为其制造者带来滚滚财源.日本在世界机器人产品市场上在占据了很 大份额,其机器人产品的造型跟日本其他产品一样,结合传统的理念,运用现代 的元素和构成手法,走在了设计的前沿.产品精细,线条洁净简约,实用至上, 并带有民族印记. 美国是机器人的诞生地,比起号称“ 机器人王国“ 的日本起步至少要早五六年.经过 40 多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一,基础雄厚,技术先进,尤其在工业机器人及军用机器人方面格外引人注目.2004 年在美国加 利福
9、尼亚州 Santaclara 举办的机器人展“RoboNexus上,美国机器人产业在商 业服务机器人市场开拓方面表现出了积极的动作.该展会的发起者 iRobot 公已 于 2002 年 9 月推出了低价位机器人吸尘器“Roomba“,截止 2004 年 7 月成功售 出了 50 万台.此外还有大型客机清洗机器人,汽车加油机器人等各种服 务型机器人被广泛使用.美国还致力于电子元器件的研究开发,这为商业服 务机器人向高性能及低价位迈进提供了支持,并使商业服务机器人模块化成为可 能,以增加产品的适用性及趣味性.目前,中国的机器人研究也取得了一些成绩, 科研部门和大专院校也在这一领域有所建树.05 年
10、 1 月 16 日,我国第一台具有 自主知识产权的家用服务机器人“自主吸尘机器人 ,由浙江大学流体传动及控 制国家重点实验室研制成功.浙江大学科技人员经过 8 年的研究,在多个方面进 行了原始性创新,拥有完全的自主知识产权,目前已授权发明专利 1 项,实用新 型专利 2 项,并已申请发明专利多项.近日,沈阳新松机器人自动化股份公司研 制出了一台名叫“亮亮“家庭机器人.它的下身有两个如汽车尾灯的东西,叫声 纳探测,可帮助它躲避障碍物而在家中自如行走.它能唱歌,会说相声,能报警, 会发短信,还能教孩子英语.在哈尔滨工业大学,一个能自主走路,说话,干活。2 典型服务机器人从应用领域，对目前国内外所研
11、究的典型服务在网机器人，关于其结构、工作原理、特点、性能进行详细说明。2.1 国内的状况我国的机器人技术发展最先进的地区在东南部沿海2.1.1 多功能家用手杖式购物车一种能根据家庭人员需要，变换车体形状，达到家庭常用多种用途的一种新型家用多功能购物车。由手杖式主杆与车底架、翻转座椅、半圆围栏、合页式车底板连接组合而成，可提供购物车、童车、行李车、小拖车、助力支撑活动手杖、休闲座椅多种功能，能折叠、易存放、占用空间小。月 2012 年 4 月 徐思聪：服务机器人的研究进展2手杖式多功能家用购物车（改进型）特点:1.全车采用不锈钢制作，造型精巧、美观.2.功能齐全，适用性强，家庭成员都能使用.3.
12、能根据实际情况改变该车形状，一车多用.功能:1.平时购物将所购物品（塑料袋）挂在车钩上就行，免去勒手、负重之苦，双手得到解放.2.购大型物品放下支撑杆（可调节） ，就变成一辆四轮小拖车.购整袋米、整箱油等大件物品非常轻松.3.特制座椅购物途中休息，或外出出旅行出差、钓鱼时，特制不锈钢小座椅，安全、舒适给您带来极大的方便.4.小童车外出散步、购物如果带了小孩（两岁以上），该车既是一辆小童车，所带物品挂在挂钩上即可，带小孩、购物两不误.5.活动手杖平时老人出去散步时，将手的重心转移到手杖上，即起 图 1 多功能家用手杖式购物车到活动手杖的作用，一改传统手杖使用方式，轻松伴你行.6.折叠能折叠、易存
13、放、占用空间小.收藏、乘车非常方便.7.安全装置转向挂钩、安全插销、稳固定位栓，确保放心使用.8.该发明曾参加安徽卫视金行动栏目,并入选年度 10 大推广项目.湖南卫视、湖南经视、湖南公共、四川卫视等多家媒体作过报道.2.1.2 家庭服务机器人系类（1） 小管家机器人阿仔小管家机器人 “阿仔” ，主要负责家里的管理工作。阿仔还可以进行一些简单的家务工作，是现代家庭的好帮手。他胸前的交互界面可以使主人能够时时控制系统，时时了解其运行状态。主人每发出一个操作或指令后，能及时得到系统的反馈或反应信息。减少了操作的复杂性，减少了视觉、记忆和逻辑思维的负担，减少了在操作过程中的学习负担，一切只需要，在屏
14、幕上输入一些简单的指令，即可完成操作。图 2 小管家机器人阿仔（2） 小伙伴机器人夏七小伙伴机器人夏七，是家里的开心果，可以为老人、小孩提供娱乐与陪伴。由于她那亲切可人的外形，对于老人，像自己的小孙女，对于小孩，像他的大姐姐，容易被大家所接受，在大家心中容易产生共鸣，成为老人与小孩的好伙伴，把握了使用用户的情感内容，符合用户情感体验，使之产生喜欢和愉悦的态度，来面对人生。另外，夏七还可以进行简单的家务工作，使生活带来便捷。图 3 小伙伴机器人夏七（3） 监控机器人robot boyROBOT BOY 是一款监控机器人，负责监控家中的情况。 BOY 可以与其他机器人进行传达，形成交互网络，统筹掌
15、握整个机器人家族与现代家庭的和谐共处，主动发现问题，并加以合理地解决，从“主动性”原则出发，考虑人机之间的相互关系，使这种人机之间的体验过程变得更加直接，充分发挥人机的各自特点，体现主动。图 4 监控机器人robot boy（4） 传菜机器人小二哥居家传菜机器人-小二哥，主要是负责家里的端菜月 2012 年 4 月 徐思聪：服务机器人的研究进展 3以及端茶送水，前面可抽式的小桌面，可以平稳的送菜，加上他有定时的功能，可以通过胸前的显示屏，来跟主人进行交流。另外，其还在是“主动服务”于人，端菜完过后 20 分钟，会自动前往餐桌，进行收拾。图 5 传菜机器人小二哥（5）设计理念在机器人的设计中，主
16、要遵循人性化、情感化、智能化的设计方法，在很大程度上是“主动服务”于人，而不是像其他产品一样，多数时间被动地受控与人，频繁的依赖人的操作。在人机交互的整个过程中，考虑到人机之间的相互关系，使这种人机之间的体验过程变得更加直接，充分发挥人机的各自特点。另外，设计的机器人在功能上很大程度上满足了现代用户的需求，小管家、小伙伴、传菜、监控，在生活的方方面面都能用得到。机器人能够形成一个人机交互的网络， 监控机器人可以与多个机器人进行传达，形成一个信息交互网络，统筹掌握整个机器人家族与现代家庭的和谐共处，主动发现问题，并加以合理地解决。（6）设计体现1.使老年人有充足的机会进行社会交往。2.使老年人有
17、充足的机会表达感觉。3.有充足的渠道获得感情支持。4.有机会参与有趣的富成果的活动并达到目标。5.能够达到特定情境的要求。6.对于自己的身体状况、社区资源有所了解。7.知道东西在哪里、应期望什么、在新环境中如何行动。8.在身体和自我照顾方面有需求时能获得帮助。（7）设计意义机器人的内部结构复杂，技术要求高，有驱动技术，材料技术，传感技术，通讯技术和软件技术等；同时，家庭服务机器人不同于工业机器人，家庭服务机器人要充分考虑到人机交互，要以人为本，首先在形态设计上：要体现产品使用上的舒适感和愉悦感；其次在色彩设计上：要去除机器人的机械感，给人亲切的暗示；再次在材质设计上：多采用 ABS工程塑料，这
18、样更适合融入到家庭之中；最后在人机交互方面：带显示屏的机器人要有友好的操作界面，其他的接口和按钮的操作要以人为本，用户在操作的时候要方便舒适。2.1.3 家用服务机器人（1）设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标为解决人口老龄化等带来的重大社会服务问题以及我国对服务机器人不断增长的需求，需研发出高性价比的家庭服务机器人，其对家庭娱乐，家庭服务和助老/助残等具有重大意义。机器人技术的发展势在必行，21世纪机器人将成为人类密切的伙伴，成为人类生活不可缺少的一部分，家家都将拥有机器人。机器人技术进军家庭领域不是偶然、孤立的，它的发展与电子技术、智能技术、通信技术等多学科的发展息息
19、相关。这些高新技术的快速发展，使得在家庭领域研究机器人技术的使用成为了可能。目前的家庭服务辅助器械一般都缺少智能化，而该作品将充分结合智能车辆和机械手的特征完成部分家庭工作，达到的功能和创新点如下：（1）该机器人下部为智能四轮小车，完成机器人自动行走的目的；（2）智能四轮小车上搭载机械手，可以完成物品抓取等任务；（3）智能小车的智能控制和机械手的协调合作是关键所在；（4）该智能机器人具有语言功能。 （5）该智能机器人能用遥控器进行功能切换。 主要结构数据和组成部件：（ 1）车长 35cm，车宽22cm，车高，25cm，车重2.5kg （2）电路分采用7.2V 电源供电，共15个电容，功耗低,以
20、89C52单片机为核心控制器。 （3）驱动电机4个，机械手1个。 （4）遥控器1个（5）STC89C52、STC12C5A月 2012 年 4 月 徐思聪：服务机器人的研究进展4图3 家庭服务机器人（2）科学性、先进性家庭服务机器人作为先进制造业自动化领域的一个重大方向和专题，是目前国内外研究的热点。家庭服务机器人系统主要包括运动控制单元、导航与定位单元、传感器单元、智能监控单元和人机交互单元。该作品车上装载有一个与人手相似的机械手，通过对控制器的 C 语言编程，能够控制它灵活地进行扫地，端水等服务项目。该作品还能够实现简单的问候以及特定的语言提醒。加大对机器人科学的基础研究，加强对机器人核心
21、技术的攻关，培育机器人产业市场，不仅能够带动机器人技术本身的发展，同时也必将引领其他相关高新技术的发展和壮大，对国家发展战略性新兴产业有极大的推动作用。主要参考文献：【1】蔡鹤皋机器人将是21世纪技术发展的热点 J中国机械工程，2000，11(1-2 )：58-60 【2】金周英关于我国智能机器人发展的几点思考 J机器人技术与应用，2001，5-7 【3】 何宏. 单片机原理与接口技术.各一片图4 家庭服务机器人（3）使用说明,技术特点和优势,适应范围通过遥控器可以控制小型智能机器人实现抓水杯或饮料瓶等物品并送至指定地点和在较大范围内打扫地面垃圾并利用机械手将较大垃圾抓起放入随车携带的垃圾箱内
22、等功能的切换。技术特点和优势等：通过单片机智能控制电机和机械手等的运动。在信息时代的今天，人们忙碌于工作、社交等各种活动和事务中，家庭的许多琐事越来越需要助手协助完成，家庭机器人的研究也正迎合了这一时代的需求。目前的家庭服务辅助器械一般都缺少智能化，而该作品将充分结合智能车辆和机械手的特征完成部分家庭工作。虽然现在人们还不能拥有一个全智能的机器人管家, 但至少可以把一个基本家庭服务机器人带回家。机器人面向实际应用方向发展有着重要的现实意义：世界正逐步走向老龄化社会，服务于家庭生活（特别是老年人）的智能型机器人的研发与产品化迫在眉睫，而这正是引导机器人研发走向的最可能切入点和社会最大需求点。随着
23、开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难。2.2 国外的状况2.2.1 Roomba 机器人吸尘器（ 1） 概 述产 自 美 国 的 Roomba 扫 地 机 器 人 是一种智能的家庭清洁工具，具有 图 5 Roomba 扫 地 机 器 人防缠绕、防跌落、定时清扫、自动回去充电、可以记住，房间的布局以提高清扫效率等智能特性吸尘机器人具有真空吸力可以吸取灰尘和微粒，灰尘时人类健康的大敌灰尘是人类健康的大敌，所以人们特别讨厌它，灰尘带着许多细菌病毒和虫卵到处飞扬，传播疾病。吸尘机器人的主要用途也是打扫房间的灰
24、尘和污物，特别是墙角和床底等不易打扫的区域，Roomba 扫地机器人都可以打扫的干净。（2）工 作 原 理Roomba 扫地机器人使用的 iAdapt 技术，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。iAdapt 让Roomba 扫地机器人以主动对清扫环境进行监测，每秒钟思考次数超过 60 次，并且能够以 40 种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。（3）二十一大优势月 2012 年 4 月 徐思聪：服务机器人的研究进展 51、 品牌历史悠久：1990 年创立，全球家用机器人第一品牌，值得信赖2、 技术经验过硬：21 年的军用、警用、救难、侦测等机器人专业研发团队，技术 有保障3、 专利技术：i
25、Adapt 人工智能专利，可进行自发式的思维与思考，并产生行为4、 特色功能：三段式清扫，双刷头专利技术，三角边刷设计，可轻松清扫房间墙角、桌脚、椅角的灰尘，确保清洁无死角5、 智能侦测：感应到灰尘特别脏的区域，会加强来回清扫6、 预约定时：可直接设定一周七次每天自动清扫，方便实用7、 超薄设计：高度仅 9 公分，可轻松进入桌子、椅子、沙发、家具和床下清扫8、 防跌落功能：自动侦测悬空功能，不用担心机器本身会跌落9、 自动回充功能：清洁过程中如遇电量不足，自动返回充电座，无需人工操作10、 语言功能：16 国语言提醒，协助处理故障11、 长效电池：充满电可连续清扫 60 分钟以上12、 低碳节
26、能：智能感应洁净度，连续 7 分钟没有扫到垃圾主机会自动停止清扫。13、 充电时间短：快速充电只需 3 小时14、 自动虚拟墙：可限制机器人吸尘器清扫区域范围,它会识趣的离开禁区15、 越障功能强：可轻松爬上高度 2 公分以下的地毯、地垫等进行吸取灰尘和毛发16、 清洁能力强：毛发、瓜子、核桃壳轻松吸走17、 多模式清扫：螺旋式、随机游走式、沿墙走式、重点打扫式，确保全面清洁覆盖率高达 98%18、 防缠绕功能：如被电线、地毯或流苏线类缠绕，会自动回转解脱19、 缓冲侦测感应：能自动监测闪避楼梯和障碍物20、 市场占有率高：全球销量遥遥领先，已超过600 万台。21、 人性化设计：制作精巧，耐
27、用，外壳面板可更换，贴近生活2.2.2 Care-O-bot 3 机器人德国很快推出一款家政服务机器人，能够搬运沉重、肮脏的物体，减轻单调乏味令人讨厌的家庭琐事。这款新一代家政服务机器人被命名为“Care-O-bot? 3”。它的身高仅 1.45 米，其设计用于帮助人们处理一些家庭琐碎杂事，这款学习能力很快的家庭助手机器人是由德国斯图加特市弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所(IPA)研制而成的。但是这款机器人如何知道在什么地方进行服务工作？以及怎样做才能使它不会用手臂意外地对人体构成伤害呢？科学家们在机器人上安装的众多传感器可以实现以上要求。立体视觉色彩摄像仪、激光扫描仪、3D 摄像仪能够确保家
28、政机器人能够实时地将周围环境以三维视觉形式呈现。如果某个人进入它的手臂半径范围内，它将会停止下来，避免与某人发生碰撞。此外，它还能以任何方位移动。IPA 此项家政和私人服务机器人设计团队负责人伯吉特格拉夫说， “通过四个独立操纵控制车轮，可以实现全方位操控平台。它可以在室内安全通过一些狭窄的区域。 ”据悉，这款家政服务机器人只有一只手臂，这个高灵活手臂具有 7 种自由灵活程度，机械手上有三个手指可以使其能够拿起瓶子、杯子和类似的物体，还能进行机械操作。在机器人身上安装的压力传感器可以避免它用力攥握过度。该机器人的手臂和手指钳夹装置是由德国雄克公司提供。在机器人前端装配着一个盘子，它可以将客人需
29、要的咖啡放在这个盘子中。一个整合在盘子上的触摸屏可以进行辅助性控制，同时该机器人也可以直接通过语音命令控制。格拉夫解释称，不同于之前的机器人设计，这款机器人还能识别和响应一些手势。大量的家政服务清单存储在机器人的数据库内，比如：茶杯长得什么样，在厨房什么地方可以找到它。它还能够识别一些新的物体，人们将一个未接触过的物体放在机器人手中，它可以获得该物体的三维结构信息，进而实现下一步对该物体的分辨。然而，这款机器人看上去并不像人类。IPA 该机器人项目经理克里斯多弗帕里特兹说， “在我们进行 Care-O-bot? 3 设计时，有意识地脱离了现有的仿生家政机器人外型设计。 ”月 2012 年 4
30、月 徐思聪：服务机器人的研究进展63 发展展望对服务机器人技术的发展进行展望3.1 传感器 需从以下两个方面进步3.1.1 改进原有传感器的性能最突出的是视觉传感器，要求能更高的分辨率，更快的处理速度，这要求了图形识别技术进一步发展。3.1.2 开发新型传感器比如嗅觉传感，对于家庭保安机器人是一个突破的进展，拥有了这个，机器人可以通过分辨不同的气味来做出不同的反应，可以像狗一样能闻出陌生人的气味。这样可以减少机器人的移动，不必不停的巡逻，节约能源。不过这个要与化学有很多的交叉，及生物技术，我们对嗅觉的研究还不完善。3.2 功能向多功能发展，现在已经证明单一的功能是不适合社会要求的，功能的复合也
31、提高资源的利用率。3.3 速度 向高速方向发展，处理器、控制器、驱动执行的速度被要求更高，现在的大多都动作缓慢，有些紧急状况不可使用。另外又要考虑动作的精度，这两者是矛盾的，如何更好的解决这个矛盾，需要新思路、新方法。3.4 智能 向高智能发展，与人自由交流，可以与人做朋友，而让人感觉不到是机器人，并且要有强于人的功能，像动画片中的机器猫那样就更好了，能作人随时的帮助。参 考 文 献（五号黑体）1 IMLACH J, BLAIR B J, ALLAIRE P. Measured and predicted force and stiffness characteristic of indust
32、rial magnetic bearingsJ. Trans. ASME J. Tribol., 1991, 113：784-788. 2 ANTILA M, LANTTO E, ARKKIO A. Determination of force and linearized parameters of radial active magnetic bearings by finite element techniqueJ. IEEE Trans. on Magn. 1998, 34(3)：684-694. 3 MIZUNO T, ARAKI K, BLEULER H. Stability an
33、alysis of self-sensing magnetic bearing controllersJ. IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., 1996, 4： 572-579.4 DAVID C, MEEKER E H, MYOUNGYU D N. Anaugmentanaugmented currents model for magnetic bearings force and linearized parameters of radial active magnetic including eddy currents, fringing, and le
34、akageJ. IEEE Trans. on Magn. , 1996, 32(4)：3 219-3 227.5 CHAN T H, CHEN S L. Exact linearization of a voltage-controlled 3-pole active magnetic bearing systemJ. IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., 2002, 10(4)：618-625.6 朱祖超. 超低比转速高速离心泵的理论研究及工程实现J.机械工程学报，2000，36（4）： 30-33.ZHU Zuchao. Theoretical study
35、and engineering implementation of super-low-specific-speed highspeed centrifugal pumpsJ. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2000，36（4）：30-33.非英文的参考文献采用非英文、英文双语形式作者简介(六号黑体)：徐江(通信作者)，男，1973 年出生，博士研究生，主要研究方向为表面改性方面的研究。 （六号）E-mail(六号 ):：XXX，男，1960 年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为表面改性方面的研究。 （六号）E-mail(六号 ):：
