第11章 家用机器人

2020-03-01 144浏览

  • 1.机器人引论 第11章 家用机器人
  • 2.第11章 家用机器人 o o o o 11.1 家用机器人的定义与发展历程 11.2 家用机器人的特点与发展趋势 11.3 家用机器人关键技术与研究课题 11.4 家用机器人的应用
  • 3.11.1 家用机器人的定义与发展历程 o 家用机器人的定义与分类 家用机器人属于服务机器人中的重要一类，指可以在家庭中为用户提供服务的服务机器 人。家用机器人主要是对家庭中人们健康、生活价值以及家务劳动和护理起辅助作用。 家庭用途机器人 室内机器人 室外机器人 扫地机器人 除草机器人 窗户清洗机器人 泳池清理机器人 娱乐休闲机器人 家庭娱乐机器人 远程监控机器人 教育机器人 教育机器人
  • 4.11.1 家用机器人的定义与发展历程 o 家用机器人的发展历程 Twendy-one 机器人 AR机器人 Pepper机器人 经济产业省为家庭服务 机器人科技发展做出战 略规划，其在2009年 的资助金额就达到了 9700万人民币 80年代，将家用机器人 作为具有重大意义的目 标写入国家层面的路线 图中。 日本 Roomba扫地机器人 在2006 年，微软的 机器人部门就推出了 机器人操作系统 Robotics Studio。 2010年，从谷 歌分蘖 出的Willow Garage公 司也推出了自己的ROS 操作系统，并迅速占据 了相当高的市场份额。 美国 谷歌公司在2013年下 半年以来，谷歌更是 密集收购了9家机器 人公司，可见谷歌对 机器人项目的重视。
  • 5.11.1 家用机器人的定义与发展历程 o 家用机器人的发展历史 韩国政府曾在2008年3月制定了《智能机器人促进法》，2009 年4月公布了《智能机器人基本计划》。韩国知识经济部发布了韩 国实现成为世界三大机器人强国目标的方案——《服务型机器人 产业发展战略》。希望通过开创新市场来缩小与发达国家2.5年的 差距，提出到2018年加强机器人产业全球竞争力的方案。计划通 过该战略让2009年仅为10%的世界机器人市场占有率到2018年提 升至20%。 “地宝九系”智能 扫地机器人 韩国iRobi机器人 2006年，发展智能服务机器人被列人我国《国家中长期科学和技术 发展规划纲要(2006-2020年)》；2012年，我国发布《智能制造科技发 展“十二五”专项规划》和《服务机器人科技发展“十二五”专项规 划》。 《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》把 智能服务机器人列为未来15年重点发展的前沿技术。2012年5月，科技 部主持召开了中国机器人产业推进大会，会议明确提出把家用服务机 器人作为未来优先发展的战略技术，这使得我国的家居服务机器人的 发展有了很大提高，服务机器人产业将会成为我国新的经济增长点。
  • 6.11.1 家用机器人的定义与发展历程 o 全球家用机器人总体研发现状与市场 右图为家用服务机器人专利数量随年度变 化的情况。自20世纪90年代以来，家用服务 机器人专利申请数量持续快速增长，表明家 用服务机器人相关技术越来越受到关注，相 关研发正在快速发展。日本和韩国受理的专 利数量占有绝对优势，尤其是日本，其专利 局的受理数量最多，约占总量的42.5%，韩国 专利局的受理数量约占总量的30%。其次是 美国、中国、德国。由此可见，日本、韩国 、美国、中国、德国是家用服务机器人的重 要研发和竞争区域。 根据市场调研机构报告，家用机器人2012年销售量接近200 万台，销售额接近7亿美元。 国际机器人联盟（IFR）预测认为，2013-2016 年估计会有 2200 万个人/家用机器人得到销售 。其中家用机器人销量估计为1550万台，销售额达56亿美元。IFR 认为，随着云机器人技术 获得重大突破，小型家庭用辅助机器人将大幅度降低生产成本，将在 2020 年之前形成至少 累计 416亿美元的新兴市场。由此可以看出家用机器人强劲的市场需求。
  • 7.11.2 家用机器人的特点与发展趋势 o 家用机器人的特点 l 强调人的良好交互性 家用机器人是为家庭和个人服务的机器人，工作过程中与人类有着密切的交互 。家用机器人想实现与人的良好交互性，首先就得适应人类，能与主人和睦相 处。并且为了保障人类的安全，家用机器人需要采用十分可靠的安全技术。机 器人因停电、计算机失控、机械性破损等诸多原因而失控时，故障系统应该输 出趋向安全(如停机)的动作指令。此外，利用材料、结构自身的柔软性，也可实 现安全性。 l 工作在复杂、半结构化或者非结构化的环境中 家用机器人的作业场所是一个非常复杂的环境，包括各种家具，有楼梯和台阶 ，有移动的人类与宠物。在家庭中，机器人要在桌子、椅子和各种家用电器之 间行走，打开各种电器产品的开关，检测主人的位置和行动。这些都应用于非 结构化环境，结构比较复杂，要求其能够根据自身的传感器与实时通信，获得 外部环境的信息，从而自主进行决策，完成相应的作业任务。
  • 8.11.2 家用机器人的特点与发展趋势 o 家用机器人的发展趋势 l 交互人性化 人类可以通过多种自然、舒适、易于掌握的交互方式与家用机器人进行交互。近年来， 采用语音、手势、表情、身体姿态等形式进行人机交互得到越来越多的研究和认同。 l 智能化 智能化体现在智能计算和环境智能化两个方面。现行的CPU运算能力已经能够满足一般 机器人的运算需求，各种智能算法在机器人的应用将是未来服务机器人技术发展趋势； 环境智能化瞄准的方向是：1）通过智能化的环境本身实现机器人服务；2）通过智能化 的环境强化其环境中的单个机器人的功能。 l 网络化 虚拟的网络和实际的机器人相结合，是家用机器人一个重要的发展方向。“互联网+”的支 撑平台则借助物联网、云计算、大数据等技术，为服务机器人提供了一个巨大的信息采 集、处理和智能决策平台，延伸了服务机器人自身的感知、计算和操作能力。 l 标准化、模块化、平台统一化 在世界范围内，建立服务机器人标准，推进服务机器人模块化和平台统一化已成为一种 越来越明显的趋势。如今，国外发达国家，美国、欧盟、日本、韩国等都在加快开展体 系结构、中间件与模块化技术攻关，已经相继制定或准备制定服务机器人相关标准。
  • 9.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 室内自主导航技术 Where am I? Where am I going? How do I get there? 移动机器人的自主导航问题被 Leonard和Durrant-Whyte等人分解为三个经典 的问题：“Where am I（我在哪里，机器人定位的问题）？”，“Where am I going（我要到哪里去，目标识别的问题）？”，“How do I get there（我如何 到达那里，也就是路径规划的问题）？”。同样的，在室内移动机器人导航里 也存在着这三个方面的问题，通常涉及到地图表示模型和地图创建、自主定位 和路径规划这三方面的研究。
  • 10.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 室内自主导航技术 栅格地图 拓扑地图 特征地图 机器人地图表示模型可分为几何地图和 拓扑地图两大类。 (1) 几何地图又可分为栅格地图和特征 地图。栅格地图将空间环境地图划分为 若干规则方格，采用有效的传感器几何 模型确定当前栅格区域是否被占用。特 征地图由一系列包含位置信息的特征组 成，主要包括,多面体、平面体、直线 、角点、目标边缘等，特征地图的创建 包括特征检测、特征匹配和更新三个方 面。 (2) 拓扑地图由环境中特征位置或区域 组成的节点及其连接关系组成。拓扑地 图节点的定义和识别是首要问题，它可 以由操作人员直接定义或由机器人系统 自动生成。
  • 11.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 室内自主导航技术 l 自主定位 针对解决家庭服务机器人的定位问题，所应用的定位技术大体可以分为两种类型：相对 定位和绝对定位。 1）相对定位也可以称为局部定位，服务机器人预先知道自己的初始位置，在行进的过程 中，以初始位置为先验条件，再根据每一步的运动状态确定当前服务机器人在局部环境 中的位置。常用的方法有航迹推算法和测距法等。 2）绝对定位也可以称为全局定位，当服务机器人在不知道自己的初始位置时，根据概率 密度分布、粒子优化等方法进行定位。常用的方法有混合蒙特卡洛定位方法、马尔科夫 定位方法等。 l 避障路径规划 1）从起始点运动到目标点的路径规划，路径规划问题的输入一般包括环境和机器人的几 何描述以及起始点和目标点，输出是一条安全的路径。常用的路径规划方法主要有四种 ：路线图方法、单元分解方法、势场法和爬行虫方法。 2）覆盖规划，适合于清扫地面、割草、探测地雷、收割、喷涂等任务，要求机器人必须 通过环境中的每个自由点。覆盖算法有启发式算法、基于模板的方法、近似栅格分解法 、精确单元分解法和最优分解法等。
  • 12.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 家用机器人的控制 针对家用机器人，目前比较成熟的控制方式有： 1）触摸屏操控方式：触摸屏操控是技术最成熟、最有效的操作方式，实时传递指令信 息，响应速度快。但1其缺乏灵活性，适用于机器人的初始化配置等。 2）基于GSM/GPRS 网络的远程操控：优点是设备简单、实用、可靠，与距离无关，缺 点是构建系统复杂、依赖移动通信网络、使用和维护成本高，由于GSM/ GPRS 网络的带 宽限制，不能承载如视频传输等对带宽需求较高的业务。 3）基于Internet的PC机遥控操控：基于Internet的机器人遥控操作方法与距离无关，缺点 是受网络通信带宽影响较大，其次，因为系统是基于Internet的T CP/ IP系统造成的延时 也影响系统的执行效果。 4）基于WiFi无线网络的PC机操控：通过WiFi无线网络在PC机上操控家用机器人是一种 运用广泛的家用机器人操控方式。其特点是系统结构简单、造价低廉、易于推广。缺点 是P C机便携性差，没有很好的发挥无线网络和移动机器人的优点，不适合用于家用机器 人的操控。 5）红外线遥控：红外线遥控方式通用性强，甚至在控制机器人的同时也可以控制其他 家用电器。其缺点是稳定性差、易受干扰、有效距离短、带宽窄、传输速率低等。
  • 13.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 家用机器人的控制 机器人控制系统是机器人的核心，决定了机器人性能的优劣。控制系统按照控制算 法的处理方式可分为串行、并行两种结构类型。串行结构又可分为以下几种： 1）集中控制方式：集中控制是用一台性能较强的计算机实现全部控制功能。 2）主从控制方式：主从控制方式是由主、从两级处理器来实现控制功能的。 3）分布式控制方式：分布式控制系统一般采用上、下位机二级分布式结构，上位机 负责整个系统管理和控制算法的运算等。 以上几类串行结构的控制系统都存在共同的缺点，即控制系统的计算任务重、实时 性差。机器人控制系统一般采用以下两种方式来构造并行处理结构： 1）开发机器人控制专用的VLSI：针对机器人控制算法的并行性，设计专用的VLSI， 依靠芯片内的并行体系结构来解决控制算法中的大量计算，从而提高运算速度。 2） 利用具有并行处理能力的芯片式计算机构成并行处理网络：随着计算机技术的发 展，机器人控制系统控制器的运算精度和处理速度越来越高。一些处理能力强的微处理 器，如信号处理器（DSP）和具有并行处理能力的芯片。 p 目前，家用机器人控制系统普遍采用上、下位机二级分布式结构，这类系统具有运算 能力强、上位机软件支持比较丰富等优点，但系统比较复杂、体积较大、成本较高。
  • 14.11.3 家用机器人关键技术与研究课题 o 家用机器人的社会课题 对于家用机器人，有人在抛出疑问：像这样的机械设备能不能或者应该不 应该被社会接受？也有人质疑，机器人干了人干的工作，是不是剥夺了人的工 作机会？人会不会变成懒汉？另外，也有一些对采用机器人持慎重态度的意见 ，例如，家用机器人可能会剥夺人与人接触的机会，可能使人与人之间的关系 疏远，心理慰藉疗伤机器人的引入可能给人的心理产生坏的影响等等。还有人 提出这样的观点：能否给家用机器人设定适合人们经济条件的价位？需要让大 家都使用高技术产品吗？相对通用机器人而言，限定功能的家用机器人不是更 容易被人们接受吗？这些问题是需要对引入家用机器人的种类、它所能完成的 工作、引入机器人时的社会环境等等问题进行整理和具体分析，作为研究开发 和商品化时分别应该进行讨论的话题。
  • 15.11.4 家用机器人的应用 p 现有的家用机器人主要有三大方向的应用： l 智能家居方向 l 家庭教育娱乐方面 l 家庭安全健康方面 需要指出的是，上面几个方向是可以互相融合的，很多家用服务机器人同时具备多项 应用场景。比如，一些清洁机器人的厂商已经开始研发生产具备视频监控功能的清洁机 器人产品。在可以预见的未来，同时兼顾智能家居、教育娱乐、家庭安全等诸多方面功 能，为家庭提供全方位家庭服务的机器人也将走入市场。下面将向大家介绍各个应用方 向上比较典型的机器人。
  • 16.11.4 家用机器人的应用 o 智能家居方面 日本东京大学和丰田汽车公司 等机构联合开发的“AR”机器人 。拥有与人类接近的身高155cm ，重130kg。AR可以根据衣物的 褶皱将衣物分开并投入洗衣机 ，开启洗衣机上的启动洗衣按 钮，还可以送餐、拖地。 中国科技大学研制的机器人可佳 ，拥有灵敏的视觉和灵活的双手 ，能够完成物体的抓取和倒水等 高难度动作。并且拥有“阅读” 学习能力，可以自行下载产品说 明书，阅读学习微波炉的使用方 法，从而对食物进行加热。 国内第一台中国菜烹饪机 器人爱可，可以烹制 600 多道菜肴。凭借其特定的 软件系统和远红外探头， 机器人可以对火候进行很 好的控制，从而烹饪出可 口的菜肴。
  • 17.11.4 家用机器人的应用 o 智能家居方面 清洁机器人的研究从上世纪80 年代开始，不过由于清洁的环境基本上是结构、半结 构性的，但要清除的垃圾则完全是非结构性的，造成一定困难。随着机器视觉软硬件 的进展许多问题已经得到初步解决，日本、美国、欧洲等西方国家的许多公司都已经 推出了产品。 日本松下 吸尘机器人 英国伊莱克斯 美国MIT 自动吸尘器Roomba “三叶草”吸尘器机器人 中国科斯沃 扫地机器人
  • 18.11.4 家用机器人的应用 o 家庭教育娱乐方向 爱宝机器人 PapeRo机器人 NAO机器人 Pepper机器人 Kibot2机器人 Wakamaru机器人
  • 19.11.4 家用机器人的应用 o 家庭安全健康方面 （1）安保、监护机器人 日本T34 安保机器人 韩国Mostitech 安保机器人 韩国iRobi 监控机器人 美国ROVIO 摄像机器人 （2）助老助残机器人 l l l l 德国的Care-0-bot II：用于残疾人和老年人独立生活的移动家庭看护。 爱尔兰的VA-PAM-AID、日本的Walking Helper：帮助老年人和弱视者独立行走导航。 不来梅大学FRI-END II：利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂。 韩国KOREAS II：电动轮椅上安装了一个6自由度手臂的智能康复系统，手臂末端装彩 色摄像机、力/力矩传感器来感知环境，用生物识别方式控制机械臂。
  • 20.谢谢大家！