服务机器人市场分析（共11篇）
厨房里，厨师们个个摩拳擦掌，却迟迟得不到开工的命令。厨师长奇怪极了，来到办公室找老板。到了办公室，厨师长见老板围着办公桌转了一圈又一圈，便忍不住问：“老板，请问怎么还不开业呀?我们都等不及了，您怎么还在这儿转悠?”
“哎……”老板捶额叹息，“我何尝不急呢?就是没有合适的服务员啊。”
厨师长一听，想了想，笑道：“老板，现在是科技时代，您就不能用机器人吗?机器人外表可爱又能干，不比人好多了?”
老板一听，顿时茅塞顿开，可又转念一想：“机器人要是在工作的时候没有电了怎么办?”“这简单”厨师长一听，说道，“现在的机器人都是靠光能充电，机器人在做动作的时候，其实就是在给自己充电。”
老板一听，彻底放心了，立刻拍板，以每个机器人300000的价钱买了4个。
饭店开张以后，4个机器人吸引了大批大批的客人。饭店天天门庭若市，要来这里吃饭，得提前一个月订座才可享受机器人优质的服务。
1.1 机器人发展
从第一台机器人的诞生到现在已经走过了半个多世纪的旅程;在日本、美国等机器人产业发达的国家, 超过半数的劳动力已被工业机器人所覆盖, 装机量超过百万台, 形成了巨大的工业机器人产业链。同时, 非制造用机器人这些年来也在迅速发展, 不论是机器人的稳定性、精确性、还是可编译的程度都在不断上升, 而机器人的成本和价格却在不断下降。[1]
1.2 餐饮业现状
2015年, 中国餐饮业的整体市场规模已经超过了两万亿元大关。但是, 随着我国劳动力价格的上升, 餐饮业的利润却下降。越来越多的餐厅不再考虑如何大肆扩张, 而是努力控制成本, 提高效率, 使利润回升。在我国劳动力成本逐渐增长, 劳动力出现结构性短缺的当下, 机器人代替人工从做“人做不到的事情”到做“人不愿意做的事情”已经成为一种趋势。
2 现有餐厅机器人分析
美国机器人协会 (R IA) 对机器人的定义是:“机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的, 通过可编程序动作来执行种种任务的, 并具有编程能力的多功能机械手 (m anipulator) ”。
1929年, 德国的米勒 (M iele) 公司制造出了欧洲第一台电动家用洗碗机。在亚洲, 最早从事厨用机器研发和生产的是日本。而在中国, 直到2010年才有人关注餐厅机器人领域。按照使用场地划分, 餐厅机器人可以分为厨房机器人和餐厅服务机器人。本文主要讨论餐厅服务机器人。
2.1 厨房机器人
厨房类机器人指的是在厨房工作的机器人。这类机器人主要面对的用户是厨师, 旨在减轻厨师的工作量。厨房类机器人主要包括炒菜类机器人和洗碗机器人。对于复杂烹饪等功能, 目前机器人无法很好胜任。即使是炒菜机器人, 大多需要将食材提前放入, 操作起来未免繁琐。虽然炒菜机器人做出来的东西质量稳定, 但未免口味单一, 缺乏变化。
如图1是一种比较常见的家用炒菜机器人Y SF54B, 售价为1500元, 由荣事达科技有限公司研发。这种机器人能做到自主加温搅拌或者翻炒。但它需要使用者自主加入食用油和配料。机器人的程序中存储了12种炒菜程序, 使用者也可以使用机器自定义功能设定翻炒时间和温度。
2.2 餐厅服务机器人
大众最关注的莫过于餐厅服务机器人。它们在大堂上不断穿梭, 为客人点餐和送餐。
图2为广州博斯特智能科技有限公司2015年设计的咖啡厅送餐机器人。能够在餐厅里面为客人点餐, 送餐。外观呈滴水型, 造型优美。它具有红外避障、语音交互等功能, 能出色地完成咖啡厅的点餐和送餐工作。
图3中所示的是由新加坡科技研究局研发的服务机器人O livia。O livia的语音识别系统相能与客人进行简单互动。O livia可以代表目前亚洲机器人的高端水准。然而在实际运用中, 普通餐厅因其高昂的成本不会使用这种机器人。而高档餐厅比较注重人性化个性化服务, 因顾忌怠慢客人, 不会大规模使用。因此, 这种价位过高的机器人并适合目前的餐饮市场。
如图4的是由新加坡Infinium R obotics所开发的飞行送餐机器人。飞行送餐机器人是以无人机为原型制造的服务员机器人, 能在空中投递食物。由于成本相对较高, 并且需要人工维护控制, 这种飞盘送餐机器人的定位为高端餐厅。图2和图4两种机器人对餐厅来说成本相差并不大, 但是由于国内外技术的差距, 飞盘式机器人能更高效地完成任务。从另一方面来说, 飞行机器人需要更高昂的购买和维护成本。图2中的机器人可以运用于以机器人为卖点的主题餐厅, 以提高客流量;图4中的机器人适用于高档酒店。高档酒店使用机器人不是为了节约成本或提高客流量, 而是为了打造品牌, 希望服务员有更多的时间放在高附加值的服务上, 例如听取客户反馈或是向客户介绍菜品等。
3 存在的问题
尽管现在餐厅机器人能吸引很多大众注意力, 但是问题还有很多, 阻碍着餐厅机器人的发展。
3.1 环境适应性差
在实验室安静无障碍的环境中, 餐厅机器人的语音识别和循迹能力都表现良好。但是在餐厅的实际使用环境中, 餐厅机器人的抗干扰能力比较差。餐厅嘈杂的环境严重影响机器人的语音识别功能的发挥。餐厅人员的走动、顾客好奇的触碰等, 都会严重干扰机器人的循迹和定位功能。
3.2 用户体验有待提高
目前送餐机器人对餐桌的处理能力比较差, 只能将食物端到客人面前并要求客人自取。为了防止好奇的小孩破坏机器人, 很多餐厅阻止顾客直接接触机器人。
3.3 外观不够美观
从现有的产品来看, 国内大多数是欧美科幻风格。顾客来机器人餐厅就餐, 大多是为了看机器人尝鲜。但目前大多数机器人的外观尚未达到令人满意的程度。
3.4 回头率低
虽然目前每一家机器人餐厅的开业都能引起巨大的轰动, 但这种轰动来的快去的也快。大多数人对于机器人餐厅的感觉都是去一次尝尝鲜就够了, 平时还是去传统餐厅好。回头率过低, 严重影响了餐厅机器人的投资回报率。
3.5 维护成本高
目前, 餐厅机器人的运营成本普遍偏高。机器人的充电、维修等, 都需要真人来操作。使用机器人的成本实际比雇佣真服务员还要贵。
4 发展前景
2014年, 中国餐厅机器人产值约1500万元人民币。目前市场上餐厅机器人均价在5万元左右, 毛利率超过300%。按照这种发展趋势, 本人预计2015年餐厅机器人产业将有50%的增长率。目前国内做餐厅机器人的企业有十家左右, 具有代表性的企业有上海惊鸿、深圳欧凯、沈阳新松、穿山甲机器人等。
迎宾、送茶、送餐、点餐等比较简单的工作, 现有机器人已经能够胜任。餐厅大多数情况下运用机器人是为了减少人工成本或者是制造噱头以获得更大的利润。随着餐厅机器人日渐普及, 人们对其新鲜感也会日渐下降, 继而对其质量提出更高的要求。在未来, 人们将会更加注重个性化, 也因此在未来餐厅机器人将会发掘出更多可能开发的功能。如扫描二维码, 通过手机向机器人下达指令等等由此来完成更多的人机互动, 而不是千篇一律的冷冰冰的服务。
5 结论
在中国, 餐厅机器人已经逐渐走进大众的视野。中国餐厅机器人面临的难题, 也是世界上餐厅机器人面临的难题。餐厅机器人将日益智能化和个性化。未来多年, 餐厅机器人还将保持这种蓬勃发展的强劲势头。餐厅机器人是一个前景广阔、值得去投入的市场。
参考文献
[1]陈黄祥.智能机器人.机器人的过去, 发展现状和未来展望, 2012.
[2]姜山.服务机器人.机器人技术与应用, 2004.
[3]赵立军.室内服务机器人移动定位技术研究[博士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009.
[4]张炜.环境智能化与机器人技术的发展.机器人技术与应用, 2008.
【摘要】未来在中国服务机器人将有广阔的使用前景，但针对服务机器人安全技术研究方面和国外发达国家比还相对薄弱。原因有多方面，其中最主要的原因是安全技术标准的普及率太低。本文主要介绍了服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、电气安全、控制安全和功能安全标准介绍及概念解释。同时还介绍了安全标准分类和国外的服务机器人安全认证机构及国内服务机器人认证现状。
【关键词】服务机器人；安全标准；风险评价；功能安全
Safety of Service Robots
Feng Zhang，Mingjie Chu，Tao Yu
（Siasun Robot & Automation Co.， Shenyang 110168， China）
Abstract： Service robots will have bright future in China， but safety technology research for service robots is still relatively weak compared with foreign developed countries. There are many reasons for that， and the most important reason is that the popularization rate of safety technology standard is too low. This paper mainly introduces the introduction and concept interpretation of machinery safety standard， electric safety standard， control safety standard and functional safety standard used in safety designing of service robots， and the classification of safety standard， safety certification authority of foreign service robots and certification status of service robots in China is also introduced in this paper.
Keywords： service robot； safety standtard；risk evaluation； functional safety
引言
中国人口老龄化日趋严重，据国家统计局数据，2014年年末我国65岁及以上人口数为1.3755亿人，占比10.1%；据中国老龄产业发展报告（2014）预测，2050年全世界老年人口将达到20.2亿，其中中国老年人口将达到4.8亿，几乎占全球老年人口的四分之一，将是世界上老年人口最多的国家[1]。因此，无论是制造业还是服务业包括医院、养老院等机构都将面临劳动力的严重不足，解决此问题的关键是大力发展活跃于这些行业或机构的服务机器人。
服务机器人的最大价值是能和人在共同的生活区域或工作空间内运行，从而为人提供帮助。工业机器人的“隔离原则”（人和机器人利用安全护栏空间分离）和“停止原则”（安全护栏门口设置安全联锁，门打开机器人自动停止） [2]很难适用于服务机器人。当然，适用的可能性也有，但服务机器人的实用性将会降低。因此，服务机器人的实用性和对人安全性的并存成为服务机器人实用化的重要课题之一。解决此课题的关键是2014年发行的服务机器人国际安全标准ISO13482[3]，此标准包含移动作业机器人、载人机器人和身体辅助机器人三大类服务机器人的基本安全要求，标准核心是功能安全。功能安全是指机器人具有即使发生故障也能保证系统安全的功能，能够使风险降低到最小。本文主要介绍服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、功能安全、电气安全和控制安全标准介绍及概念解释。
1.服务机器人安全概要
服务机器人安全主要包括机械安全、功能安全、电气安全和控制安全。
图1 服务机器人安全
2.安全标准
ISO/IEC安全标准一般分为基础安全标准（A类）、通用安全标准（B类）和专业机械安全标准（C类），共三类（如图2）[4]。服务机器人国际安全标准ISO13482为C类专业产品安全标准。
图2 安全标准分类
A类（基础安全标准）：适用于所有机械的基本概念、设计原则和一般特征；B类（通用安全标准）：涉及机械的一种安全特征或使用范围较宽的一类安全防护装置；C类（专业机械安全标准）：对一种特定机械或一组机械规定出详细的安全要求。
3.机械安全
ISO14121[5]是机械安全标准中的重要方法性标准，它规定了降低风险的一般原则，并通称为风险评价。风险评价是以系统方法对机械有关的风险进行分析和评定的一系列逻辑步骤。风险评价考虑了与机械相关的设计、生产、运输、安装、使用和拆卸等产品寿命周期的各个阶段；提供了进行风险评价所需要的信息指南；规定了用于识别风险、评估风险和评定风险的程序。风险评价之后采用ISO12100-1[6]中所描述的方法减小风险。当通过采取保护措施尽可能消除危险和充分减小风险时，应重复进行该过程。依据ISO14121降低风险的一般原则对机器人进行危险识别、风险分析及评价；针对风险评价的结果，根据ISO12100减小风险的原则实施减小风险。整个风险评价及风险减小的过程概念统称为机械安全。
4.电气安全
服务机器人在电气系统方面应符合IEC60204-1[7]标准的规定来做基础电气安全设计。此标准提供了电击防护、设备防护、急停等电源相关基本管理方法，设备的防尘防水保护等级要求等机械电气设备的要求及建议，以提高人员安全性、控制响应的一致性及维护的便利性。
5.控制安全
机器人控制系统是机器人的中枢，控制和检测着整个机器人的所有的输入和输出，并确保系统的正常运转，实现既定的作业。所以评估一台机器人的功能和安全，控制系统是评估的重要对象。ISO13849-1[8]标准通过分析控制电路的结构，按照电路结构，将电路分成B-1-2-3-4共5个类别，再辅以适当的可靠性概念MTTF（平均危险失效时间）值和DC（诊断覆盖率）值，来达到预期的PL （performance level）等级a-b-c-d-e这5个等级，其中涵盖了液压和气动元件的分析。
6.功能安全
为了安心和安全，和人共存的服务机器人特别要求功能安全。和本质安全比较，本质安全是从根本上消除风险从而确保安全；功能安全是从根本上不能消除的风险通过其他代替手段（功能）也能确保安全。工业机器人附近通过设置安全护栏，防止人进入实现了本质安全。但是，和人在共同的生活空间或工作空间内工作的服务机器人因为不适用本质安全，所以必须确保功能安全。服务机器人功能安全标准是ISO13482，其上层标准是IEC61508。IEC61508标准中规定了一种整体安全生命周期（如图3）的技术框架。此框架包括概念、计划、维护、停用等16个过程。服务机器人的功能安全有必要基于IEC61508标准的整体安全生命周期全过程进行设计。
7.安全认证
2010年在日本茨城县筑波市成立了世界首家服务机器人安全认证机构“生活支援机器人安全验证中心”。该中心可进行机械安全、电气安全和功能安全试验；包括运行安全试验区、对人安全试验区、强度安全试验区和EMC安全试验区，共四个试验区域。认证标准主要为ISO13482。目前中国还没有针对服务机器人的安全标准及安全认证机构。
图3 整体安全生命周期
8.结论
本文主要介绍了服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、电气安全、控制安全和功能安全标准介绍及概念解释。同时介绍了国外的服务机器人安全认证机构及国内服务机器人认证现状。
参考文献
[1]中国老龄科学研究中心.中国老龄产业发展报告.社会科学文献出版社，2014.
[2]Takashi Kabe. Overview of Standards on Safety of Machinery and New Trends. Japan Society of Mechanical Engineers （JSME） ， 2009.
[3]ISO13482：2014， Robots and robotic devices—Safety requirements for personal care robots.
[4]张辉.机械安全标准化发展现状与趋势.科技致富向导，2012，（18）.
[5]ISO14121：1999， Safety of machinery–Principles of risk assessment（1999）.of general principles for design.
[6]ISO12100-1：2003， Safety of machinery–Basic concepts of general principles for design.
[7]IEC60204-1， Safety of machinery-Electrical equip-ment of machines， 2005.
洪建文解释，上述数据并非省政府简单估算，而是根据企业上报的采购需求加总得出。其中，企业技改投资5000亿元、装备购置3000亿元、电子产品及软件采购700亿元。工业机器人能够极大提高生产力、创造新的工作并在短期内提高工人工作的安全性。由于工业机器人优势明显，在智能制造时代下的必需品。2013年12月《工信部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》提出到2020年，形成较为完善的工业机器人产业体系，工业机器人行业和企业的技术创新能力和国际竞争能力明显增强。富士康从2012年启动用机器人代替人的项目，计划在2013-2015年内投运100万台机器人，即使项目在实施过程中打点折扣，其三年内新安装的机器人数量应该会超过50万台。我国工业机器人产业即将爆发。前瞻产业研究院发布的《2014-2018年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》显示，我国工业机器人市场规模不断增长，已成为世界上增长最快的市场。2003年我国工业机器人的需求仅约为1500台，到了2013年需求量达到了28200台，在10年的时间内增长了13倍左右。据预测，2014年我国工业机器人的市场规模有望达到2.8万台左右，与日本并驾齐驱；2015年的需求量将达到3.4万台，将超过日本3000台左右；2016年我国将成为全球最大的工业机器人市场。
我国的工业机器人的使用密度远低于全球平均水平，与日本、韩国、德国等发达国家相比差距更加明显。例如韩国是全球工业机器人使用密度最高的国家，每10000名工人中拥有机器人数量396台；日本的万人拥有量也达到了339台；德国则以267台的万人拥有量位居第三。而中国的万人工业机器人拥有量则仅为23台，不及国际平均水平58台的一半。目前工业机器人的应用在我国比例为6.4%，日本26.6%，美国13.8%，德国13.6%，韩国10.8%。由此来看，与发达国家的巨大差距意味着我国工业机器人市场发展潜力巨大。
2013年12月《工信部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》提到2020年，形成较为完善的工业机器人产业体系，培育3-5家具有国际竞争力的龙头企业和8-10个配套产业集群；工业机器人行业和企业的技术创新能力和国际竞争能力明显增强，高端产品市场占有率提高到45%以上，机器人密度（每万名员工使用机器人台数）达到100以上，基本满
足国防建设、国民经济和社会发展需要。提出未来国产机器人应用的重点领域是：汽车及零部件、纺织、物流、国防军工、制药、半导体、食品等行业。以下是相关人士从机器人密度、产业升级和人工替代、市场渗透率三个不同角度来对未来我国工业机器人的市场前景进行预测。
以机器人密度来看，2013年底中国制造业工人数量约是2.207亿，保守估计需要用到机器人的汽车、配件、3C、化工和食品等行业人员1.1亿。如果在2020年后中国机器人密度按计划达到100以上，则至少需要110万套；而中国目前机器人保有量约15万，则至少还有85万台的缺口。按照均价每套15万估计，则共有1275亿的市场。
从产业升级和人工替代来看，有社会学家预计我国2015-2016年将迎来人口拐点，2013开始劳动力供给每年至少减少100万，至2020年总计至少减少1000万。按现在制造业就业人口占非农就业人口的比例63%来估计，则未来6年制造业就业人口总供给减少630万。一般中低端制造业机器人的人工替代效应是5-6人，不考虑产业升级因素，仅此一项就需要105-126万台机器人。再考虑推动产业转型升级推动的效应，预计需要50万台左右在高端机器人应用领域；合计155-176万台。
本文作者：蒋平
今年5月，我国出台了《中国制造2025》纲领性文件，这份文件主动适应了制造业潮流发展，推动中国制造向智能制造转型，这为工业机器人的发展奠定了良好的基础。近日，工业机器人大省广东也出台了《广东省智能制造发展规(2015~2025)》该文件明确提出了要大力推广机器人产业，促进机器人应用。在中央与地方政策不断利好下，我国工业机器人发展前景可期。
工业机器人指的是能在人的控制下智能工作，并能完美替代人力在生产线上工作的多关节机械手或多自由度的机器装置。与人力相比，工业机器人具备低成本、高效率以及24小时工作的特点。近年，随着国内经济不断发展，劳动力成本随之上涨，我国制造业人力优势不再，在制造业升级的大背景下，“机器换人”提高制造业智能化程度成为新的潮流。
我国现已是全球最大的工业机器人消费市场，工业机器人已在汽车制造、电子、橡胶塑料、军工、航空制造、食品工业、医药设备与金属制品等领域得到应用，其中汽车工业的应用最多，比例达38%。广东、江苏、上海、北京等地是我国工业机器人产业主要集中的地区，拥有的工业机器人数量占据全国工业机器人市场的半壁江山。
不过，工业机器人在国内不断得到应用的同时，工业机器人产业发展尴尬现状不容忽视。目前由于核心技术缺乏，我国工业机器人消费严重依赖国外企业，尤其在减速机、伺服电机、控制器等核心零部件上，我国机器人企业受制于人，只能购买高昂的国外设备，这需要引起1 产业重视，也亟待国产工业机器人厂商不断提高技术，加大研发水平，早日摆脱国外企业。
前瞻产业研究院提供的《2015-2020年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示，2013年是我国工业机器人发展元年，这一年国内工业机器人销量为3.69万台，同比增长36.52%，购买量占全球工业机器人销量的五分之一。2014年工业机器人销量超过57000台，同比增长54%以上，继续保持高速发展态势。
鉴于全球制造业工业机器人密度为55，而中国工业机器人密度仅为21，远低于日韩德美等发达国家，中国工业机器人市场未来空间巨大。在中国制造业转型升级以及扶持政策不断出台的大背景下，汇川技术、智云股份、科远股份、秦川机床、智慧松德、沈阳机床、天通股份、博实股份、南京熊猫等公司预计将获得利好发展。
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自动化领域机械运动的数量和速度都在上升, 同时工厂的网络化程度也不断提高。易格斯拥有拖链专用以太网电缆的最大产品范围, 以其独特的36个月质保周期, 复杂的智能工厂网络也可以得到可靠的保障。
普通的以太网电缆通常用于固定的场合, 在运动场合使用时仅有很短的使用寿命。易格斯开发了品类丰富的运动以太网电缆, 包含27种类型的铜芯电缆及光缆, 422种预装配以太网电缆, 都能保证在运动场合下具有优异的性能。易格斯能满足工业4.0下更多样化的应用——从简单的直线运动到粉尘环境的木工设备;从复杂的三维运动到无尘室应用;从极小的弯曲半径到最长的行程。现在又新增了“智能”解决方案。易格斯“智能电缆”能全程自我监控。“我们的智能电缆能预测自己的未来”易格斯chainflex电缆主管雷纳·卢梭表示。如果使用过程中, 某些参数超出常规, 电缆会在电缆失效前发出预警。预警表示电缆必须在4周内更换。“通过这种方式, 我们可以做到预防性维护, 提高工厂产能。”
高水平网络化需要可靠的传输解决方案
经特殊优化的运动电缆还需要在运动状态下使用拖链进行引导和保护。这种保护根据不同的设备和工厂具有特殊的要求。如易格斯triflex多维拖链专为机器人的多维运动而设计;在立体仓库提取和放置设备中, micro flizz系统中的光缆可以替代母线方案为提供连续可靠的信号传输, 传送率可达甚至高达100 Mbit/s以上;e-rover系统可以提供可靠不间断的高速数据传输。这个系统可以连接起重机和RTG, 使用光缆可实现800 m的行程和10 Gbit/s传输速率。
快速订购和交付
2014年8月，宋育刚的“天外客机器人餐厅”正式亮相。餐厅内共有15个机器人，迎宾、点餐、传餐、掌勺……各司其职。
当顾客走进这家餐厅，耳边就会立即响起特别浑厚的声音：“欢迎您来到机器人餐厅，祝您用餐愉快。”哦，原来它就是餐厅的保安——身高1米的“铁皮”。餐厅左边是迎宾机器人“大黄蜂”，它的样子很威武，眼睛还会闪闪发光。
进入餐厅，只要向点餐机器人挥挥手，它的内置感应器便会感应到并向客人走近，然后热情地说“欢迎光临”，客人可读出餐牌上各款食物的编号点菜，点餐机器人会复述一次，并会询问客人点菜是否正确，如果没有问题的话，机器人会说：“点菜完成，多谢。”
点餐机器人将顾客点的菜名送到后厨，后厨的掌勺机器人开始配菜、炒菜……一个机器人厨师能承包10多道菜，比如油焖大虾、糖醋排骨、宫保鸡丁……其工作原理是技术人员通过电脑设置，编排程序，然后对它下达指令，这样机器人厨师就可以烹饪各种菜肴。如果火候不够，机器人还会自动加温或延长烹饪时间。
菜做好以后，送餐机器人开始大显身手。有一条黑色光学磁条感应的轨道环绕贯穿这个300多平方米的餐厅。工作人员按下按钮给送餐机器人下达命令，送餐机器人就会根据座位编号，准确无误地把饭菜送到各个餐桌前。到达指定座位时，它会停下来说：“您的菜到了，请慢用。”当顾客取走饭菜，它们便离开了。
新奇有趣的机器人餐厅吸引了不少顾客前来用餐，尤其是受到了孩子们的喜爱，他们与机器人互动玩耍，或者拍照留念，并被这些可爱的机器人逗得哈哈大笑。
该机构的数据同样显示，2013年外资企业在华销售的工业机器人总量超过2.7万台，占据中国市场70%以上的份额。
作为主管国家重大技术装备的工信部装备司副司长，王卫明在多个场合向外界宣传政府在机器人领域的一系列扶持政策，并解答外界对于中国机器人产业发展的疑问与困惑。
在2015年7月8日的中国国际机器人产业发展高峰论坛上，他再次就此问题发声，透露工信部今年将重点推进机器人在轮胎、陶瓷、民爆、国防军工等领域的应用，同时着手部署下一代智能机器人的研发。
会后，王卫明就中国机器人产业发展的相关话题接受了《瞭望东方周刊》独家专访。
与国外差距不大
《瞭望东方周刊》：中国目前已经是全球最大的工业机器人市场，但服务机器人相对弱势，造成这种局面的原因是什么？
王卫明：服务机器人是服务于人类的非生产性机器人，如：助老助残领域机器人、医疗领域机器人、消费服务领域机器人，主要实现对人功能和智力的替代，其涉及种类繁多，技术要求复杂，工艺性、智能性、安全性要求更高。因此属于机器人家族的新生代，发展自然较工业机器人缓慢。
《瞭望东方周刊》：中国的服务机器人行业经历了一个怎样的发展过程？
王卫明：中国服务机器人起步较晚，行业起步始于21世纪初期，大致经历了研发、应用推广、初级产业化三个阶段。近几年，中国在助老助残、消费服务、医疗康复领域机器人的研发实力不断增强，成为继日本之后将仿人机器人投入实际展示应用的第二个国家。
比如说：烹饪机器人也实现了小规模量产，能做出50多种美味菜肴;机器人护理床、智能轮椅等各种助老助残服务机器人相继问世，有力推进了服务机器人的产业化进程;家政服务、教育、娱乐、医疗手术机器人市场需求都明显增长，产业化进程在不断加快。
《瞭望东方周刊》：中国服务机器人产业化目前处在一个什么样的阶段？
王卫明：中国的服务机器人目前还处于产业化初级阶段。由于服务机器人种类繁多，每个细分市场尚需培育，所以形成足以支撑产业链各环节企业生存的大市场还需要一个过程。
未来中国服务机器人的目标应该是突破服务机器人核心技术，挖掘培育服务机器人市场需求，实现各细分领域服务机器人产业化，尽快占领国内国际市场。
《瞭望东方周刊》：在服务机器人方面，中国和欧美等国存在差距吗？
王卫明：和工业机器人不同，中国的服务机器人与发达国家同处于产业发展起步阶段，在基础研究、产品研制、制造工艺等方面差距并不大。
服务机器人会更智能
《瞭望东方周刊》：在中国市场，哪些服务机器人品类是比较受欢迎的？发展趋势又是怎样的？
王卫明：目前在中国市场，服务机器人中的家政服务类机器人，尤其是扫地机器人占主流，其他的包括餐饮机器人、教育机器人也逐渐受到市场的青睐。
从市场来看，服务机器人呈现四大趋势：
一是由简单的单体作业装备，向以生机电一体化和多传感器智能化等方向发展;
二是由单一作业，向机器人与信息网络相结合的虚拟交互、远程操作和网络协作等“网络化”方向发展;
三是由研制单一系统，向消费者可定制修改的软件平台与组件式硬件技术平台相结合的方向发展;
四是由承担简单的家务劳动，向助老助残、可穿戴行为辅助、肢体康复、情感陪护发展。
《瞭望东方周刊》：未来中国的服务机器人有可能在哪些方面实现突破？
王卫明：未来服务机器人将向更专业、更仿生和更智能的方向发展，将更具友好性、功能性、仿生性、安全性与经济性，主要体现在对人的功能与智力替代上。
在仿生材料应用，产品创意与性能优化设计，模块化/标准化体系结构设计，标准化、模块化、高性能、低成本的执行机构，传感器、驱动器、控制器等核心零部件制造，智能化信息识别与人机交互，人机共存安全，群体网络协作化，系统集成与应用，性能测试标准规范与维护技术等方面，中国的服务机器人均有可能实现突破。
《瞭望东方周刊》：所以你对中国服务机器人的前景是非常看好的？
王卫明：是。在中国，因为劳动力价格日趋上涨，人们从业观念开始改变，机器换人的需求增强。而且随着中国老龄化社会的到来，助老助残机器人、护理机器人、医疗手术机器人、清洁机器人、娱乐机器人也将成为市场的重要需求。
同时，由于现代科技的发展和经济水平的提高，人们可支配收入增加，有能力购买服务机器人来解放简单重复劳动，以获得空闲时间提高生活品质。因此，服务机器人在中国具有巨大的发展潜力和广阔的市场空间。
《瞭望东方周刊》：那会不会出现像工业机器人领域那样，外资企业仍然占据主要市场，国内企业发展艰难？
王卫明：服务机器人一般需结合特定市场进行开发，所以从这点上来说，本土企业更容易结合特定的环境和文化进行开发，占据良好的市场定位，从而保持一定的竞争优势。
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即将出台的机器人产业“十三五”发展规划对服务机器人行业发展进行了顶层设计，提出了市场主导、质量为先、强化基础、创新驱动的发展原则，实现在助老助残领域、消费服务领域、医疗领域等重点领域的示范应用，并开展核心零部件攻关、前沿共性技术研发、医疗康复机器人应用等重点工作。
机器人“十三五”规划年底发布
《瞭望东方周刊》：机器人产业“十三五”发展规划备受外界关注，但至今仍未出台，你能否透露该规划目前进行到什么阶段了？
王卫明：目前这个规划已经完成初稿，正在修改完善。经过征求有关部门和地方工业主管部门的意见之后，预计将在今年年底发布。
机器人产业“十三五”规划提出了今后五年中国机器人产业的主要发展方向，包括加强基础理论和共性技术研究、提升自主品牌机器人和关键零部件的产业化能力、推进工业机器人和服务机器人的应用示范、建立完善机器人的试验验证和标准体系建设等。
《瞭望东方周刊》：除了即将出台的机器人产业“十三五”发展规划，中国近年来陆续出台了一系列扶持政策，包括你刚才提到的《中国制造2025》，这是一种怎样的考量？
王卫明：中国已经连续两年成为世界第一大机器人市场。如何促进机器人市场的健康有序发展是高层非常关注的问题。其实，我们可以看到不光是中国，欧美等发达国家都制定了机器人产业发展规划。
美国于2009年制定了《重振美国制造业框架》，并于2011年正式启动包括发展机器人在内的“先进制造伙伴计划”;欧洲提出了2002～2022欧洲机器人研究与应用路线图，作为欧洲机器人发展的战略性指导;日本将培育未来机器人产业看做支撑21世纪日本产业竞争力的产业战略之一;韩国2010年出台《服务型机器人发展战略》，提出到2018年占据20%的世界机器人市场份额。
所以在这点上，我们出台一系列扶持政策是非常有必要的，必须紧紧抓住这个市场。
《瞭望东方周刊》：中国在机器人领域确实还存在一些短板，国家今年或者未来一段时间会推进哪些方面的工作？
王卫明：中国自主品牌的机器人主要是三轴四轴以及坐标等中低端的机器人， 高端的六轴七轴机器人主要还依赖进口，所以为了推进我国机器人产业发展，工信部在2013年专门印发了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》，利用有关政策渠道支持中国自主品牌机器人的研发、产业化、推广应用。
今年，工信部还将重点推进工业机器人在轮胎、陶瓷等原材料行业;民爆等危险作业行业;锻造铸造等金属工业行业，以及国防军工领域的推广应用。
同时，我们还要提早部署下一代智能机器人的研发，会同有关部门积极推进智能机器人2016年国家研发计划，开展认知与人工智能、环境感知与人机共融等技术攻关。
全国第九个科技活动周期间, 中国科技大学于5月16日至17日举办了“2009RoboCup机器人世界杯中国热身赛”。来自中国、美国、日本、巴西等7个国家的30多支高水平队伍, 在家庭机器人组、四足机器人组和人形机器人组等5个项目中进行比赛和表演, 吸引了中小学生和市民前来观看。
在比赛现场, 一个看上去其貌不洋的机器人却“能听会做”:它能听懂简单的语言, 与人进行简单的对话;能识别简单手势, 并从人群中找出自己的“熟人”;能根据要求完成各种任务, 如找东西、拿东西。将来“它还能完成更复杂的任务, 比如收拾房间、在超市购物等。”讲解员介绍说。
这是中国科大首次向公众展示的自主研发的服务机器人。它高约1.5 m, 重30多千克, 硬件由底座、手臂和各种传感器等组成, 软件采用了语音识别、自然语言理解、自动推理和任务规划、运动规划以及感知与控制等多项先进技术, 最大的特点是首次将自然语言理解和基于常识推理的规划技术运用在服务机器人上, 具有更强的人机交互能力、语言理解能力和问题求解能力。而目前绝大多数机器人的人机对话仅仅使用语音处理技术。
据该校计算机学院陈小平教授介绍, 国际RoboCup联合会于2004年设立了家庭机器人组比赛项目。而服务机器人是家庭机器人组的主要研究对象, 融人工智能、机器人和人机交互于一体, 不仅涉及多学科前沿研究, 而且具有广泛的应用背景, 例如家庭、办公室、病房、养老院、教室、商场和餐厅等各种场合, 成为近年来国内外机器人研究和产业发展的最大热点之一。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中, 智能服务机器人是我国将大力发展的四大先进制造技术之一。
随着计算机技术和网络技术的飞速发展, 服务机器人技术得到广泛应用。服务机器人主要应用于家庭、医疗、娱乐等服务业, 可以很大程度上提高人们的生活质量。它不仅可以使人们从繁琐的家庭事务中解脱出来, 而且随着老龄化社会逐渐来临, 在家庭服务业, 医疗护理行业等各方面取得很好的应用前景。机器人在一定空间范围内, 能够以某一个任意姿态达到空间中任意一点, 服务机器人应至少具有5个自由度。因此我们设计了具有五自由度关节式服务机器人, 其中五个关节都采用交流伺服电机来驱动。五个关节分别是控制机身旋转、大臂的摆动、以及小臂摆动、手腕摆动、和手腕俯仰等。他们联接的方式是串联, 因此具有较高的运转精度和灵活性。在控制系统中主要采用基于CAN总线的两级控制系统。
1 控制系统总体结构
服务机器人控制系统采用了上、下位机控制、两层结构形式, 从而达到了开放性好、实时性强, 对机器手的位置精确控制的目的。如图1所示。
服务机器人控制系统具有多变量、非线性、强耦合的特点, 需要建立和计算复杂的动力学方程。因此我们设计上位机使用高性能通用计算机, 主要计算服务机器人的路径规划、以及任务分配和系统监视等。下位机设计为5个单片机系统, 下位机是并行工作的, 每个下位机中的单片机系统控制本关节的运动和采集位置传感器的信号。CAN总线是用来支持包括分布式控制和实时控制的串行通讯网络。上下位机之间通讯是通过CAN总线, 控制命令或数据是由上位机向下位机发送, 各个关节的位置信号是由下位机可以向上位机传送。
2 控制系统上位机设计
上位机采用目前较先进的通用的高性能计算机, 其主要任务包括系统的初始化、以及人机交互和完成服务机器人的路径规划, 针对给定的目标位置, 计算出相应的各关节运动量, 发出控制命令和数据给各关节控制器, 同时由各关节控制器接受返回的反馈数据。这样由于上位机计算速度较快, 它承担了控制系统大部分的计算, 主要包括轨迹规划以及运动学逆解、动力学方程求解等。其程序流程图如图2所示。
上位机采用CAN PC卡和CAN总线网络连接。CAN PC卡选用的是基于ISA总线的非智能CAN卡, 其中已经带有板卡驱动以及相应的动态连接库。通过VC++开发工具直接调用动态连接库, 从而实现与CAN网络的相互通信, 发出控制命令向作为下位机的各个关节控制器。
3 控制系统下位机设计
我们选用AT89C52单片机作为各关节的伺服控制, 主要任务是接收由主机发给下位机的位置运动控制指令, 经过控制电路作用, 产生在相应方向上的脉冲信号, 分别去驱动交流伺服电机, 通过传动装置带动各关节转动, 还要采集相应位置传感器信号, 实现系统的闭环控制。控制系统的硬件结构原理图如图3所示。控制策略主要采用PID控制, 主要任务是计算PID参数, 通过系统仿真试验表明, 通过PID控制后, 系统的动态指标显著提高, 能够满足控制要求。
CAN总线与各关节控制器的接口部分包括CAN控制器芯片SJA1000以及CAN总线收发器89C250两部分组成。SJA1000是一种输入输出设备, 也是微控制器, 它基于内存编址, 主要完成CAN总线通信协议中物理层以及数据链路层的功能。收发器89C250是CAN总线中通信控制器和物理总线之间的接口部分, 提供符合CAN总线电气协议的差动发送以及接收功能。SJA1000的初始化通过AT89C52软件实现, 在正常工作模式下通过AT89C52控制SJA1000的收发过程来完成和总线的通信。CAN总线中通信程序主要通过SJA1000初始化、数据接收、数据发送组成。
4 结论
以五自由度关节式服务机器人控制系统为研究对象, 采用的控制系统是基于CAN总线的并行控制系统。系统实现了上下位机的运行是分速率运行的、具有实时性以及开放性强的特点。系统软件主要采用模块化结构设计方法, 功能模块直观, 易于编写程序。系统仿真的结果显示本控制方案的性能价格比较高, 各电机轴运行平稳可靠、动作较协调、运动轨迹较平滑, 轨迹跟踪的实时性能较好, 实现了设计的要求。
摘要：本文介绍了一个基于CAN总线的服务机器人控制系统上位机采用通用PC机, 机器人的关节用单片机进行伺服控制上下位机通讯是通过CAN总线, 系统的开放性和实时性能得到显著提高。
关键词：CAN总线,服务机器人,单片机
参考文献
[1]肖雄军, 蔡自兴.服务机器人的发展[J].自动化博览, 2004 (6) .
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.
【摘 要】服务机器人的自主导航过程通常处于不确定的环境中，单一的传感器提供信息己经无法满足现代移动机器人的需求，多传感器信息融合技术在机器人领域得到广泛应用。项目以国家863重点项目成果“护理机器人”样机为平台，研究室内移动服务机器人的多传感器信息融合、路径规划与运动控制方法，为今后室内机器人定位的研究提供理论依据和具有实用性的参考。
【关键词】服务机器人；D-S论证；数据融合
引言
随着机器人技术的发展，机器人的用途开始从传统的工业领域不断向军事、医疗、服务等领域拓展。服务机器人是本世纪最有发展潜力的一个应用领域，据预测在未来一段时间内服务机器人的需求数量将会超过工业机器人[1]。美国、欧洲、日本和韩国都制定了研制服务机器人的国家中远期研究计划。我国863计划2006年开始将“智能机器人技术”列为专题，为服务机器人研究提供支持，推动服务机器人发展，因为服务机器人研制的意义为：（1）解决社会人口结构变化问题——全球性人口老龄化问题，为老人提供陪护服务，缓解社会压力，并监控环境安全[2] ；（2）提高社会生活质量，提供多种移动服务作业例如：导游、娱乐、清扫和网络信息服务等，服务机器人可胜任伙伴；（3）提升家居环境智能，随着IPV6技术的推进和3G时代的到来，家电网络化和多功能化，服务机器人替主人担当管家。在无人值守的室内环境下服务机器人能够担当保姆角色与远程家人实时保持交互，并监控室内安全；（4）在康复和助残方面服务机器人也是病人的得力助手。
1.服务机器人技术的研究
服务机器人是一种自主或半自主的能够提供服务而不是提供生产的机器人，这种机器人能够改善人们的生活质量[3]。服务机器人的研究始于上世纪60年代末期，Nilssen等人开始研制自主移动机器人（Autonomou mobile robot，AMR）Shakey，在复杂环境下将人工智能技术应用于机器人系统，以完成自主推理、规划和控制的功能[5]。服务机器人应用范围广泛，TCSRIRAS在应用范围上将服务机器人分为：清洗管家、教育机器人、类人机器人、人道主义排雷机器人、康复机器人、检查监视机器人、医疗机器人、建筑、自动回填机械、导游及办公室环境、消防机器人、搜索及拯救机器人和食品工业等16种服务机器人并给出相关研究机构和科研成果[4]。Care-O-Bot III是Fraunhofer IPA研制的最新一代服务机器人，和前两代产品相比，尽管也配有激光测距传感器和视觉系统，但在控制方法、传感器、中间件、运动学、皮肤和人机界面等方面做了很多改进[15-17]。
2.移动机器人多传感器信息融合技术的研究
移动机器人在自主导航定位过程中，必须以有效且可靠的环境感知为基础。由于各类传感器信息的物理性能局限性、不完备性和不确定性，利用具有冗余性和互补性的多传感器信息融合技术能全面地描述周围的工作环境并提高系统的可靠性。目前，多传感器信息融合技术常用的方法包括加权平均，卡尔曼滤波，贝叶斯估计，统计决策理论，神经网络，模糊推理和Dempster-Shafer（D-S）证据理论[18]-[25]。针对移动机器人所处的动态工作环境，以贝叶斯概率描述不确定因素在实际应用中鲁棒性较好，但算法通常需要先验假设且计算量大，因此具有一定的局限性；D-S证据理论满足比贝叶斯理论更弱化的条件假设，可以不需要先验知识，通过证据信息对假设做出判断，得到各个假设的基本信度赋值。虽然D-S证据理论可以有效处理不确定信息，但处理冲突信息能力不够。作为D-S证据理论的发展，证据推理（Evidential Reasoning）方法在处理不确定或不完整和冲突信息方面适应性更强，已成功应用于不确定系统建模和多源信息融合[24][25]。
针对室内环境下服务机器人系统建立及定位问题进行研究，首先面向家庭环境多任务需要，建立服务机器人系统，然后基于证据推理方法的移动机器人多传感器信息融合技术对其定位理论进行分析和证明，在实验室环境下对新平台进行定位算法验证。
3.基于证据推理方法的移动机器人多传感器信息融合技术
根据已知环境地图的栅格矩阵，推理每个栅格被障碍物占用的置信度。其映射关系为： 其中M， N表示二维空间中栅格的数量，R表示实数空间，Belief表示某个栅格被障碍物占用的置信度。在证据推理框架下，首先确定辨识框 中的基本焦元 和 ，定义 表示某个栅格为空， 表示该栅格被障碍物占用。在某t时刻超声波传感器或红外PSD传感器采集的数据信息作为一条证据源，构造证据置信度函数 ，在辨识框 中用 表示不确定信息。通过证据推理算法融合所有传感器的置信度函数值，得到每个栅格被障碍物占用的置信度值，确定整个工作环境数据栅格的置信度分布图。在数据融合过程中可根据工作环境信息动态调整不同传感器证据信息的相对权值。此外，在本项目中还可以利用护理机器人士工作环境顶部的摄像头和驱动轮上的编码器信息动态修正数据融合结果。
4.结论
项目在已有研究工作的基础上，结合移动机器人现有的自主导航技术，以护理机器人样机为平台，重点研究室内移动服务机器人的多传感器信息融合、路径规划与运动控制技术。对于提高家庭生活支援机器人的自主定位能力和运动控制精度，使其走出实验室逐步产业化具有重要的理论价值和实际意义。
参考文献：
[1]张炜.环境智能化与机器人技术的发展[J].机器人技术与应用.2008，3：13～16.
[2]张钹.机器人的智能化.国家863计划智能机器人主题专家组.迈向新世纪的中国机器人.辽宁科学技术出版社，2001：30～32.
[3]赵立军.室内服务机器人移动定位技术研究[D]：博士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[4]Nilsson N J. A mobile automation： An Application of Artificial Intelligence Techniques. Proceedings of the 1st In ternational Joint Conference on Artificial Intelligence. 1969：509～520.
