独家美国服务机器人技术路线图下

服务机器人正在以高速的增长速度加速步入我们的日常生活。根据IFR的最新统计，未来三年内，服务机器人市场规模将达到目前的5倍。正是基于广阔的市场前景，美国国家科学基金会颁布了《美国机器人技术路线图》，其中服务机器人作为单独的一章重点论述。知己知彼，了解美国服务机器人发展动向，可更好地帮助我们与时俱进。

文/美国国家科学基金会编译/卢川

上期，我们刊发了《美国服务机器人技术路线图（上）》，从美国服务机器人的发展现状、战略布局、面临的挑战等方面，详细梳理了服务机器人在美国以及全球发展的路径。本期我们进一步深入，具体从应用场合、技术发展方向等层面，阐述下一阶段美国的策略，相信读完此文，你会对美国在服务机器人领域的规划，形成全方位的认识。

主要的挑战与能力

范例场景

●生活品质

机器人技术，希望给老年人和残疾人的生活质量带来巨大的提升。比如，一种革命性的输运移动解决方案能够让使用轮椅的残疾人士独立的进出车辆。这种系统使依赖于轮椅的人，可以使用普通客车而不需要他人的帮助，因而赋予了他们以前不具备的独立和自由度。这种系统提供了超过现有输运移动解决方案的显著优点，包括更低的成本，使用标准碰撞检测过的汽车座椅，更多的座驾选择，以及无需对车辆结构进行改装。

●农业

在农业中，机器人技术也希望能够由大量的应用，帮助农民降低成本、提高生产率。机械收割机和其他农业机械需要专业驾驶员进行有效工作，同时，诸如劳动力成本和操作疲劳等因素增加了农业成本，限制了这些机器的生产率。自动化操作，如喷洒农药、收割和采摘等，为缩减成本、增加安全、增大产出、增加操作柔性、夜间作业、减少化学品的使用等，提供了可能。大量的原型系统及应用,包括自动水果农药喷洒作业，农业收割已经被开发出来。这些技术，已经成熟到了未来几年之内就可以进行商业化开发及使用的程度。

●基础设施

机器人技术拥有巨大的潜力，可用于自动化检测和保养整个国家的桥梁、高速公路、管道和其他基础设施。当前，通过提供准确详细的管道状态信息，机器人技术已经用于开发自动管道检测系统，减少维护和复原成本。基于高级多传感器和其他机器人技术的系统，用于检测地下建筑和环境。实现这些检测通常非常困难，包括大直径管道、长距离延展、倒置、冠状、涵洞、检查井以及在役检验。这些机器人平台通过废水管道，检测难以通过传统方式接近的排污管，生成非常准确的管道内表面三维图像。检测信息以数字形式捕捉，同时用于未来的检测，并自动计算缺陷部位随时间演化的过程。

●矿业

机器人技术已开始对地下和地表矿产工业产生巨大的影响。一种创新的传送带检测系统使用高速机器视觉系统和软件算法监控传送带的状况，为操作员提供故障检测。这种检测系统，已经使用在几个地下煤矿中。专用保护系统用以减少由于皮带连接处碎裂，导致耗费巨大的停工期。在更大的尺度上，机器人技术被用于开发矿山用自主运输卡车。Catrpillar公司在年前开发一种自主矿山用运输系统，整合了数台自主运输卡车，每台卡车运载能力在吨以上。自主技术通过对生产过程提供一致性来促进与提高生产率，同时将环境影响降到最小，最终提高效率，提升整体矿业的安全。

●运输

机器人技术将在未来几十年之内显著影响客运和货运的各个方面，从个人运输系统到智能高速公路，再到智能公共输运系统。类似Sgway和Toyota这样的公司已经引入个人输运系统机器人，乘员以站姿骑乘这类机器人，持续监测乘员位置的内部传感器控制机器人的运动，并作出自动调整。同时，汽车制造商和设备生产商也制造智能车辆，通过安装性能更高的计算机和传感器，为乘员提供更好的环境感知和驾驶感受。

内华达州和佛罗里达州已经通过法律，允许了无人车辆的使用。在内华达州，两辆车被授予驾照（一辆来自谷歌公司，一辆来自奥迪公司）。行驶的道路只增加5%的容量，就能够导致37亿驾驶小时延误，以及23亿加仑燃料的浪费。

为了解决这个问题，高速公路管理局尝试通过安装传感器、摄像头和自动收费读卡器，尝试创造智能道路。一个公私联合的国内组织，车辆技术车设施一体化组织(VII)，已经开始融合智能车辆和智能道路，用以创建虚拟交通信息网，同时解决交通堵塞问题。大众运输系统也希望采用机器人技术，为操作者提供更大的位置，感知能力和在拥挤的城市廊道中提供导航辅助的能力。因而，机器人技术将有助于控制运输成本、增加运输安全。

●教育

机器人已经开始改变美国的课堂。机器人把学术的概念植入课堂中，同时在所有K-12和大学教育中使用。机器人提供给学生可以接受的集成手段，调查数学、物理、计算机和其他STEM学科的基本概念，同时使教师能够同时介绍设计、创新、问题解决和团队的概念。机器人课程已经发展起来，教师也已经通过培训。每年，全国范围的机器人比赛成绩都会被保存。大概最知名的机器人竞赛项目就是由FIRST创办的了，它建于年的非盈利组织，用于激发年轻人成为科学和技术的领导。作为一种衡量机器人比赛普及程度的指标,FIRST希望能有超过32万名学生参加这一竞赛。更为显著的是，Brandis大学的一项调查发现，在类似的背景和学术经历的情况下，FIRST比赛的选手追求科学和技术的比例，是非FIRST比赛选手的两倍。尽管已经取得了很大进步，但当前的进步也只是机器人对教育潜在影响的一层表皮。为了更充分地发掘这种潜能，面向学生和教师的机器人需要更容易接近、更便宜且更容易使用。

●本土安全和防卫

当机器人技术用于国土安全和防卫时，它作为一项创新技术，为搜寻、救援、侦查、防爆、火源检测以及其他应用，提供多样化手段的同时也提高了任务的可行性。无人侦查，探测及反应系统利用机器人平台、固定传感器、命令和控制网络系统，来监测和巡逻数百英里长的恶劣边界地形，寻找并定位化学/生物/辐射/核/爆炸威胁，同时调查边境、电厂和机场的广阔周围环境。这样的系统能使安保人员自动检测潜在危险，从安全距离外观察危险物，有必要的话可以提供初始的破坏和封锁危险物存放地。其他装备红外摄像机、夜视传感器和毫米波雷达的便携机器人已经用于搜寻灾难现场幸存者，比如世贸中心。

能力路线图

图1：左栏中的基础研究领域持续的进步，将促进大量的基本功能的发展，如图中栏内容。右栏是这些功能一次在应用领域中的进展。

为了使服务机器人能够解决上述问题，我们给出了必须面对的主要挑战以及必须培养的关键能力。图1概述了计划路线以及本文档的其余部分。图中，右栏列出了应用领域，其中有许多之前的方案中已描述过。只有当自主机器人同时具有相当一部分技术能力时，这些应用领域才算是取得了重要进步。这些能力被列在图片的中栏。为了达到机器人技术所要求的水平，在一系列基础研究和技术方面，都需要进行持续的投入研究和发展。

●移动和操作

自主服务机器人通过在他们的工作环境中运动、并与环境相互作用来完成任务。这些运动和物理作用，需要通过改变机器人的位置和在环境中的移动来实现。任务的完成很可能需要复杂的运动和交互程序：机器人可能需要从一个房间移动到另一个房间，或者需要它打开门、爬楼梯、使用电梯、清理路径中的障碍、去除障碍物或者使用工具。为了具有这些能力，需要机器人技术在传感、控制和认知方面的大量实质性进步。服务机器人带来的问题只能通过综合方案解决。

机器人走到不同楼层房间去取箱子，应该考虑到该任务的难度取决于箱子的大小，并且要找到好的抓持方式，举起箱子，通过狭小的空间，躲避环境中机器人不得不越过的其他目标。为了推动箱子（或者举起它），机器人需要估算自己的能力，空间的几何关系，驱动和关节的约束，以及运动过程中接触的动力学和摩擦。

为了得到自己的动作和运动的程序运行方式，机器人需要熟悉它的周围环境，因为并不是所有所需的信息都能被提供。因此，机器人运行在非结构化和动态的环境时，需要具有在环境中感知对象和计算其属性的能力。“语义映射”，为机器人提供了完成一个任务所需的环境。目标检测和识别以及相关的感知能力，则提供了语义映射、导航和目标操作的能力。

在5年、10年、和15年内，通过持续的研究和发展，下面的目标可能实现：

·5年：机器人在实验室中利用多样化的研究机制，在非结构化的二维环境中安全和稳定地导航，实现简单地选取和放置任务，相关的目标为简单的机构且具有特定的属性。机器人通过探测和相互作用以及人类的指令，生成环境语义地图。他们能够推断出复杂的任务，比如移除障碍物、打开柜子等等，从而进入其他的目标。

·10年：给出一个环境静态部分的大概和可能的不完全模型（可能给出一个互联网数据库等）,服务机器人能够可靠地规划执行一个任务。定向运动机器人能建立起对环境的深度感知，构建自己物理动作和理解指令。机器人通过上下楼梯完成对多层环境的导航，也会通过修改环境增加实现任务的机会（例如移除障碍物、清理障碍、打开灯），检测和恢复一些故障。服务机器人必须使多个流动结构，比如腿、跟踪设备和轮子，在全新的、非结构化的动态环境中执行高速的没有冲突的移动操作。

·15年：包括多个运动机构如腿、轨道和车轮的服务机器人，在新的非结构化的动态环境中执行高速、无碰撞的移动操作。它们对自身环境进行适当的翻译，可能是对执行特殊任务的环境、整体或局部，以及长期的环境所做的呈现（语义地图）。使用它们不断规划以实现全局目标。它们能够对动态变化做出强有力的反应（例如，由于被推或被挤的意外扰动）。通过任务导向，它们能够交互探索，通过与环境的相互作用，它们能够通过智能的方式对任务进行修正，以确保和促进其任务完成。其中包括机器人间的、接触目标间以及环境的静态部分间相互作用的物理属性（滑动、推、扔等）的推理。

●真实世界规划与导航

年以来，服务机器人真实世界规划与导航领域，已在主要途径上有了发展。这些发展仍然在美国机器人路线图报告中。当时的







































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