服務(wù)機(jī)器人正在以高速的增長速度加速步入我們的日常生活。正是基于廣闊的市場前景，美國國家科學(xué)基金會頒布了《美國機(jī)器人技術(shù)路線圖》，其中服務(wù)機(jī)器人是其中的重點一章。

服務(wù)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域

服務(wù)機(jī)器人是一類用以輔助人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸睢⑿蓍e，以及幫助殘疾人與老年人的機(jī)器人系統(tǒng)。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的任務(wù)是完成高質(zhì)量、高一致性的生產(chǎn)任務(wù)。服務(wù)機(jī)器人與之不同的是，工業(yè)機(jī)器人通常工作在有人的空間或者會直接同人類協(xié)作工作，服務(wù)機(jī)器人通常從事專業(yè)服務(wù)和個人服務(wù)兩種工作。

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人主要指能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的服務(wù)型機(jī)器人，如用于物流自動化、基建設(shè)施巡檢、醫(yī)院送藥、商業(yè)草坪清理、娛樂等，其市場規(guī)模正以30%的年增長率迅速擴(kuò)大。國際機(jī)器人聯(lián)合會(IFR)和德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)的數(shù)據(jù)表明，已有超過172000臺專業(yè)服務(wù)機(jī)器人用于各行各業(yè)。

物流自動化

伴隨“即時生產(chǎn)”降低庫存的發(fā)展趨勢，低成本、高靈活性的物流系統(tǒng)日益成為供應(yīng)鏈管理中的重要組成部分，例如著名的亞馬遜Kiva倉儲機(jī)器人系統(tǒng)與FedEx及UPS的自動化配送中心。然而，它們只能在量身定制的固定倉庫中使用。若想讓機(jī)器人發(fā)揮更大作用，就必須賦予機(jī)器人更高的機(jī)動性：能夠應(yīng)對樓梯、電梯、房門、不平坦的地面和雜亂環(huán)境等人類生活的常見場景。隨著研究的進(jìn)展，高機(jī)動性機(jī)器人也正在逐步成為現(xiàn)實，它們將使整個物流系統(tǒng)變得更加快速、靈活、廉價、可控、穩(wěn)定。

不少公司已經(jīng)將目光投向物流市場，包括生產(chǎn)酒店運輸機(jī)器人的Savyoke，為醫(yī)院制作運輸機(jī)器人的Aethon和Vecna，生產(chǎn)超市倉儲機(jī)器人的Bossa Nova，著眼于無人機(jī)快遞的Amazon Prime Air和Google Project Wing，提供最后一公里物流快遞的Starship Technologies和生產(chǎn)倉儲機(jī)器人的Fetch等。物流機(jī)器人市場的指數(shù)增長使得該領(lǐng)域成為未來15年最大的投資熱門。

基礎(chǔ)設(shè)施巡檢

機(jī)器人技術(shù)在橋梁、道路和管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的檢修與保護(hù)方面有著巨大的應(yīng)用前景：如用于檢查橋梁和港口的無人船與無人機(jī)、用于監(jiān)控地下管道與線路的無人車、用于巡檢管道與電網(wǎng)的無人機(jī)等，還能為石油和天然氣產(chǎn)業(yè)提供監(jiān)控服務(wù)。

這類系統(tǒng)借助多種先進(jìn)傳感器和其他機(jī)器人技術(shù)，能夠勝任各種復(fù)雜的地下任務(wù)。這類機(jī)器人可以全天候自動判斷故障，在與人類協(xié)同工作的同時減少人類的介入，較低成本，提高效率。其應(yīng)用在未來5年將增長約20%。

無人機(jī)正成為巡檢領(lǐng)域的一個有效機(jī)器人平臺。未來5年，無人機(jī)將變得更小、更便宜、更可靠，如大疆和3D Robotics等公司僅售約2000-3000美金。

目前，無人機(jī)系統(tǒng)存在的主要挑戰(zhàn)包括：(1)操作的安全性與隱私性問題;(2)發(fā)生故障后的失效保護(hù)功能;(3)對環(huán)境變化的適應(yīng)能力;(4)在飛行過程中處理獲得的大量數(shù)據(jù);(5)新型飛行器設(shè)計;(6)多機(jī)協(xié)同作業(yè)與避免碰撞。

遠(yuǎn)程替身機(jī)器人

遠(yuǎn)程替身機(jī)器人是最典型的用于改善人類交流體驗的服務(wù)機(jī)器人，是繼視頻會議之后的又一次通訊變革，讓交流協(xié)作更加高效。遠(yuǎn)程替身機(jī)器人不僅能夠讓員工在外也能身臨其境，如Beam、VGo和Double等公司為企業(yè)辦公開發(fā)的系統(tǒng)，還能讓無法去學(xué)校的學(xué)生在家上課。

在醫(yī)護(hù)領(lǐng)域，配備有攝像頭、麥克風(fēng)和揚聲器的遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人能夠讓醫(yī)生與患者『面對面』交流。目前，基本用于中風(fēng)這類需要及時診斷的疾病。未來，遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人將還能用于術(shù)后護(hù)理、慢性病調(diào)理等領(lǐng)域。此外，研究人員已經(jīng)嘗試將其用于老年人的家庭監(jiān)護(hù)。這類機(jī)器人能夠顯著降低醫(yī)護(hù)成本，為更多人提供良好的醫(yī)療技術(shù)服務(wù)。

娛樂

機(jī)器人技術(shù)在娛樂和游戲行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，如Bot & Dolly公司在電影拍攝行業(yè)的應(yīng)用，Anki Cozmo公司的交互型智能玩具和樂高發(fā)布的可編程機(jī)器人等。2016年風(fēng)靡全球的《Pokemon Go》是增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)在商業(yè)領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用。作為機(jī)器人交互的重要技術(shù)，AR進(jìn)入游戲行業(yè)將促使其發(fā)展進(jìn)一步加速。

個人服務(wù)機(jī)器人

個人服務(wù)機(jī)器人主要是指提供日常生活服務(wù)的機(jī)器人，或為殘障人士提供幫助的機(jī)器人。例如，掃地機(jī)器人和草坪修剪機(jī)器人等家用機(jī)器人，及娛樂休閑機(jī)器人，如玩具機(jī)器人、娛樂無人機(jī)、教育平臺。

未來5-10年，得益于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與制造成本的降低，個人服務(wù)機(jī)器人的市場還將進(jìn)一步拓寬。

交通運輸

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟完善，原本用于專業(yè)環(huán)境的無人運輸系統(tǒng)將有可能用于城市等其他交通環(huán)境中。未來幾十年，人們的出行方式將被徹底改變，如賽格威和豐田開發(fā)的平衡車等新型個人交通工具，完全自主駕駛的機(jī)器人也即將面世。2016年，谷歌的無人駕駛汽車行駛里程突破200萬英里，特斯拉發(fā)布了高速自動巡航技術(shù)，Uber也開始嘗試用自動駕駛汽車接受出租訂單，美國國家公路和運輸安全管理局(NHTSA)還發(fā)布了促進(jìn)自主駕駛汽車發(fā)展的指導(dǎo)文件。

此外，研究人員試圖從智能路網(wǎng)的角度，通過增加傳感器、攝像機(jī)、自動收費等裝置解決交通問題。一個被稱為“車輛基礎(chǔ)設(shè)施集成(VII)”的公私合營國家計劃正嘗試將智能車與智能路網(wǎng)結(jié)合起來，創(chuàng)建虛擬的交通信息網(wǎng)。

服務(wù)機(jī)器人主要市場及驅(qū)動來源

老齡化人口從兩個方面影響了服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。其一是勞動力市場的縮水，另外一個因素則是提供滿足健康護(hù)理需要的解決方案的機(jī)遇。美國正處于未來20年發(fā)展趨勢的入口：退休工人數(shù)量占當(dāng)前勞動力數(shù)量的百分比將近翻倍，即從當(dāng)前的每10個工人中有2個退休的狀態(tài)演變?yōu)?030年的每10個工人中有4個退休的狀態(tài)。在日本，這種情況則更加糟糕，快速增長的老齡化人口是日本提出發(fā)展機(jī)器人技術(shù)作為國家政策的主要誘因。

當(dāng)提高生產(chǎn)率和降低成本成為服務(wù)機(jī)器人的共同特征時，針對市場特定問題或需求，人們希望每個服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)能提供獨一無二的、有競爭力的解決方案。比如，在使用機(jī)器人技術(shù)組裝汽車的工廠中，一個關(guān)鍵和主要的驅(qū)動力是希望得到持續(xù)不斷且質(zhì)量得到充分保證的生產(chǎn)能力。

醫(yī)療保健與生活質(zhì)量

機(jī)器人技術(shù)用于提供遙操作解決方案，比如依賴感覺的達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)的代表。機(jī)器人技術(shù)擁有巨大潛力，用以控制成本，增強健康人員的護(hù)理能力，延長老年人的壽命。

能源與環(huán)境

這兩個緊密相連的問題對于國家的未來和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的成熟度是非常關(guān)鍵的，尤其在自動獲取能源和環(huán)境監(jiān)測方面非常關(guān)鍵。

生產(chǎn)與物流

機(jī)器人技術(shù)在促進(jìn)生產(chǎn)和貨物移動自動化方面擁有巨大潛力，特別是機(jī)器人技術(shù)被用于小尺度(或微尺度)生產(chǎn)操作，且在這一過程中有助于加速制造業(yè)回歸。這種信念自從HeartlandRobotics的創(chuàng)立就可窺見一斑，該公司的主要任務(wù)就是將制造業(yè)轉(zhuǎn)移回美國。

汽車和運輸

雖然我們距離完全自主駕駛汽車的使用還有數(shù)十年的時間，但機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)以高級駕駛輔助和避碰系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。公共輸運系統(tǒng)是另外一個有望獲得更高自動化程度的領(lǐng)域。隨著機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和成熟，用于小范圍場景，如機(jī)場的無人運輸系統(tǒng)和解決方案將漸漸地適應(yīng)市中心的情況，以及其他的一般應(yīng)用場合。

國土安全和基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)

機(jī)器人技術(shù)提供了巨大的潛能，用以邊境保護(hù)、搜索和援救、港口檢測和安保及相關(guān)領(lǐng)域。此外，機(jī)器人技術(shù)有望大量用于自動化檢測、保養(yǎng)并維護(hù)橋梁、高速公路、水源和排水系統(tǒng)、電力管道和設(shè)施，以及其他基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。

娛樂與教育

這個領(lǐng)域比其他任何領(lǐng)域更多地實現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的轉(zhuǎn)化，尤其是機(jī)器人技術(shù)在解決國家面臨的科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)(記為“STEM”)危機(jī)，同時成為名副其實的“4R”教育。FIRST的巨大成功印證了這一點。機(jī)器人為孩子們提供令其感興趣且易學(xué)的方式，去學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)以及科學(xué)的基本知識，包括工程和系統(tǒng)集成原理，用以生產(chǎn)智能機(jī)器完成特定任務(wù)。

商業(yè)化影響因素

如果上述領(lǐng)域全部實現(xiàn)，那么就需要大量的投資用于擴(kuò)展和開發(fā)機(jī)器人技術(shù)。正如上面提到的，距離實現(xiàn)完全自主的機(jī)器人技術(shù)，即無需人類給予指令或干涉的自動運行機(jī)器人技術(shù)，仍有很長的一段路。與會學(xué)者達(dá)成了一致的意見，即機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步使得開發(fā)和市場化機(jī)器人的初級產(chǎn)品和應(yīng)用成為了可能，并且能夠顯著“增強人類機(jī)能”。

這些解決方案將能夠根據(jù)下列功能進(jìn)行自動調(diào)整：以確定的方式監(jiān)督動態(tài)物理環(huán)境、目標(biāo)識別、探測變化、感知環(huán)境狀態(tài)、分析和推薦根據(jù)檢測到的情況作出的響應(yīng)，根據(jù)人的命令作出的響應(yīng)和在預(yù)先授權(quán)的邊界內(nèi)自動而不被操作員干預(yù)地執(zhí)行行動。

這類機(jī)器人解決方案的例子包括遙操作系統(tǒng)。如達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)以及自主的專業(yè)機(jī)器人，比如Roomba。隨著互聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，自然而然會從遠(yuǎn)距離傳感發(fā)展到遠(yuǎn)距離操作。互聯(lián)網(wǎng)這種向物理世界的擴(kuò)展將有助于進(jìn)一步模糊通信、計算和服務(wù)之間的界限，激發(fā)遠(yuǎn)距離通信和遙控參與的應(yīng)用。更符合實際的解決方案將出現(xiàn)，其具備分布認(rèn)知能力并能夠有效利用人類智能。這類解決方案將與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，在實現(xiàn)自主感知位置的同時，允許操作員從遠(yuǎn)距離根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行干預(yù)。

根據(jù)上述內(nèi)容，人口老齡化將導(dǎo)致未來勞動力短缺。當(dāng)工人們尋求向職業(yè)更高層級邁進(jìn)的時候，需要增加底層工作的自動化程度，而做底層工作的工人會慢慢變少甚至消失。長期范圍內(nèi)實現(xiàn)完全自動化解決方案的挑戰(zhàn)會繼續(xù)因為技術(shù)限制而存在，短期挑戰(zhàn)則是調(diào)查其發(fā)展的需求和決定如何最好地“跨越鴻溝”。即識別正確的價值主張、成本的降低、有效的開發(fā)、有效的系統(tǒng)工程過程，決定如何對解決方案進(jìn)行最佳整合，以及如何將科技轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品。

移動能力

移動能力是機(jī)器人研究中的一個成功范例。這種成功在許多現(xiàn)實環(huán)境中展示性能的系統(tǒng)上均有所體現(xiàn)，包括博物館導(dǎo)游和DARPA機(jī)車挑戰(zhàn)賽以及城市挑戰(zhàn)賽中的自主駕駛汽車。但是，與會學(xué)者一致認(rèn)為還有大量重要的問題仍舊懸而未決。在移動領(lǐng)域找到這些問題的答案將對機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主控制和多用途相當(dāng)重要。

三維導(dǎo)航是移動領(lǐng)域最重要的挑戰(zhàn)之一。目前，大多數(shù)映射定位和導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于地球的平面表示，比如地面任務(wù)中涉及的街區(qū)地圖。但是，當(dāng)機(jī)器人應(yīng)用的復(fù)雜性增加，且每天都有新的機(jī)器人部署的情況下，在未建模的缺少控制的擁擠環(huán)境中，這些二維表示不足以捕捉必要的信息。因此，對于支持導(dǎo)航和操作的三維世界模型的獲取將是非常重要的。這些三維表示不應(yīng)當(dāng)包括世界的幾何布局;相反，地圖一定要包含涉及環(huán)境中物體及其特征的任務(wù)相關(guān)的語義信息。

目前，機(jī)器人已經(jīng)能夠很好地理解物理世界中物體的位置，但是還不了解或很少知道物體是什么。當(dāng)涉及抓取和環(huán)境表示的服務(wù)執(zhí)行移動功能時，環(huán)境表示也應(yīng)當(dāng)包括對象情景支持(即機(jī)器人能用某個物體干什么的信息)。實現(xiàn)語義三維導(dǎo)航將需要傳感、感知、地圖匹配、定位、對象識別、情景支持識別和規(guī)劃的新方法。

三維映射技術(shù)是用不同種類的傳感器構(gòu)造地圖。目前，機(jī)器人依賴高精度的、基于激光測量系統(tǒng)或游戲控制距離傳感器，如微軟的Kinect或PrimeSense來獲取環(huán)境信息，采用被稱為“SLAM”的映射算法。有專家提出應(yīng)該脫離激光測量系統(tǒng)，進(jìn)一步開發(fā)“視覺SLAM”(VSLAM)領(lǐng)域。這種技術(shù)依賴于相機(jī)(魯棒性高、低廉、易于獲得的傳感器)，用于在三維世界中的映射和定位。目前，VSLAM系統(tǒng)已經(jīng)展示出令人印象深刻的性能。因此，相信VSLAM可能在開發(fā)具有充分信息，且價格承受得起的三維導(dǎo)航功能方面發(fā)揮重要作用。

對于滿足特定應(yīng)用的三維導(dǎo)航的額外需求，即戶外三維導(dǎo)航，也存在需要明確處理的一系列重要挑戰(zhàn)。在這些挑戰(zhàn)中存在的事實是，當(dāng)前二維環(huán)境表示方式不能捕捉到戶外環(huán)境的復(fù)雜信息，同時也不能獲取戶外的光線條件，而光線條件是引起傳感器性能變化的因素。同時，如何在人群中實現(xiàn)導(dǎo)航也是一個重要的挑戰(zhàn)。