家庭服务机器人

机器人技术基础
论文
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家庭服务机器人
摘要
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，随着服务机器人技术不断发展和开发成本的不断下降，服务机器人将会走进千家万户，将成为人们生活、工作和学习上的好帮手，家家都将拥有机器人。

而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。

Abstract
21 century robots will become human close partner, become an indispensable part of human life, along with the service robot technology development and development costs of falling, service robot will be famous everywhere, will become people life, work and study the good helper, every family will have robots. And family services robot as advanced manufacturing industry automation a major direction and project, is at home and abroad and the research focus。

关键词：机器人自动化家庭服务
引言近年来，随着智能机器人技术的迅速发展，智能机器人的应用领域正在不断地扩大。

并且，随着人们生活质量的日益提高，智
能机器人已经开始进入了家庭服务行业。

由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，不仅是一项极具应用前景的高新技术行业，而且也是智能机器人目前研究的一个重要热点。

另一方面，世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服务机器人的需求。

家庭服务功能设计，家庭服务功能也有重要的应用前景。

目前，人们的工作压力和时间持续地增加，对老人和小孩的照顾将变成一个十分迫切的问题，而家庭服务机器人所提供的服务功能则能很好地缓解以上情况。

家庭服务机器人所提供的服务主要有家庭娱乐、医疗保健、儿童教育、报时催醒等功能。

如家庭服务模块的运行主界面。

和病况监视模块中告诉专家病情和专家询问病情两个子模块能够根据病人的一些特征结合疾病知识库来做出正确的判断，并且给出相应的建议和应对措施。

而对于疾病知识库维护模块则可以提供在线更新，以确保疾病知识库的全面，能够为用户提供更加准确、完全的诊断。

这样用户可以足不出户就能够了解自身的健康情况，从而能够更加快速地采取正确的应对措施。

还有儿童教育模块。

小孩放学后只需打开家庭服务机器人，就可以在此模块中进行打字练习、学习单词、朗读课文等多方面的学习。

一方面将小孩从枯燥的课本学习中解脱出来，另一方面，也可以让父母安心地工作，缓解教育小孩时间安排上的冲突。

游戏模块是为了调节人们在工作和学习上的压力而设计的，人们可以在工作和学习之余，进行适当的休息，缓解
繁忙的工作、学习所带来的压力。

综上所述，家庭服务的各个功能模块都是为缓解现代家庭所面临的各种问题而设计的，通过这些功能模块，家庭服务机器人就能够为人们提供各种工作和生活方面的帮助，为人们提供更加安全和舒适的生活环境。

随着智能机器人技术的迅速发展, 智能机器人的应用领域正在不断扩大, 已经开始进入了家庭服务行业, 这种服务机器人是一种能够自主或者半自主地提供服务而不是提供生产的机器人, 它的使用能够提高人们的生活质量。

国外研究现状智能机器人的研究是从扩大计算机的功能，使计算机更有用开始的。

1958Minsky 首先提出给计算机装上“手的想法，1961 年麻省理工学院林肯实验室的H．A．Ernst 把AMF 公司的处理放射性物质的伺服操作器和T x -0 计算机连接起来，研制出具有触觉的、用计算机控制的MH-1 智能机器人。

它能凭触觉决定物体的形状，并把散放的积木进行组装。

与此同时，L．G．Roberts 开展了给计算机装上眼的研究，即以电视摄象机作为与计算机的接口，进行物体识别研究1963 年他又发展了齐次坐标变换法，用于决定机器人的位置和方向，提出了机器人位置控制方法。

1957 年出现了装有电视摄象机的并由计算机控制的带视觉的机器人这种机器人通过电视摄像确定物体的位置，和齐次变换的数学方法计算出各关节的转角和手臂的位置。

60 年代后期到70 年代初期，智能机器人引起许多学者的重视美国，日本、英国等相继建立研究机构，开展T 智能机器人的研究。

斯坦福大学与麻省理工学院分别研制出具有“手眼的机器人，进行引导式的积木
装配。

1968年斯坦夫研究所研制出带有电视摄象机和计算机的跟一车系统。

随后，日本研制出能按识别图形进行积木组装的机器人和带视觉反馈的手眼系统；英国爱丁堡大学也研制出手眼结合的系统。

由于这些工作本身难度大离实用较远，所以进入7O 年代之后，研究重点转向智能机器人的单元技术：如计算机视觉、机器人语言、操作器的高级控制、触觉等研究课题。

智能机器人基础技术的发展，促进整机性能提高，开始了面向自动化应用研究。

国内研究现状国内机器人的研究起步较晚，目前和国际先进水平还有一定差距。

1988 年国防科技大学研制的六关节平面运动型双足步行器“先行者”是国内第一台仿人智能机器人。

能够以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。

目前国内最先进的仿人智能机器人是由北京理工大学研制的BHR-2。

BHR-2 型机器人，身高1.6m，体重63kg，共32个自由度。

以1km/h 的速度行走，步幅0.33m。

配备力传感器、视觉传感器、加速度计、倾角计、编码器等各类传感器共44个，具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能。

我国的现代加工制造业在以往阶段所引进和消化的生产能力与技术实力己经有了一定的基础，并且在一些经济活跃地区已经形成了一个相对完整的产业生态链。

在新的产业浪潮下，发展我国的机器人工业，特别是家用机器人产品，是提升制造业自主创新水平和增强产品竞争力，占据行业领先地位的必然趋势。

但同时我们也面临着技术基础薄弱，精密制造也不发达的现状。

从整合创新、引进吸收入手，充分把握市场需求和行业发展方向，中国的
商用机器人行业才能取得突破。

家庭服务机器人是未来机器人的发展方向，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做出响应，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。

家庭服务机器人，其特征在于包括：用于移动的行进装置，由2个直流伺服电机、2个减速箱、2个驱动轮、2 导向轮、1
个直流伺服电机驱动电路构成。

在家庭居住环境内感知到一项或多项如下信息：拍摄到周围的人脸、识别出说话的声音、检测到周围的障碍、测量出到指定位置的距离、检测出室内的温度、检测出火灾、检测出易燃气体、检测出时间、检测出是否碰撞到其他物品、检测出人体体温、辩识出方向。

完成一项或多项如下工作：防盗监测、安全检查、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、开支管理；发送装置，通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出指令到执行装置，以及发送防盗监测、安全检查、病况监视信息，通知在外的家人。

接收通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出的信号，并送给控制装置；由集成了CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、AD/DA、I/O接口、中断和复位系统的1块PC机主板、1块数据采集卡、1块图像处理卡构成；对接收到的信号和所述感知装置感知到的信息进行综合分析处理，发出指令控制所述执行装置完成相应的工作。

通过触模屏、液晶显示器、小键盘来与用户相互交流，并且显示所述家政服务机器人的工作状态。

存储所述感知装置感知的信息、以及所述其他装置产生的相关数据的硬盘存储器。

也许过不了多久，人们见面时会这样问：你家有“家庭服务机器人”吗？这不是天方夜谭，因为家庭服务机器人正在现实地向我们走来家庭服务机器人家庭用途机器人：吸尘机器人、除草机器人、泳池清理机器人、窗户清洗机器人。

娱乐休闲机器人：玩具机器人、教育训练、娱乐用途机器人。

在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中对智能服务机器人给予了明确定义——“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。

”我国对机器人的分类主要按照应用领域进行分类，分别是工业机器人、家用服务机器人、助老助残服务机器人和军用机器人。

我国家用服务机器人产品形态我国在服务机器人领域的研发与日本、美国等国家相比起步较晚。

1 99 5 年清华大学开发了一个七自由度移动
式护理机器人，以高位截瘫人员作为护理对象，目标是在无人看护的情况下替患者完成取药、送水、翻书等工作。

近年来，在国家8 6 3 计划的支持下，我国在服务机器人研究和产品研发方面已开展了大量工作，并取得了一定的成绩，如哈尔滨工业大学研制的导游机器人、迎宾机器人、清扫机器人等；华南理工大学研制的机器人护理床；中国科学院自动化研究所} 国家8 6 3 计划资助项目研制的智能轮椅等。

在教育机器人方面，我国开展了面对大、中小学的机器人竞赛活动，很多企业开发了面向教育的机器人产品。

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。

我国是人口大国，近年来，我国人口老龄化的问题越来越明显。

照顾老年人的日常生活，减少社会对护理人员的需求，是迫切需要解决的问题。

若能将服务机器人（包括清洁机器人、康复机器人、护理机器人、家用机器人、消防机器人等）大规模应用于生活中，将大大缓解社会对护理人员的需求。

因此，有必要加强对服务机器人的研究与开发。

加大对机器人科学的基础研究，加强对机器人核心技术的攻关，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。

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，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。

近日，日本爱知博会举办了“机器人专题展”，65种机器人与观众见面。

有伴舞机器人、机器人播音员、机器人骑手、可进肚检查肠胃病机器人、“味觉”机器人等新型服务机器人，为人们展示了服务机器人广泛的应用和广阔的发展前景。

目前，服务机器人还没有统一的定义，在我国服务机器人的定义指用于完成对人类福利和设备有用的服务（制造操作除外）的自主或半自主的机器人，主要包括：清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、救灾机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等。

现在，我国服务机器人的研究没有形成系统，基本上是各个大学、研究院所根据国外的研究状况，或是为了培养学生兴趣，而进行的一些零散的研究，处于落后状态。

而在机器人研究非常发达的国家，例如德国、日本和韩国，服务机器人研究大多是企业出面进行研究的，将研究与产业发展、市场需求非常好的结合起来，使研究服务于企业，企业促使研究发展，形成一个良性循环。

因此这些国家服务器人的产业化，已经取得了非常好的成果。

计事资讯(CCW Research)的《2005-2006年智能机器人领域投资机会》研究报告中指出，在中国，随着中国人口呈现老龄化的趋势，
以及居民在消费上支出的增加，在未来的十年之内，服务机器人在中国的需求会有明显的增长。

以玩具机器人为例，中国是玩具大国，玩具出口在我国的外贸出口中占主要地位。

中国的玩具厂商要在国际上站稳脚跟，就要有所发展，一定要有新的、高层次的产品。

国内的大型玩具企业已经充分意识到这一点，正在和科研院所合作，研发高端玩具机器人产品。

企业的参与将为玩具机器人的发展起到推动作用。

由于现代家庭绝大多数年轻夫妇都只有一个孩子，父母均乐意将钱花费在他们身上。

而且据调查，超过半数以上的家长都是根据孩子的兴趣来购买玩具。

据玩具协会调查资料显示，目前，国内平均每名儿童每年在玩具上的花费为400元人民币（折合50美元），国内3亿多儿童中，8000多万城市中的儿童，每年在购买玩具上支出为320亿元，再加上2.5亿农村儿童的玩具消费，每年我国儿童的玩具消费总计在500亿元人民币以上。

计事资讯的《2005-2006年智能机器人领域投资机会》预测，随着越来越多玩具机器人被研制出来，走进市场，到2010年，我国儿童玩具机器人的消费将达到100亿元人民币以上。

近日，中科院沈阳自动化研究所宣布，沈阳新松机器人自动化股份有限公司于去年推出了第二代服务机器人“亮亮”和“月月”，在过去的一年里，这两个机器人的身影频频亮相于各大媒体报章，成为了新闻关注的热点。

新一代服务机器人的研发成功不仅完成了从样机到产品的蜕变，使服务机器人成为公司新的经济增长点，还标志着服务机器日趋成熟，让中国人使用家庭机器人的日子不再遥远。

新一代的机器人使用了更大尺寸的触摸屏以及可转动的头部设计，增加了负责运动控制的手持式遥控器，这些使机器人的人机交互性能大大增强。

新的机器人在系统体系结构、总线通讯方式方面做了彻底的改动与优化，使整个系统更加高效。

而实时操作系统内核的引入更使得系统的快速响应性能得到大幅度的提升。

在功能方面，语音识别、合成系统的完善使机器人的交互功能大幅度提高，彩信、网页监控功能的实现使机器人在无人时的安全监控功能不再苍白无力。

至于对话内容编辑、地图编辑功能更为机器人提供了丰富的人机交互接口，自然更能引起小朋友对机器人的学习兴趣。

与这些体系结构与功能上的改进相比，新一代机器人更重要的是在一步一步的完成自己的“使命”。

如果说第一代机器人的使命是完成基本功能展示，进行企业形象宣传的话，那么第二代机器人的使命就是完成从样机到产品的蜕变。

服务机器人是具有高科技附加值的产品，具有广阔的市场前景。

但如果真要将其推向市场，必须要保证产品具有相当高的稳定性与安全性。

因为服务机器人不像工业机器人那样被放置在安全护栏中，它毕竟是要与人类接触的。

因此，新松公司在二代机器人的研发过程中投入了大量的精力，从结构布局到器件筛选乃至核心处理器板的全自主研发，为了保证机器人的可靠性以及降低成本作了充足的准备。

目前，新松公司正在对自主定位的手段与精度、语音识别的精度以及对语音方向的感知等方面进行改进，正逐步完善功能，提高可靠性，最终把产品推向千家万户。

一方面信息高速发展和生活、工作节奏的加快，需要人们从繁杂的家庭劳动中解脱出来；另一方面随着中国老龄化越来越严重，更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，而中国多年的计划生育政策之后，已经形成了人口倒金字塔结构，老龄化家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场，例如家庭护理机器人、玩具机器人、安控机器人、清洁机器人都将是最为需要的。

在国外一些机器人已经实验性地进入了医院、家庭，从事部分辅助服务工作，相信在中国随着市场潜在需求的成熟，也将有更多的服务机器人走入寻常百姓家。

中国对服务机器人的研究起步较晚，但国家对此非常重视，1986年3月开始把研究、开发智能机器人的内容列入国家863高科技发展规划中。

从1986年开始的20多年中，智能机器人主题在863的旗帜下，团结了近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国21世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础。

我国服务机器人研究技术已跨入世界先进行列，但与日本、美国等国家的技术相比还是有差距的，我国科技工作者正在努力向前，热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的服务型机器人与大家见面。

日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施。

日本发明出人形的个性机器人保姆以及由日本产业技术综合研
究所，智能系统研究部门仿人研究小组研制的美女机器人HRP-4C，以用户为中心的机器人开放架构（Centered Robot Open Architecture）开发而成，该架构采用一直在研发的实时Linux、机器人使用的“RT（Robot Technology）中间件”、可进行机器人仿真的软件“OpenHRP3”、语音识别技术以及产开发的人形机器人“HRP系列”所采用的双足行走技术等。

韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业。

韩国科学家成功研制出世界上最聪明的类人机器人“Android”，它集众多前沿科技在一身，包括实时数据传输、音像和感应器、高速处理器等，通过它身上装备的音像和感应器可以探测前方物体的运动，能够识别说话声，然后向服务器发送数据，服务器将数据处理后会下达指令给机器人，帮助它与人类以及周围环境进行互动。

此外夏娃机器人2号是韩国科学家最新研制的一款娱乐型机器人。

美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，如专治中风的机器人医生和新型助残机器人等。

德国，法国和俄罗斯等国也强劲发展机器人技术。

，相信这一天将很快到来的。

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。

参考文献：
【1】．吴瑞祥.机器人技术及应用机器人将是21世纪技术发展的热点
【2】蔡自兴.展望人工智能发展的若干问题
【3】席裕庆.智能机器人的信息系统
【4】何宏. 单片机原理与接口技术
【5】徐方，张希伟，杜振军.我国家庭服务机器人产业发展现状调研报告
【6】上海市机器人学会.服务机器人技术发展趋势
【7】机器人技术与应用杂志
【8】方建军，何广平.智能机器人。