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服務(wù)機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《美國機器人技術(shù)路線圖》，其中服務(wù)機器人是其中的重點一章。服務(wù)機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)機器人是一類用以輔助人們?nèi)粘９ぷ?、生活、休閑，以及幫助殘疾人與老年人的機器人系統(tǒng)。在工業(yè)機器人系統(tǒng)中，機器人的任務(wù)是完成高質(zhì)量、高一致性的生產(chǎn)任務(wù)。服務(wù)機器人與之不同的是，工業(yè)機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)機器人專業(yè)服務(wù)機器人主要指能夠產(chǎn)生經(jīng)濟效益的服務(wù)型機器人，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%的年增長率迅速擴大。國際機器人聯(lián)合會(IFR)和德國機械設(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。若想讓機器人發(fā)揮更大作用，就必須賦予機器人更高的機動性：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。隨著研究的進展，高機動性機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)酒店運輸機器人的Savyoke，為醫(yī)院制作運輸機器人的Aethon和Vecna，生產(chǎn)超市倉儲機器人的Bossa Nova，著眼于無人機快遞的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)倉儲機器人的Fetch等。物流機器人市場的指數(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、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)借助多種先進傳感器和其他機器人技術(shù)，能夠勝任各種復(fù)雜的地下任務(wù)。這類機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%。無人機正成為巡檢領(lǐng)域的一個有效機器人平臺。未來5年，無人機將變得更小、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)多機協(xié)同作業(yè)與避免碰撞。遠程替身機器人遠程替身機器人是最典型的用于改善人類交流體驗的服務(wù)機器人，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。遠程替身機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)護領(lǐng)域，配備有攝像頭、麥克風(fēng)和揚聲器的遠程醫(yī)療機器人能夠讓醫(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，遠程醫(yī)療機器人將還能用于術(shù)后護理、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。這類機器人能夠顯著降低醫(yī)護成本，為更多人提供良好的醫(yī)療技術(shù)服務(wù)。娛樂機器人技術(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。作為機器人交互的重要技術(shù)，AR進入游戲行業(yè)將促使其發(fā)展進一步加速。個人服務(wù)機器人個人服務(wù)機器人主要是指提供日常生活服務(wù)的機器人，或為殘障人士提供幫助的機器人。例如，掃地機器人和草坪修剪機器人等家用機器人，及娛樂休閑機器人，如玩具機器人、娛樂無人機、教育平臺。未來5-10年，得益于機器人技術(shù)的發(fā)展與制造成本的降低，個人服務(wù)機器人的市場還將進一步拓寬。交通運輸隨著機器人技術(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、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理需要的解決方案的機遇。美國正處于未來20年發(fā)展趨勢的入口：退休工人數(shù)量占當前勞動力數(shù)量的百分比將近翻倍，即從當前的每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)展機器人技術(shù)作為國家政策的主要誘因。當提高生產(chǎn)率和降低成本成為服務(wù)機器人的共同特征時，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)量機器人技術(shù)用于提供遙操作解決方案，比如依賴感覺的達芬奇手術(shù)系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)的代表。機器人技術(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)與物流機器人技術(shù)在促進生產(chǎn)和貨物移動自動化方面擁有巨大潛力，特別是機器人技術(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。隨著機器人技術(shù)的持續(xù)進步和成熟，用于小范圍場景，如機場的無人運輸系統(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)施防護機器人技術(shù)提供了巨大的潛能，用以邊境保護、搜索和援救、港口檢測和安保及相關(guān)領(lǐng)域。此外，機器人技術(shù)有望大量用于自動化檢測、保養(yǎng)并維護橋梁、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)了機器人技術(shù)的轉(zhuǎn)化，尤其是機器人技術(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，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展和開發(fā)機器人技術(shù)。正如上面提到的，距離實現(xiàn)完全自主的機器人技術(shù)，即無需人類給予指令或干涉的自動運行機器人技術(shù)，仍有很長的一段路。與會學(xué)者達成了一致的意見，即機器人技術(shù)的進步使得開發(fā)和市場化機器人的初級產(chǎn)品和應(yīng)用成為了可能，并且能夠顯著“增強人類機能”。這些解決方案將能夠根據(jù)下列功能進行自動調(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。這類機器人解決方案的例子包括遙操作系統(tǒng)。如達芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)以及自主的專業(yè)機器人，比如Roomba。隨著互聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，自然而然會從遠距離傳感發(fā)展到遠距離操作?；ヂ?lián)網(wǎng)這種向物理世界的擴展將有助于進一步模糊通信、計算和服務(wù)之間的界限，激發(fā)遠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)，其具備分布認知能力并能夠有效利用人類智能。這類解決方案將與機器人技術(shù)結(jié)合，在實現(xiàn)自主感知位置的同時，允許操作員從遠距離根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)進行干預(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。當工人們尋求向職業(yè)更高層級邁進的時候，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器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主控制和多用途相當重要。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，當機器人應(yīng)用的復(fù)雜性增加，且每天都有新的機器人部署的情況下，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)當包括對象情景支持(即機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)，進一步開發(fā)“視覺SLAM”(VSLAM)領(lǐng)域。這種技術(shù)依賴于相機(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)。

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美國服務(wù)機器人技術(shù)路線圖