物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下服務機器人應用與開發(fā)

翟 慧，孫鵬濤

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院，上海 200240；2.上海信息技術(shù)學校，上海 201411）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是國際電信聯(lián)盟（ITU）于2005年首次正式提出的概念，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡，將各種信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。隨著網(wǎng)絡技術(shù)和智能手機的普及覆蓋，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)從研發(fā)階段逐漸走向人們的日常生活，如今用手機監(jiān)控家中的實時狀況、開啟空調(diào)或者監(jiān)控私家汽車的實時狀態(tài)已經(jīng)不再是科幻電影中的情景[1]。

原有單一功能的掃地機器人、烹飪機器人、陪讀機器人已無法滿足消費者的需求和心理預期，服務機器人需要在網(wǎng)絡化、智能化等方面進行技術(shù)提升，才能滿足行業(yè)痛點。

1 服務機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，能完成與人類衣食住行相關(guān)的服務工作。具備感知、決策、執(zhí)行3個能力是服務機器人的主要特征。服務機器人本身是一個復雜的系統(tǒng)。

當前服務機器人市場已有的產(chǎn)品，根據(jù)不同的功能，對以上技術(shù)進行了融合實現(xiàn)。受到硬件、軟件、研發(fā)成本方面的限制，技術(shù)提升的難度會成指數(shù)增長。兼具物理信息和數(shù)據(jù)通信功能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自然而然成為解決這一難題的研究方向。兩項技術(shù)的融合能有效突破各自技術(shù)的瓶頸，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。首先，具有數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸、終端應用構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)能給服務機器人提供準確實時的全局感知定位，形成立體化的路徑規(guī)劃和實時位置修正，彌補了服務機器人感知范圍小、計算能力差的自身缺陷。其次，5G網(wǎng)絡的推廣，可以通過固定的計算終端實時傳輸云計算數(shù)據(jù)，給服務機器人裝上真正的大腦，讓服務機器人真正兼具人工智能。最后，利用網(wǎng)絡通信和移動終端，服務機器人可以真正實現(xiàn)多機協(xié)作和人機交互等功能，讓人與機器人、機器人與機器人實現(xiàn)無縫對接。傳統(tǒng)服務機器人和具有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的服務機器人對比情況見表1?？梢灾庇^地看到，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡支撐，服務機器人將在產(chǎn)品性能、使用成本以及用戶體驗等方面實現(xiàn)質(zhì)的飛越。

2 物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)

以家庭環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)為例，遍布房間的傳感設備實現(xiàn)對房間中人和物體的位置、形狀、動作進行精確捕捉，并將相關(guān)信息傳輸給服務機器人。通過集成的高速計算機運算分析，協(xié)調(diào)服務機器人實現(xiàn)對房間中所有終端設備的控制，主動或協(xié)同完成人類的服務需求。圖1是一個典型的家庭場景下物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)示意圖。家庭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，溫度、光電、氣體等傳感器監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，感知的信息會通過無線網(wǎng)絡傳輸給家庭控制計算主機終端，由主機終端進行運算決策，并將指令傳輸給服務機器人和其他執(zhí)行器做出反應，執(zhí)行打開空調(diào)、關(guān)上窗簾、調(diào)低電視音量等服務。

表1 服務機器人技術(shù)對比分析

圖1 家庭場景下物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)示意圖

根據(jù)以上設計方式和研究思路，未來服務機器人不應再固化于電影、電視中可以移動跟隨人完成簡單任務，而是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制終端設備實現(xiàn)全程服務。因此，有必要探討未來服務機器人應用和開發(fā)的方向。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下服務機器人開發(fā)與應用方向

3.1 人工智能技術(shù)的有機結(jié)合

人工智能（Artificial Intelligence，AI）本質(zhì)是對人的意識、思維的信息過程的模擬?；A(chǔ)層的云計算、大數(shù)據(jù)等因素逐漸發(fā)展成熟，催化了人工智能的進步。從技術(shù)層來看，當前的各類人工智能算法主要是利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡等算法來模擬人腦的思考方式，應用范圍主要包括語音識別、圖像識別、語義理解、預測規(guī)劃和智能控制等。從應用層來看，機器人是人工智能應用于多樣化領(lǐng)域的重要載體。當前，人工智能技術(shù)更多助力于制造業(yè)中自動化與柔性化生產(chǎn)的推行。長期來看，面對遠比當前工業(yè)生產(chǎn)復雜的環(huán)境，服務機器人對人工智能技術(shù)的要求更高、更全面，市場空間更大。由于服務機器人需要在復雜多變、不確定或不受控制的環(huán)境下自主運行，必須具備對周遭環(huán)境和事物高效的識別、感知、理解、判斷及行動能力。隨著深度學習算法以及計算機視覺、機器學習、智能語音等多種智能算法的應用，服務機器人的機器視覺、人機交互能力以及基于大數(shù)據(jù)的機器學習能力等方面的人工智能水平呈現(xiàn)質(zhì)的飛躍。當前，物聯(lián)網(wǎng)與服務機器人的結(jié)合主要是發(fā)揮兩個技術(shù)的優(yōu)勢所在，如導航定位、跟蹤尋跡、多數(shù)據(jù)采集等。事實上，人們對服務機器人的需求絕對不僅僅是根據(jù)語言指令去完成某些特定功能的“機器狗”，而是具有自主學習能力和宜人化特點。這就要求物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)由“感知”功能進一步升級到“認知”功能，甚至具有“人格化”特征。而單純依靠機器人本體的程序運算和硬件升級很難達到這一預期，只有依靠人工智能技術(shù)才可能突破當前的技術(shù)瓶頸。

3.2 普適機器人系統(tǒng)應用開發(fā)

普適機器人系統(tǒng)的應用開發(fā)是從普適計算的角度出發(fā)，將智能、行為、感知等功能分別設置在軟件機器人、嵌入機器人、移動機器人中，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成一個有機系統(tǒng)。這樣的普適機器人系統(tǒng)更適應商場、醫(yī)院、家庭等室內(nèi)服務功能。目前，普適機器人系統(tǒng)主要側(cè)重在運用感知技術(shù)提升服務質(zhì)量。普適機器人強大的普適計算和云計算能力可以將其感知和計算獲得的知識通過物聯(lián)網(wǎng)共享到云端，并進行語言感知和推理執(zhí)行，使機器人提供更加豐富智能的服務。

應用層面，運用普適機器人實現(xiàn)的圖書管理機器人系統(tǒng)，可以準確定義圖書和書架的具體位置和圖書信息管理。普適機器人系統(tǒng)基于傳感器和終端執(zhí)行機構(gòu)可以實現(xiàn)食材的選擇和制作，以構(gòu)成普適機器人廚房[2]。

3.3 服務機器人細分功能的應用

未來的服務機器人市場需求會更加豐富多樣，由于受到數(shù)據(jù)采集、運算執(zhí)行、通信傳輸?shù)燃夹g(shù)的限制，不可能研究出一款服務機器人產(chǎn)品符合家用、醫(yī)療、商務等所有場合。因此，未來的服務機器人技術(shù)開發(fā)應在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，注重細分市場的產(chǎn)品開發(fā)。例如，Google公司開發(fā)的無人車智能機器人系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖夙憫?，實現(xiàn)復雜路況的無人駕駛；養(yǎng)老助老市場中的智能用藥服務機器人，有別于普通的居家功能服務機器人，通過大數(shù)據(jù)采集和物聯(lián)網(wǎng)終端，可以監(jiān)控老人的身體狀況、用藥情況、醫(yī)院的病例情況及后續(xù)的治療方案，切實解決老年人用錯藥物、忘記用藥、藥量錯誤等問題[3]。這些細分的服務機器人市場無疑將成為未來服務機器人發(fā)展的主流。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下的服務機器人系統(tǒng)，改變了原有單一的服務機器人一元發(fā)展的固有模式，為服務機器人的全面普及提供了可行的技術(shù)支持。這一新興的、革命性的研究方向充滿了挑戰(zhàn)和機遇，對于促進我國機器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，實現(xiàn)“彎道超車”有著重要的歷史意義。

同時，物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)并不可能是簡單的物聯(lián)網(wǎng)與機器人的疊加，其中很多技術(shù)問題需要不斷完善，如物聯(lián)網(wǎng)機器人系統(tǒng)的整體框架研究、物聯(lián)網(wǎng)服務機器人復雜任務的規(guī)劃和實現(xiàn)、物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)標準的制定、物聯(lián)網(wǎng)服務機器人認知能力的研究等一系列問題。這需要人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、芯片研發(fā)技術(shù)等多方面取得突破。當前，我國正處在改革深入發(fā)展的關(guān)鍵時期，快節(jié)奏的生活模式和社會老齡化日趨嚴重已成為城市化發(fā)展亟待解決的突出問題。加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，提升核心技術(shù)競爭力，讓服務機器人走進千家萬戶，必將會對提高人們生活質(zhì)量、改善人們生活條件、推進產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。希望隨著我國對各項高端技術(shù)的突破，物聯(lián)網(wǎng)服務機器人系統(tǒng)的各項技術(shù)難題將會被逐一解決。