基于人工智能與5G技術(shù)的服務(wù)機器人運用研究

黃國盛

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

中國是在1986年才將服務(wù)機器人的開發(fā)研究列入國家高科技發(fā)展規(guī)劃中，可見對服務(wù)機器人的研究起步較晚，而且以往對服務(wù)機器人的研究，主要集中在一些機械性的工業(yè)操作領(lǐng)域，其他領(lǐng)域未過多涉及。隨著我國科技水平的提升，傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、識別技術(shù)等技術(shù)的出現(xiàn)及融合應(yīng)用，使得服務(wù)機器人不僅具有感知能力，還具有模仿人類智能的基礎(chǔ)。而隨著5G時代的到來，5G技術(shù)與這些人工智能技術(shù)的融合應(yīng)用，將會使得服務(wù)機器人的智能化程度更高，服務(wù)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。

1 5G技術(shù)與人工智能

1.1 5G技術(shù)

隨著5G時代的到來，現(xiàn)5G技術(shù)已經(jīng)商用，對比4G技術(shù)，5G技術(shù)的特點是大寬帶、低時延、高可靠性，具有明顯的優(yōu)勢。將5G技術(shù)嵌入智能服務(wù)機器人中，可充分發(fā)揮5G技術(shù)大寬帶、低時延、高可靠性的優(yōu)勢，實現(xiàn)對智能服務(wù)機器人的聯(lián)網(wǎng)遠程控制，同時還能保證遠程控制的可靠性。

1.2 人工智能

人工智能技術(shù)的智能服務(wù)機器人的核心技術(shù)，通過人工智能將人的智能進行模擬，并通過計算機去執(zhí)行原本只有人類才能執(zhí)行的操作。概括來說，人工智能就是對人類智能活動的研究，也就是通過計算機來模擬人類的某些行為，主要包括機器人視覺、語音識別、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)。

其中，機器人視覺是主要是通過人的眼睛進行模擬，這一技術(shù)可讓機器人具有視覺定位、視覺測量、視覺檢測、圖像識別等多項功能，從而讓計算機實現(xiàn)對一些簡單事物的感知定位和判斷。從功能上看，機器人視覺的功能與計算機視覺具有相似性，但是機器人視覺更側(cè)重于實際應(yīng)用的專門視覺系統(tǒng)，而計算機視覺主要是為了完成特定的任務(wù)，并且機器人視覺系統(tǒng)能夠獲取圖像并分析，同時輸出分析的結(jié)果，目前機器人視覺系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用在自動化設(shè)備中，可替代人類不間斷地工作，尤其是在一些危險的作業(yè)環(huán)境中，還能模仿人工作業(yè)，這樣就很好地避免了人工作業(yè)的危險。

語音識別技術(shù)在服務(wù)機器人中應(yīng)用，可讓機器人對人類的聽覺進行模擬，并在對語音識別和理解的基礎(chǔ)上，將識別的語音轉(zhuǎn)換為文本和命令的形式。這一技術(shù)主要具有特征提取、模型訓(xùn)練、模式匹配這三個方面的準則，除了可以判斷語音的內(nèi)容，還可以根據(jù)語義的判斷進行決策。但是由于人類的語言本身較多樣化，有時含義較為模糊，因此使得機器人語音的應(yīng)用技術(shù)有較高的難度。而隨著5G時代的到來，可讓這一技術(shù)在具體應(yīng)用中，確保機器人具有充足的語音匹配功能，將推動機器人性能的提升。

機器學(xué)習(xí)是人工智能的核心技術(shù)，主要是通過自身的學(xué)習(xí)來改進計算方法，根據(jù)輸入計算機中的大量數(shù)據(jù)經(jīng)驗，在計算機程序中執(zhí)行學(xué)習(xí)活動。機器人雖然擁有部分與人一樣的能力，但是也有不足之處，需要不斷學(xué)習(xí)進行自我完善，并針對性地改進，以提高智能和自動服務(wù)質(zhì)量。5G技術(shù)下的機器人學(xué)習(xí)更加方便，且學(xué)習(xí)方式各種各樣，包括機械學(xué)習(xí)、模仿視力學(xué)習(xí)、類比學(xué)習(xí)等，隨著這些學(xué)習(xí)方式越來越完備，可讓機器人的學(xué)習(xí)有更加強的系統(tǒng)功能，在指令下所作出的動作也會更符合要求，可給人們帶來更好的服務(wù)體驗。

2 基于人工智能與5G技術(shù)的服務(wù)機器人的運用情況

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，以及其與5G技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，不僅讓服務(wù)機器人的智能化程度更高，而且也讓服務(wù)機器人的運用范圍更廣，主要有以下幾方面。

2.1 在制造行業(yè)中運用

將人工智能技術(shù)與5G技術(shù)融合應(yīng)用，可讓服務(wù)機器人順利完成各項服務(wù)。在上述分析中可得知，在機器人中應(yīng)用視覺技術(shù)，可通過模擬人的眼睛來對服務(wù)與相關(guān)事物進行識別和定位，同時實現(xiàn)精準檢測，可做出與人腦一致的判斷，進而更好地提供所需的服務(wù)。服務(wù)機器人可反復(fù)工作，可提升工作效率，最重要的是可代替人工完成一些危險性的工作。將5G技術(shù)下的智能服務(wù)機器人應(yīng)用至制造業(yè)生產(chǎn)中，便可以發(fā)揮機器人視覺技術(shù)的作用，替代工人進行流水線操作或檢查產(chǎn)品生產(chǎn)情況等，這樣不僅能有效減輕人工的負擔(dān)，還能有效提高生產(chǎn)效率，最重要的是能夠減少人為因素引起的失誤，有效提升制造生產(chǎn)的精準性。

2.2 在農(nóng)業(yè)中運用

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，人口老齡化嚴重，從而出現(xiàn)生產(chǎn)勞動力短缺、人工成本增加的問題。由于服務(wù)機器人的成本不斷下降，性能不斷提升，目前已成為替代繁重體力勞動的關(guān)鍵裝備。目前國內(nèi)果品采摘作業(yè)基本是由人工完善，采摘是生產(chǎn)鏈中最耗時費力的一個環(huán)節(jié)。而隨著果業(yè)的快速發(fā)展，對勞動力的需求也越來越大。此時便可通過融合了5G技術(shù)與人工智能技術(shù)的服務(wù)機器人替代人工來完成果皮采摘，不僅能降低人工成本，還能實現(xiàn)果品采摘自動化、機械化和智能化。5G技術(shù)下的智能服務(wù)機器人，在果品采摘中，主要是通過語音識別和圖像識別等技術(shù)實現(xiàn)對果樹的多個果實進行精準識別和定位，可有效提升采摘的效率。另外，5G技術(shù)下的采摘機器人，除了可替代人工完成采摘作業(yè)，還能進行噴藥、打老葉、光照度檢測、采摘重量測量等。因此，將基于5G與人工智能的服務(wù)機器人應(yīng)用至果業(yè)中，將強有力推動果業(yè)的現(xiàn)代化、智能化，而且在降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)戶收入、改善生產(chǎn)條件、提高綜合生產(chǎn)能力等方面有重要作用。

2.3 在醫(yī)療行業(yè)中運用

這幾年服務(wù)機器人也廣泛運用在醫(yī)療行業(yè)中，利用最新的5G技術(shù)與人工智能技術(shù)，實現(xiàn)對語音的自動識別和處理，實現(xiàn)人機交互，不僅能很好地緩解醫(yī)護人員不足的問題，而且有助于醫(yī)療服務(wù)水平的提升。在服務(wù)機器人具體應(yīng)用過程中，首先需要進行語音識別，然后再對識別的語音信息進行處理，利用人工智能技術(shù)來明確客戶的意圖，之后再利用5G技術(shù)來搜集相關(guān)的資料與信息，并結(jié)合客戶的意圖找到答案，最后再轉(zhuǎn)換為語音并準確地傳達給客戶。目前在醫(yī)療行業(yè)中運用的服務(wù)機器人，主要是充當(dāng)客服這一角色，負責(zé)回答和解決一些常見的問題。另外，也可以讓服務(wù)機器人負責(zé)就醫(yī)引導(dǎo)，就醫(yī)在系統(tǒng)中輸入相關(guān)內(nèi)容或者與機器人進行語音對話，在機器人掌握了意圖后再針對性進行引導(dǎo)就診?？偟膩碚f，在醫(yī)療行業(yè)中的服務(wù)機器人，其主要發(fā)揮的是人機交互這一功能，既能自動化、智能化地迎接患者，也能為醫(yī)院患者提供個性化的服務(wù)，如答疑解惑、就醫(yī)導(dǎo)診、健康宣傳教育等。

2.4 在餐飲業(yè)中運用

目前服務(wù)機器人在餐飲行業(yè)中廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，將人工智能、5G通信技術(shù)、視覺和聽覺感知等技術(shù)集成應(yīng)用，以實現(xiàn)與外部的良好交互。目前餐廳服務(wù)機器人，主要有迎賓互動機器人、送餐機器人及機器人后臺調(diào)度系統(tǒng)這幾個部分組成。其中，迎賓互動機器人，主要是通過語音、表情與動作與顧客互動，且通過機器人的觸摸屏，可展示各種圖文并茂的宣傳信息，可通過語音向顧客介紹餐廳、特色菜品及優(yōu)惠促銷活動等信息。同時，機器人還可以與顧客打招呼和揮手，顧客可以通過觸碰或語音告訴機器人目的地，如包房名稱，機器人通過語音向顧客介紹包房的具體位置，并用手臂指出方向；送餐機器人，具有自動送餐、空盤回收、自動充電等功能，可替代部分餐廳服務(wù)員為顧客服務(wù)。另外，送餐機器人還可以配合底盤運動，結(jié)合優(yōu)美的音樂進行舞蹈表演，達到吸引顧客、活躍現(xiàn)場氣氛的目的。

就商家而言，智能服務(wù)機器人的應(yīng)用，可以節(jié)省人工成本，也能提高客戶的體驗感。讓服務(wù)機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)服務(wù)員，也有助于打造智能服務(wù)機器人特色主題的飯店。服務(wù)機器人的使用，可避免服務(wù)員與顧客之間產(chǎn)生不必要的矛盾，從而提高飯店的服務(wù)滿意度，形成統(tǒng)一的服務(wù)標準。同時，服務(wù)機器人的管理也較人工管理更容易管理，機器人可分擔(dān)許多大量繁瑣、重復(fù)和單調(diào)的工作。

3 基于人工智能與5G技術(shù)的服務(wù)機器人的設(shè)計

從上述中可得知，基于5G技術(shù)的智能服務(wù)機器人運用領(lǐng)域廣泛，包括制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、餐飲行業(yè)等，而不同的行業(yè)領(lǐng)域需要提供的服務(wù)也不同，這也就決定了服務(wù)機器人的軟硬件設(shè)計有所不同。以下選擇餐飲行業(yè)的服務(wù)機器人，對其軟硬件設(shè)計進行簡要分析。

3.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是服務(wù)機器人設(shè)計中一項重要內(nèi)容，下圖1為服務(wù)機器人硬件結(jié)構(gòu)圖，從圖1中可得知，服務(wù)機器人的核心硬件主要由五部分組成，其中，核心控制板主要的作用是對機器人進行控制管理；電源供電主要采用充電電池；傳感器模塊主要由紅外傳感器和激光雷達組成，用以識別物件和機器人運動；通信模塊主要采用的是芯片技術(shù)，并通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，以實現(xiàn)機器人的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳遞。

圖1 服務(wù)機器人硬件結(jié)構(gòu)示意圖

就其中的傳感器模塊而言，由于機器人在運動過程需要進行障礙物的規(guī)避，因此采用的紅外傳感器來進行障礙物檢測，原理為：通過紅外二極管模塊不斷向空間發(fā)送檢測紅外線，并由紅外模塊的接收裝置來接收反射的紅外線，如果在檢測區(qū)域中存在障礙物，則紅外線就會被高強度反射，此時紅外傳感器就會對應(yīng)輸出較高的電壓信號，控制中心在接收到這個信號后，發(fā)送相應(yīng)指令讓機器人停止運動。而激光雷達主要用以實現(xiàn)供電、接地、脈沖寬度調(diào)節(jié)，其工作原理為：向檢測區(qū)域持續(xù)發(fā)送激光檢測信息，并通過視覺采集攝像頭來接收反射信號，接著再由信號處理系統(tǒng)計算出對應(yīng)的距離和夾角，最后再將計算結(jié)果傳遞給核心控制板中，以便控制板做出指令，讓服務(wù)機器人有效規(guī)避障礙物。

3.2 軟件設(shè)計

服務(wù)機器人軟件設(shè)計部分，主要涉及以下3個部分的內(nèi)容：

（1）云端控制設(shè)計。服務(wù)機器人云端設(shè)計的目的，主要是對指令控制、統(tǒng)一管理和信息記錄，以便更好地為管理者提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計和信息查詢服務(wù)。圖2為服務(wù)機器人的云端系統(tǒng)構(gòu)成，其中，TensorFlow Serving主要用來接收機器人的各種感知數(shù)據(jù)，并通過深度Q網(wǎng)絡(luò)建立機器人自主學(xué)習(xí)；在Web服務(wù)器部署云端應(yīng)用程序，目的是方便用戶進行機器人控制指令的發(fā)送、處理和信息管理等；而在SQL數(shù)據(jù)中，主要是對各種數(shù)據(jù)信息保持和管理，同時記錄了機器人運行日志、Web服務(wù)運行日志等，以便在出現(xiàn)問題時可以及時進行信息統(tǒng)計查詢。在機器人通電后，會與云端系統(tǒng)連接，而在服務(wù)機器人運動過程中，會對周邊環(huán)境進行感知，并與云端進行數(shù)據(jù)通信，云端在接收數(shù)據(jù)信息后，可進行即時定位和地圖構(gòu)建，并通過深度Q網(wǎng)絡(luò)來引導(dǎo)服務(wù)機器人進行運動，直到服務(wù)機器人到達目標位置。

圖2 云端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）自動控制設(shè)計。通常服務(wù)機器人的自動控制，主要是通過云端程序來實現(xiàn)，在機器人通電后，與云端系統(tǒng)連接，在接收云端發(fā)來的指令后，對接收的數(shù)據(jù)完整性經(jīng)先判斷，待指令解析成功后，便可按照指令進行自動控制。在指令準確解析后，機器人會自行運動至指定的位置，并通過攝像頭讀取目標位置信息，以便調(diào)整位姿，之后將定位狀態(tài)發(fā)送至機械臂，于是便有了機械臂的下一步操作。需要注意的是，在服務(wù)機器人自動控制過程中，關(guān)鍵在于機器人行走路線的控制，考慮一般服務(wù)機器人的服務(wù)面積比較大，為了能快速為用戶提供專業(yè)的服務(wù)，也需要技術(shù)人員對服務(wù)機器人的運行路徑進行規(guī)劃設(shè)計。但在傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃中，大部分是采用A*算法，這一算法僅考慮路徑的長度，忽視進一步分析，如該條路徑的繁忙程度等。因此，為了能讓服務(wù)機器人的運行路徑更加科學(xué)化，在路徑規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)重視引入繁忙檢測值和路徑權(quán)重值這兩個值的引入，由此對機器人的路徑進行優(yōu)化設(shè)計，這樣既能靈活增加路徑的長度和寬度，也能避免出現(xiàn)擁堵的情況。

4 結(jié)語

服務(wù)機器人是人工智能時代下的產(chǎn)物，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，及與5G技術(shù)的有效融合，可讓服務(wù)機器人具有諸多功能，如智能定位、語音識別、圖像轉(zhuǎn)化與分析、自主學(xué)習(xí)等，而且在5G技術(shù)的加持下，這些系統(tǒng)功能會越來越強大，這使得服務(wù)機器人的運用范圍也會更加廣泛，除了可以運用在工業(yè)機械制造領(lǐng)域，還可以運用在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等多個行業(yè)領(lǐng)域，極大地促進這些行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。