服務機器人

服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止尚沒有一個嚴格的定義。不同國家對服務機器人的認識不同。

可以分為專業領域服務機器人和個人/家庭服務機器人，服務機器人的套用範圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保全、救援、監護等工作。

基本介紹

• 中文名：服務機器人
• 分類：專業領域，個人/家庭服務
• 定義：沒有嚴格定義
• 工作：保養、修理、運輸等

發展

數據顯示，目前，世界上至少有48個國家在發展機器人，其中25個國家已涉足服務型機器人開發。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計40餘款服務型機器人進入實驗和半商業化套用。

近年來，全球服務機器人市場保持較快的增長速度，根據國際機器人聯盟的數據，2010年全球專業領域服務機器人銷量達13741台，同比增長4%，銷售額為320億美元，同比增長15%;個人/家庭服務機器人銷量為220萬台，同比增長35%，銷售額為5.38億美元，同比增長39%。

另外一個方面，全球人口的老齡化帶來大量的問題，例如對於老齡人的看護，以及醫療的問題，這些問題的解決帶來大量的財政負擔。由於服務機器人所具有的特點使之能夠顯著的降低財政負擔。因而服務機器人能夠被大量的套用。

我國在服務機器人領域的研發與日本、美國等國家相比起步較晚。在國家863計畫的支持下，我國在服務機器人研究和產品研發方面已開展了大量工作，並取得了一定的成績，如哈爾濱工業大學研製的導遊機器人、迎賓機器人、清掃機器人等;華南理工大學研製的機器人護理床;中國科學院自動化研究所研製的智慧型輪椅等。

簡介

服務機器人的套用範圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保全、救援、監護等工作。國際機器人聯合會經過幾年的蒐集整理，給了服務機器人一個初步的定義：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益於人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。這裡，我們把其它一些貼近人們生活的機器人也列入其中。

除割草機器人外，到1999年底世界裝備的服務機器人幾乎都是行業用的機器人。這些專用機器人的主要套用領域有：醫用機器人，多用途移動機器人平台，水下機器人及清潔機器人。

1999年末，世界全部服務機器人至少為6600台，其中家用機器人有3000台，約占50%，水下機器人及醫用機器人分別占14%及12%，清潔機器人占6%，其他所有機器人占23%。

預計2000－2003年服務機器人總量將增加到49,400台，其中40,000台是家用機器人（除真空吸塵機器人外），5000台是醫用機器人。家用真空吸塵機器人2000年底將進入市場，如果價格合理，2003年的銷售量可能達到25萬台以上。

家用機器人的總銷售量預計將超過30萬台，它表明服務機器人市場即將進入一個嶄新的階段。

從需求及設備現有的技術水平方面來看，殘疾人用的機器人還沒有達到人們預期的目標。未來10年，助殘機器人肯定會成為服務機器人的一個關鍵的領域。許多重要的研究機構正在集中力量開發這類機器人。

就服務機器人的總體來看，普及方面的主要困難一個是價格問題；另一個是，用戶對機器人的益處、效率及可靠性不十分了解。

主要類型

護士助手

看到現在世界上有這么多形形色色的機器人，你也許會問世界上第一台真正意義上機器人是誰發明的呢？發明第一台機器人的正是享有“機器人之父”美譽的恩格爾伯格先生。

恩格爾伯格是世界上最著名的機器人專家之一，1958年他建立了Unimation公司，並於1959年研製出了世界上第一台工業機器人，他對創建機器人工業作出了傑出的貢獻。1983年，就在工業機器人銷售日漸火爆的時候，恩格爾伯格和他的同事們毅然將Unimation公司賣給了西屋公司，並創建了TRC公司，開始研製服務機器人。

恩格爾伯格認為，服務機器人與人們生活密切相關，服務機器人的套用將不斷改善人們的生活質量，這也正是人們所追求的目標。一旦服務機器人像其它機電產品一樣被人們所接受，走進千家萬戶，其市場將不可限量。

恩格爾伯格創建的TRC公司第一個服務機器人產品是醫院用的“護士助手”機器人，它於1985年開始研製，1990年開始出售，目前已在世界各國幾十家醫院投入使用。“護士助手”除了出售外，還出租。由於“護士助手”的市場前景看好，現已成立了“護士助手”機器人公司，恩格爾伯格任主席。

“護士助手”是自主式機器人，它不需要有線制導，也不需要事先作計畫，一旦編好程式，它隨時可以完成以下各項任務：運送醫療器材和設備，為病人送飯，送病歷、報表及信件，運送藥品，運送試驗樣品及試驗結果，在醫院內部送郵件及包裹。

該機器人由行走部分、行駛控制器及大量的感測器組成。機器人可以在醫院中自由行動，其速度為0.7米/秒左右。機器人中裝有醫院的建築物地圖，在確定目的地後機器人利用航線推算法自主地沿走廊導航，由結構光視覺感測器及全方位超音波感測器可以探測靜止或運動物體，並對航線進行修正。它的全方位觸覺感測器保證機器人不會與人和物相碰。車輪上的編碼器測量它行駛過的距離。在走廊中，機器人利用牆角確定自己的位置，而在病房等較大的空間時，它可利用天花板上的反射帶，通過向上觀察的感測器幫助定位。需要時它還可以開門。在多層建築物中，它可以給載人電梯打電話，並進入電梯到所要到的樓層。緊急情況下，例如某一外科醫生及其病人使用電梯時，機器人可以停下來，讓開路，2分鐘後它重新啟動繼續前進。通過“護士助手”上的選單可以選擇多個目的地，機器人有較大的螢光屏及用戶友好的音響裝置，用戶使用起來迅捷方便。

腦外科機器人

2000年初春，來自黑龍江某大學的一位學生正平靜地躺在中國人民解放軍海軍總醫院手術台上。她患有顱咽管瘤，4年前曾做過開顱手術，不幸的是現在腫瘤又復發了，腫瘤壓迫視神經使她雙眼視力下降，左眼視力0.02，右眼只有光感。此刻，醫生們正用先進的腦外科機器人系統為她實施手術定位。只見她的頭部貼有4個標誌點，由這4個標誌點建立一個空間坐標系，CT機以不同的角度為她掃描，之後，醫生將9張CT圖片輸入計算機，螢幕上便顯示出三維的病灶部位。醫生在螢幕上確定手術的穿刺點和穿刺軌跡，5自由度的機器人對準穿刺點，然後自行鎖定這一位置，為醫生搭建一個穩固的操作平台，醫生根據已標定的穿刺點進針和實施相應手術。整個手術過程20分鐘。手術後，患者自己下床、穿鞋、走出手術室。三天后，患者出院了，雙眼視力均恢復到0.9。

腦外科機器人輔助系統

該腦外科機器人輔助系統是由北京航空航天大學、清華大學和海軍總院共同研製開發的。1997年5月用該機器人為病人實施了首例開顱手術,到2000年11月已為140多位病人實施了這種手術。2000年11月在北京舉辦“中美醫用機器人臨床套用學術交流會”。15日上午，美國心外科機器人和中國腦外科機器人分別實施臨床手術。消毒、在胸部打三個小孔、機械手伸入胸腔，四樓的手術室里，來自美國的機器人開始對59歲的患者進行冠狀動脈搭橋手術。這種名叫伊索的機械手臂伸入到胸腔內，隨著醫生“上、下、左、右”的指令在0.2至1厘米的範圍內移動，尋找用於搭橋的乳內動脈。美國機械手臂研製公司的副總裁張先生介紹說，傳統手術中取乳內動脈要用45分鐘，而利用機械手臂只要15分鐘左右就可以完成。如果不採用這一手術方式，病人會留下一個20厘米長的切口，由於藉助機械手臂上的內窺鏡，醫生的視野更清晰，可以在手術圖象上直接操作，這次在病人胸部的切口只有5厘米。二樓手術室里，中國機器人正在為61歲的王女士進行腦部的“活檢”。主刀醫師趙先生說，像王女士這樣病灶較深的腦外手術，以前要把四個釘子扎到顱骨上，戴著一個金屬大框架，到處去做CT、核磁掃描。藉助機械手臂，病人就可以拋掉大框架，藉助機械手臂來定位，並為醫生提供手術平台。醫生通過手術台旁邊的計算機螢幕，就可以為手術確定病灶點，原來至少要用半天時間才能完成的手術，現在30分鐘就完成了。9時開始的手術，不到10時，王女士就輕鬆地走下手術台，“腦裡面鬆快多了”，王女士笑著說。輔助手術機器人的研製者之一，海軍總醫院全軍神經外科中心田增民教授介紹說，現在神經外科手術的發展趨勢是追求安全性、微創性和精確性，使用機器人系統符合了這些要求，並且在微創傷方面獲得了傳統治療方法不可比擬的良好效果。在使用機器人系統之前，國內外普遍採用的是有框架腦立體定向手術，即在患者的顱骨上鑽4個小洞，然後固定一個金屬框架。醫生通過這個框架（也就是一個坐標系）來確定病灶的具體位置，並決定手術的位置。採用機器人系統，不但沒有了固定框架給患者帶來的痛苦和給醫生帶來的操作不便，而且提高了定位精度和操作的可視性，為患者最大限度地減少了手術創傷。

機器人在醫療方面的套用越來越多，比如用機器人置換髖骨、用機器人做胸部手術等。這主要是因為用機器人做手術精度高、創傷小，大大減輕了病人的痛苦。從世界機器人的發展趨勢看，用機器人輔助外科手術將成為一種必然趨勢。

口腔修復機器人

牙齒是人類健康的保護神，擁有一口結實、完好的牙齒是身體健康的保證。然而隨著人年齡的增長，牙齒將會出現鬆動脫落。目前，世界上大多數已開發國家都步入了老齡化社會，很多老人出現了全口牙齒脫落。全口牙齒脫落的患者，稱為無牙頜，需用全口義齒修復。在我國目前有近1200萬無牙頜患者。人工牙列是恢復無牙頜患者咀嚼、語言功能和面部美觀的關鍵，也是製作全口義齒的技術核心和難點。傳統的全口義齒製作方式是由醫生和技師根據患者的頜骨形態靠經驗，用手工製作，無法滿足日益增長的社會需求。北京大學口腔醫院、北京理工大學等單位聯合成功研製出口腔修復機器人。

口腔修復機器人

這是一個由計算機和機器人輔助設計、製作全口義齒人工牙列的套用試驗系統。該系統利用圖像、圖形技術來獲取生成無牙頜患者的口腔軟硬組織計算機模型，利用自行研製的非接觸式三維雷射掃描測量系統來獲取患者無牙頜骨形態的幾何參數，採用專家系統軟體完成全口義齒人工牙列的計算機輔助統計。另外，發明和製作了單顆塑膠人工牙與最終要完成的人工牙列之間的過渡轉換裝置——可調節排牙器。

基於機器人可以實現排牙的任意位置和姿態控制。利用口腔修復機器人相當於快速培養和造就了一批高級口腔修復醫療專家和技術員。利用機器人來代替手工排牙，不但比口腔醫療專家更精確地以數字的方式操作，同時還能避免專家因疲勞、情緒、疏忽等原因造成的失誤。這將使全口義齒的設計與製作進入到既能滿足無牙頜患者個體生理功能及美觀需求，又能達到規範化、標準化、自動化、工業化的水平，從而大大提高其製作效率和質量。

進入血管機器人

在美國洛杉磯市舉行的一次新聞發布會上，與會者在投影螢幕上看到了這樣一組鏡頭：字幕：

2005年的某一天，一個由直徑只有30微米的齒輪裝配成的小小機器人，被植入血管里。這個小小機器人像潛水艇一樣在血液的河流中自由自在地遊動著。一旦遇到血管中淤積或飄浮的膽固醇、脂肪，它們就毫不留情地撲上去，迅速將其撕爛嚼碎。同兇惡的病毒相遇時，它們也毫不畏懼，挺身而出。

可是，病毒是很狡猾的，它們眼看對方來勢兇猛，往往會裝出一副縮頭縮尾的可憐相，好像已經投降；或者乾脆一下子躺下，一動不動，似乎已經成了一具殭屍。機器人善良大度，它們大踏步地從這些已經放下武器的敵人身邊走過。

但是，受到優待的病毒並沒有就此罷休，等機器人擦肩而過後，它們一躍而起，開始從背後惡狠狠地攻擊機器人，機器人不斷倒下。

您別著急，這些機器人體內有糾錯程式。它們中的許多機器人在吃了一次虧之後，只要不是光榮犧牲，它們便能自動調整行為方式。於是，機器人不再老實可欺。它們見到病毒後，不管它們如何偽裝，非要殺它個片甲不留。

病毒也隨機應變，當它們同機器人相遇時，便拚命膨脹軀體，虛張聲勢，竭力裝出一副凶神惡煞的模樣。可是，大腦內藏有“超級勇敢”程式的機器人，英勇善戰，視死如歸，決心以自己的生命來捍衛主人的健康。於是機器人同病毒進行了激烈的大搏殺。最後，病毒被不斷殲滅。病毒的碎塊不斷滲透出血管，流入腎臟，通過尿液排除體外。於是動脈暢通無阻，人體更加健康。

上述有關超微技術的劇情，是根據科學家的構想編造出來的，但這並不是無法實現的夢想，隨著微機電技術的發展，幻想正一步步走向現實。

1988年5月27日，美國加利弗尼亞大學的兩位華裔研製出了只有76微米（3‰英寸）的微馬達。

1991年11月，日本電子公司的科研人員在當時最先進的“電子隧道掃描顯微鏡”下，用“超微針尖”，將矽原子排成金字塔形的“凹稜錐體”，它只有36個原子那樣高，這是人類首次用手工排列原子，在世界原子物理界引起轟動。

1996年7月，美國哈佛大學研製成功了直徑只有7微米的渦輪機。一張郵票上可以放置幾千個這種渦輪機。只有在超高倍顯微鏡下才能看清楚它的外形和結構。我國也已研製出了1毫米電機。

超微技術現在與老百姓關係還不密切，這主要是因為它們還不實用。對此，美國史丹福大學的現代超微物理學專家班傑明·金博士作了這樣的描述：“未來人們將研製出高度智慧型化的人造跳蚤、蜘蛛等動物。它們集超微型電腦、驅動器、傳動裝置、感測器、電源等於一體，成為人類十分獨特、而且非常得力的助手。它們將廣泛套用於醫療、農業、工業、航天、軍事等各個領域。除了人們津津樂道的注入血管清除毒物的功能外，在外科手術上還可用微馬達來縫合神經、微血管、眼球等；還可用它來深入人體內臟，如腎、心臟等作檢查。將成千上萬個“跳蚤”機器人搬入農田，消滅害蟲，使農業豐收，又防止了因使用農藥造成的環境污染……。”

智慧型輪椅

隨著社會的發展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運用現代高新技術來改善他們的生活質量和生活自由度。因為各種交通事故、天災人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動手能力等）。因此，對用於幫助殘障人行走的機器人輪椅的研究已逐漸成為熱點，如西班牙、義大利等國，中國科學院自動化研究所也成功研製了一種具有視覺和口令導航功能並能與人進行語音互動的機器人輪椅。

智慧型輪椅

機器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動態隨機避障、多感測器信息融合、實時自適應導航控制等功能。

機器人輪椅關鍵技術是安全導航問題，採用的基本方法是靠超音波和紅外測距，個別也採用了口令控制。超音波和紅外導航的主要不足在於可控測範圍有限，視覺導航可以克服這方面的不足。在機器人輪椅中，輪椅的使用者應是整個系統的中心和積極的組成部分。對使用者來說，機器人輪椅應具有與人互動的功能。這種互動功能可以很直觀地通過人機語音對話來實現。儘管個別現有的移動輪椅可用簡單的口令來控制，但真正具有互動功能的移動機器人和輪椅尚不多見。

爬纜索機器人

斜拉橋以其優美的外觀及良好的抗震性越來越得到橋樑設計師的青睞。自從1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉橋以來，到1993年全世界已有300餘座斜拉橋。我國自1975年在四川雲陽建成第一座斜拉橋之後，至今共建成40餘座斜拉橋。

斜拉橋的主要受力構件是纜索，但其長期暴露在大氣之中，受到風吹、日曬、雨淋和環境污染的侵蝕，其表面會受到較嚴重的破壞，這會對整座斜拉橋帶來不利的影響。因此，對纜索的有效維護是十分必要的。斜拉橋以其獨特的構型吸引著眾多的觀光者，為現代化都市增添了一道亮麗的風景線。但人們在驚嘆斜拉橋壯觀的同時，也發現美中不足的是大多數斜拉橋的纜索都是黑色，色彩的單調影響了斜拉橋的魅力。所以，近年來彩化斜拉橋成了許多橋樑專家追求的目標。

目前，彩化斜拉橋的方法有三種，即彩色繞包、全材彩化及彩色塗裝，其中彩色塗裝是最經濟且柔性較大的方法。到目前為止，國內外對斜拉橋纜索進行彩色塗裝主要採用兩種方法，一種是針對小型斜拉橋使用液壓升降平台進行纜索塗裝，另一種是利用預先裝好的塔頂的定點，用鋼絲托動吊籃搭載工作人員沿纜索進行塗裝。前一種方法的工作範圍十分有限，後一種方法是許多斜拉橋採用的普遍方法，但採用人工方法進行高空塗裝作業不僅效率低、成本高，而且危險性大，尤其是在風雨天就更加危險。為此，上海交通大學機器人研究所於1997年與上海黃浦江大橋工程建設處合作研製了一台斜拉橋纜索塗裝維護機器人樣機。

該機器人系統由兩部分組成，一部分是機器人本體，一部分是機器人小車。機器人本體可以沿各種傾斜度的纜索爬升，在高空纜索上自動完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底塗和面塗及一系列的維護工作。機器人本體上裝有CCD攝像機，可隨時監視工作情況。另一部分地面小車，用於安裝機器人本體並向機器人本體供應水、塗料，同時監控機器人的高空工作情況。

機器人具有以下功能：

沿索爬升功能

機器人可沿任意傾斜度的纜索爬升，可爬升的纜索標高為160米，纜索傾斜度0～90(，可適應的纜索直徑為90～200毫米，機器人爬升速度為8米/秒。

纜索檢測功能

機器人上裝有鋼絲繩檢測系統，可沿纜索檢測鋼絲是否有斷絲，以便及時更換纜索。

纜索清洗功能

在機器人本體上配備有各種形狀的清洗刷和特定的水基清洗液，可完成纜索去塵、脫脂和去聚乙烯表面靜電等工作。

具有一定智慧型

機器人具有良好的人機互動功能，在高空可以判斷是否到頂、風力大小等一些環境情況，並實施相應的動作。

戶外清洗機器人

隨著城市的現代化，一座座高樓拔地而起。為了美觀，也為了得到更好的採光效果，很多寫字樓和賓館都採用了玻璃幕牆，這就帶來了玻璃窗的清洗問題。其實不僅是玻璃窗，其它材料的壁面也需要定期清洗。

擦窗機器人

長期以來，高樓大廈的外牆壁清洗，都是“一桶水、一根繩、一塊板”的作業方式。洗牆工人腰間系一根繩子，悠蕩在高樓之間，不僅效率低，而且易出事故。近年來，隨著科學技術的發展，這種狀況已有所改善，目前國內外使用的主要方法有兩種：一種是靠升降平台或吊藍搭載清潔工進行玻璃窗和壁面的人工清洗；另一種是用安裝在樓頂的軌道及索吊系統將擦窗機對準窗戶自動擦洗。採用第二種方式，要求在建築物設計之初就將擦窗系統考慮進去，而且它無法適應階梯狀造型的壁面，這就限制了這種方法的使用。

改革開放以後，我國的經濟建設有了快速的發展，高層建築如雨後春筍，比比皆是。但由於建築設計配套尚不規範，國內絕大多數高層建築的清洗都採用吊藍人工完成。基於這種情況，北京航空航天大學機器人研究所發揮其技術優勢與鐵道部北京鐵路局科研所為北京西客站合作開發了一台玻璃頂棚（約3000平米）清洗機器人。

該機器人由機器人本體和地面支援機器人小車兩大部分組成。機器人本體是沿著玻璃壁面爬行並完成擦洗動作的主體，重25公斤，它可以根據實際環境情況靈活自如地行走和擦洗，而且具有很高的可靠性。地面支援小車屬於配套設備，在機器人工作時，負責為機器人供電、供氣、供水及回收污水，它與機器人之間通過管路連線。

面壁清洗機器人

目前我國從事大樓清洗機器人研究的還有哈爾濱工業大學和上海大學等，他們也都有了自己的產品。

大樓清洗機器人是以爬壁機器人為基礎開發出來的，它只是爬壁機器人的用途之一。爬壁機器人有負壓吸附和磁吸附兩種吸附方式，大樓擦窗機器人採用的是負壓吸附方式。磁吸附爬壁機器人也已在我國問世，並已在大