服務(wù)機(jī)器人正在以高速的增長(zhǎng)速度加速步入我們的日常生活。正是基于廣闊的市場(chǎng)前景，美國國家科學(xué)基金會(huì)頒布了《美國機(jī)器人技術(shù)路線圖》，其中服務(wù)機(jī)器人是其中的重點(diǎn)一章。

服務(wù)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域

服務(wù)機(jī)器人是一類用以輔助人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸睢⑿蓍e，以及幫助殘疾人與老年人的機(jī)器人系統(tǒng)。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)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(jī)器人與之不同的是，工業(yè)機(jī)器人通常工作在有人的空間或者會(huì)直接同人類協(xié)作工作，服務(wù)機(jī)器人通常從事專業(yè)服務(wù)和個(gè)人服務(wù)兩種工作。

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人主要指能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的服務(wù)型機(jī)器人，如用于物流自動(dòng)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(chǎng)規(guī)模正以30%的年增長(zhǎng)率迅速擴(kuò)大。國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)和德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)(VDMA)的數(shù)據(jù)表明，已有超過172000臺(tái)專業(yè)服務(wù)機(jī)器人用于各行各業(yè)。

物流自動(dòng)化

伴隨“即時(shí)生產(chǎn)”降低庫存的發(fā)展趨勢(shì)，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(chǔ)機(jī)器人系統(tǒng)與FedEx及UPS的自動(dòng)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(jī)器人發(fā)揮更大作用，就必須賦予機(jī)器人更高的機(jī)動(dòng)性：能夠應(yīng)對(duì)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(chǎng)景。隨著研究的進(jìn)展，高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人也正在逐步成為現(xiàn)實(shí)，它們將使整個(gè)物流系統(tǒng)變得更加快速、靈活、廉價(jià)、可控、穩(wěn)定。

不少公司已經(jīng)將目光投向物流市場(chǎng)，包括生產(chǎn)酒店運(yùn)輸機(jī)器人的Savyoke，為醫(yī)院制作運(yùn)輸機(jī)器人的Aethon和Vecna，生產(chǎn)超市倉儲(chǔ)機(jī)器人的Bossa Nova，著眼于無人機(jī)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(chǔ)機(jī)器人的Fetch等。物流機(jī)器人市場(chǎng)的指數(shù)增長(zhǎng)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(jī)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(hù)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(jī)、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(jī)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(jìn)傳感器和其他機(jī)器人技術(shù)，能夠勝任各種復(fù)雜的地下任務(wù)。這類機(jī)器人可以全天候自動(dòng)判斷故障，在與人類協(xié)同工作的同時(shí)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(zhǎng)約20%。

無人機(jī)正成為巡檢領(lǐng)域的一個(gè)有效機(jī)器人平臺(tái)。未來5年，無人機(jī)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(jī)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(hù)功能;(3)對(duì)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(jì);(6)多機(jī)協(xié)同作業(yè)與避免碰撞。

遠(yuǎn)程替身機(jī)器人

遠(yuǎn)程替身機(jī)器人是最典型的用于改善人類交流體驗(yàn)的服務(wù)機(jī)器人，是繼視頻會(huì)議之后的又一次通訊變革，讓交流協(xié)作更加高效。遠(yuǎn)程替身機(jī)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(hù)領(lǐng)域，配備有攝像頭、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人能夠讓醫(yī)生與患者『面對(duì)面』交流。目前，基本用于中風(fēng)這類需要及時(shí)診斷的疾病。未來，遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人將還能用于術(shù)后護(hù)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(hù)。這類機(jī)器人能夠顯著降低醫(yī)護(hù)成本，為更多人提供良好的醫(yī)療技術(shù)服務(wù)。

娛樂

機(jī)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(jī)器人等。2016年風(fēng)靡全球的《Pokemon Go》是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)在商業(yè)領(lǐng)域的首次成功應(yīng)用。作為機(jī)器人交互的重要技術(shù)，AR進(jìn)入游戲行業(yè)將促使其發(fā)展進(jìn)一步加速。

個(gè)人服務(wù)機(jī)器人

個(gè)人服務(wù)機(jī)器人主要是指提供日常生活服務(wù)的機(jī)器人，或?yàn)闅堈先耸刻峁椭臋C(jī)器人。例如，掃地機(jī)器人和草坪修剪機(jī)器人等家用機(jī)器人，及娛樂休閑機(jī)器人，如玩具機(jī)器人、娛樂無人機(jī)、教育平臺(tái)。

未來5-10年，得益于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與制造成本的降低，個(gè)人服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)還將進(jìn)一步拓寬。

交通運(yùn)輸

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟完善，原本用于專業(yè)環(huán)境的無人運(yùn)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(gè)人交通工具，完全自主駕駛的機(jī)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(dòng)巡航技術(shù)，Uber也開始嘗試用自動(dòng)駕駛汽車接受出租訂單，美國國家公路和運(yùn)輸安全管理局(NHTSA)還發(fā)布了促進(jìn)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(jī)、自動(dòng)收費(fèi)等裝置解決交通問題。一個(gè)被稱為“車輛基礎(chǔ)設(shè)施集成(VII)”的公私合營國家計(jì)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(jī)器人主要市場(chǎng)及驅(qū)動(dòng)來源

老齡化人口從兩個(gè)方面影響了服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。其一是勞動(dòng)力市場(chǎng)的縮水，另外一個(gè)因素則是提供滿足健康護(hù)理需要的解決方案的機(jī)遇。美國正處于未來20年發(fā)展趨勢(shì)的入口：退休工人數(shù)量占當(dāng)前勞動(dòng)力數(shù)量的百分比將近翻倍，即從當(dāng)前的每10個(gè)工人中有2個(gè)退休的狀態(tài)演變?yōu)?030年的每10個(gè)工人中有4個(gè)退休的狀態(tài)。在日本，這種情況則更加糟糕，快速增長(zhǎng)的老齡化人口是日本提出發(fā)展機(jī)器人技術(shù)作為國家政策的主要誘因。

當(dāng)提高生產(chǎn)率和降低成本成為服務(wù)機(jī)器人的共同特征時(shí)，針對(duì)市場(chǎng)特定問題或需求，人們希望每個(gè)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)能提供獨(dú)一無二的、有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。比如，在使用機(jī)器人技術(shù)組裝汽車的工廠中，一個(gè)關(guān)鍵和主要的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人技術(shù)用于提供遙操作解決方案，比如依賴感覺的達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)的代表。機(jī)器人技術(shù)擁有巨大潛力，用以控制成本，增強(qiáng)健康人員的護(hù)理能力，延長(zhǎng)老年人的壽命。

能源與環(huán)境

這兩個(gè)緊密相連的問題對(duì)于國家的未來和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的成熟度是非常關(guān)鍵的，尤其在自動(dòng)獲取能源和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面非常關(guān)鍵。

生產(chǎn)與物流

機(jī)器人技術(shù)在促進(jìn)生產(chǎn)和貨物移動(dòng)自動(dòng)化方面擁有巨大潛力，特別是機(jī)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(yùn)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(shí)間，但機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)以高級(jí)駕駛輔助和避碰系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。公共輸運(yùn)系統(tǒng)是另外一個(gè)有望獲得更高自動(dòng)化程度的領(lǐng)域。隨著機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和成熟，用于小范圍場(chǎng)景，如機(jī)場(chǎng)的無人運(yùn)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(chǎng)合。

國土安全和基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)

機(jī)器人技術(shù)提供了巨大的潛能，用以邊境保護(hù)、搜索和援救、港口檢測(cè)和安保及相關(guān)領(lǐng)域。此外，機(jī)器人技術(shù)有望大量用于自動(dòng)化檢測(cè)、保養(yǎng)并維護(hù)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(gè)領(lǐng)域比其他任何領(lǐng)域更多地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的轉(zhuǎn)化，尤其是機(jī)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(jī)，同時(shí)成為名副其實(shí)的“4R”教育。FIRST的巨大成功印證了這一點(diǎn)。機(jī)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(shí)，包括工程和系統(tǒng)集成原理，用以生產(chǎn)智能機(jī)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(shí)現(xiàn)，那么就需要大量的投資用于擴(kuò)展和開發(fā)機(jī)器人技術(shù)。正如上面提到的，距離實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人技術(shù)，即無需人類給予指令或干涉的自動(dòng)運(yùn)行機(jī)器人技術(shù)，仍有很長(zhǎng)的一段路。與會(huì)學(xué)者達(dá)成了一致的意見，即機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步使得開發(fā)和市場(chǎng)化機(jī)器人的初級(jí)產(chǎn)品和應(yīng)用成為了可能，并且能夠顯著“增強(qiáng)人類機(jī)能”。

這些解決方案將能夠根據(jù)下列功能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整：以確定的方式監(jiān)督動(dòng)態(tài)物理環(huán)境、目標(biāo)識(shí)別、探測(cè)變化、感知環(huán)境狀態(tài)、分析和推薦根據(jù)檢測(cè)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(dòng)而不被操作員干預(yù)地執(zhí)行行動(dòng)。

這類機(jī)器人解決方案的例子包括遙操作系統(tǒng)。如達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)以及自主的專業(yè)機(jī)器人，比如Roomba。隨著互聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展，自然而然會(huì)從遠(yuǎn)距離傳感發(fā)展到遠(yuǎn)距離操作。互聯(lián)網(wǎng)這種向物理世界的擴(kuò)展將有助于進(jìn)一步模糊通信、計(jì)算和服務(wù)之間的界限，激發(fā)遠(yuǎn)距離通信和遙控參與的應(yīng)用。更符合實(shí)際的解決方案將出現(xiàn)，其具備分布認(rèn)知能力并能夠有效利用人類智能。這類解決方案將與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)自主感知位置的同時(shí)，允許操作員從遠(yuǎn)距離根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(dòng)力短缺。當(dāng)工人們尋求向職業(yè)更高層級(jí)邁進(jìn)的時(shí)候，需要增加底層工作的自動(dòng)化程度，而做底層工作的工人會(huì)慢慢變少甚至消失。長(zhǎng)期范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化解決方案的挑戰(zhàn)會(huì)繼續(xù)因?yàn)榧夹g(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(shí)別正確的價(jià)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(duì)解決方案進(jìn)行最佳整合，以及如何將科技轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品。

科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)

移動(dòng)能力

移動(dòng)能力是機(jī)器人研究中的一個(gè)成功范例。這種成功在許多現(xiàn)實(shí)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(jī)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(huì)學(xué)者一致認(rèn)為還有大量重要的問題仍舊懸而未決。在移動(dòng)領(lǐng)域找到這些問題的答案將對(duì)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主控制和多用途相當(dāng)重要。

三維導(dǎo)航是移動(dòng)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(dāng)機(jī)器人應(yīng)用的復(fù)雜性增加，且每天都有新的機(jī)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(duì)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(dāng)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(jī)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(dāng)涉及抓取和環(huán)境表示的服務(wù)執(zhí)行移動(dòng)功能時(shí)，環(huán)境表示也應(yīng)當(dāng)包括對(duì)象情景支持(即機(jī)器人能用某個(gè)物體干什么的信息)。實(shí)現(xiàn)語義三維導(dǎo)航將需要傳感、感知、地圖匹配、定位、對(duì)象識(shí)別、情景支持識(shí)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(jī)器人依賴高精度的、基于激光測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)一步開發(fā)“視覺SLAM”(VSLAM)領(lǐng)域。這種技術(shù)依賴于相機(jī)(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(jià)格承受得起的三維導(dǎo)航功能方面發(fā)揮重要作用。

對(duì)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(shí)是，當(dāng)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(shí)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(shí)，如何在人群中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航也是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。

操作

幾乎所有的服務(wù)機(jī)器人都需要在操作性能上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。這些應(yīng)用需要機(jī)器人與環(huán)境進(jìn)行物理交互，包括開門、拾取物體、操作機(jī)器和設(shè)備等。目前，自主操作系統(tǒng)在精確工程化和高度受控環(huán)境中發(fā)揮良好，比如工廠組裝單元，但對(duì)于開放、動(dòng)態(tài)和未建模環(huán)境中的變化和不確定性卻顯得力不從心。所以，來自三個(gè)前沿討論組的與會(huì)學(xué)者認(rèn)為，“自主操作”是其關(guān)鍵領(lǐng)域。雖然沒有確定具體的研究進(jìn)展方向，但學(xué)者們的討論揭示，大多數(shù)已有操作算法的基本假設(shè)不能在實(shí)際應(yīng)用中得到滿足。無論是否可能，適合開放、動(dòng)態(tài)，以及未結(jié)構(gòu)化應(yīng)用場(chǎng)合的抓取和操作，應(yīng)該利用先驗(yàn)知識(shí)和環(huán)境模型。而在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情況下，不應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。作為推論，當(dāng)環(huán)境模型不存在的時(shí)候，真正的自主操作將依賴于機(jī)器人獲取足夠的、與任務(wù)相關(guān)環(huán)境模型的能力。與大多數(shù)強(qiáng)調(diào)規(guī)劃和控制的現(xiàn)存方法比較而言，這意味著感知將成為自主操作研究日程表中的一個(gè)重要的研究問題。

“拾取和放置”操作可以提供足夠的功能基礎(chǔ)，用于許多目的明確的應(yīng)用操作要求。因此，增加復(fù)雜性和通用性的拾取和放置操作能夠?yàn)樽灾鞑僮鞯难芯抗ぷ魈峁┞肪€和基準(zhǔn)。

規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃領(lǐng)域的研究在過去十年中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中的算法和技術(shù)影響了很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，魯棒性、動(dòng)態(tài)三維路徑規(guī)劃仍舊是尚未解決的問題。涉及該問題的一個(gè)重要因素是機(jī)器人位置感知的概念(即機(jī)器人能采用“適當(dāng)?shù)摹眰鞲信c建模方法進(jìn)行自主整合、交叉，以及集成行為規(guī)劃)。“適當(dāng)”是指完整和準(zhǔn)確的環(huán)境模型不能由機(jī)器人實(shí)時(shí)獲取。相反，作出關(guān)于對(duì)象、環(huán)境、感知和機(jī)器人電機(jī)行為的推理是非常有必要的。這就會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃之間的界限逐漸模糊。要規(guī)劃一個(gè)運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃者需要協(xié)調(diào)傳感和任務(wù)施加約束的運(yùn)動(dòng)。要魯棒、可靠地實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，規(guī)劃需要考慮任務(wù)環(huán)境的支持。這意味著，規(guī)劃者需要考慮環(huán)境及環(huán)境當(dāng)中對(duì)象之間的交互，將其作為規(guī)劃過程的一部分。

比如，要拾起一個(gè)物體，可能有必要打開一扇門，進(jìn)入一個(gè)不同的房間，推開椅子到達(dá)櫥柜，打開櫥柜門，推開障礙物。在這種新的規(guī)劃范式內(nèi)，任務(wù)以及任務(wù)與環(huán)境所形成的約束是關(guān)鍵所在;“運(yùn)動(dòng)規(guī)劃”之中的“運(yùn)動(dòng)”是到達(dá)終點(diǎn)的一種方式。規(guī)劃過程中考慮的約束來自于目標(biāo)抓取、運(yùn)動(dòng)(比如腳步邁動(dòng)規(guī)劃)、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、姿勢(shì)約束，以及避障，在這些約束下的規(guī)劃需要機(jī)器人系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)很容易由傳感器的反饋導(dǎo)致約束條件的增加。最明顯的例子就是接觸約束和避障。因此，反饋規(guī)劃和控制與規(guī)劃的集成是滿足與會(huì)學(xué)者提出的規(guī)劃需求的重要研究?jī)?nèi)容。反饋規(guī)劃器生成一種策略，直接將狀態(tài)映射到行為，而不是生成特定路徑或軌跡。這就保證了傳感器、執(zhí)行器和模型的不確定可以通過傳感器的反饋得到解決。

在這種情況下，規(guī)劃復(fù)雜性的增加要求多種新方法用于準(zhǔn)確理解任務(wù)。在傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中，起始和終止兩個(gè)配置狀態(tài)就能對(duì)任務(wù)進(jìn)行完全的描述，而現(xiàn)在需要進(jìn)行的規(guī)劃，則需要面對(duì)更加豐富的任務(wù)形式、操作任務(wù)，以及豐富的環(huán)境交互。

傳感和感知

對(duì)于機(jī)器人的幾乎所有方面來說，傳感和感知都具有相當(dāng)?shù)闹匾裕ㄒ苿?dòng)、操作、和人機(jī)交互。傳感和感知方面的創(chuàng)新將根本地影響機(jī)器人學(xué)發(fā)展的速度。

新的傳感器，包括比當(dāng)前傳感器更先進(jìn)、更高分辨率，以及低成本的版本，將成為發(fā)展更快的領(lǐng)域。舉例來說，在抓取、移動(dòng)以及稠密三維數(shù)據(jù)傳感，包括激光雷達(dá)和顏色深度傳感器傳感等方面會(huì)有更大的進(jìn)展。大范圍環(huán)境場(chǎng)信息的魯棒性和準(zhǔn)確性對(duì)于機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展十分關(guān)鍵。靈巧抓取的進(jìn)展可能在機(jī)械手用的類皮膚觸覺傳感器和更專業(yè)化的用于短程探測(cè)的深度和外觀傳感器等領(lǐng)域取得。其他類型的傳感器，如聲學(xué)傳感器和促進(jìn)安全的傳感器。這些傳感器具有多種形式，比如距離傳感器和溫度傳感器檢測(cè)人體的存在;也有傳感器作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分，如力矩傳感器，同時(shí)也能夠探測(cè)機(jī)器人和環(huán)境之間難以預(yù)計(jì)的接觸，布置于整個(gè)機(jī)器人的類皮膚傳感器也屬于此類。

傳感器的數(shù)據(jù)需要采用近乎實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行處理和分析，由于復(fù)雜和高度動(dòng)態(tài)變化的外在環(huán)境受多種因素影響(包括晝夜的差別、霧、霾、刺眼的陽光等)，需要提供能長(zhǎng)期自適應(yīng)感知的方法。高層次物體建模、探測(cè)和識(shí)別、改進(jìn)的場(chǎng)景理解，以及改進(jìn)的探測(cè)人類行為和意圖，需要使用多模式信息，如聲音、三維距離數(shù)據(jù)、RGB圖像和觸覺數(shù)據(jù)的集成算法。同時(shí)，他們認(rèn)為任務(wù)定制的算法(即整合規(guī)劃算法與考慮動(dòng)力學(xué)物理約束的算法)是最為迫切需要的。舉例來說，關(guān)聯(lián)識(shí)別的新算法對(duì)于在有人環(huán)境執(zhí)行復(fù)雜抓取任務(wù)非常重要，在機(jī)器人感知算法中創(chuàng)造位置感知的環(huán)境模型也相當(dāng)重要。

體系結(jié)構(gòu)、認(rèn)知能力

關(guān)于移動(dòng)、操作、規(guī)劃和感知等主題的討論揭示了這些問題不能被單獨(dú)解決，而必須考慮到他們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。一個(gè)系統(tǒng)如何工程化，有效地整合來自不同領(lǐng)域的特定技巧，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、與任務(wù)關(guān)聯(lián)，甚至是智能的行為，仍舊是機(jī)器人領(lǐng)域非常重要的開放性問題。在體系、認(rèn)知和編程范式的名義下，以方法論甚至哲學(xué)觀點(diǎn)的多樣性，開展面向上述目標(biāo)的研究，反映出了機(jī)器人研究群體對(duì)于如何處理這些挑戰(zhàn)，缺乏足夠的理解。觀點(diǎn)的多樣性也反映出當(dāng)前解決這些問題工具的多樣性，比如模仿學(xué)習(xí)，以及所謂的“認(rèn)知體系顯式編程”。要實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果，可能需要將這些方面的知識(shí)與技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

面向解決生成魯棒自主行為的首要問題的經(jīng)典方法之一，是傳感/計(jì)劃/行為環(huán)，通常由現(xiàn)代控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在過去幾十年中，當(dāng)傳感/計(jì)劃/行為環(huán)成為機(jī)器人研究的常用方法時(shí)，一些與會(huì)學(xué)者認(rèn)為，一些新方法將從上述最簡(jiǎn)單的方法中誕生。可能的替代方法是多層嵌入或分層循環(huán)結(jié)構(gòu)與行為基本方法，多種方法的組合有可能成為全新的方法。

人-機(jī)交互(HRI)

如果要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人和靈巧機(jī)器人在有人環(huán)境與人共存和協(xié)作，那么就需要人機(jī)交互領(lǐng)域取得重要的進(jìn)展。這些人機(jī)交互也將成為方法論的重要部分，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行為的魯棒性。機(jī)器人可以通過與人類的交互來學(xué)習(xí)新技能，但不論在何種條件下，機(jī)器人都應(yīng)該知道與人通信的特性和要求。

除了通信模式(語言的、非語言的、手勢(shì)及面部表情等)，還有一系列問題，包括社交關(guān)系、表情(識(shí)別、表示、社交表情識(shí)別與建模)、肯定及信任。對(duì)人機(jī)通信多方面的理解應(yīng)該導(dǎo)致人與機(jī)器人之間交互的自動(dòng)建構(gòu)，機(jī)器人系統(tǒng)能夠依據(jù)任務(wù)與人類管理者之間交互的改變，而對(duì)自己的行動(dòng)作出調(diào)整。

朝向這些目標(biāo)的進(jìn)步依賴于有效的輸入設(shè)備和直觀的用戶界面。開發(fā)多種平臺(tái)用于研究HRI，包括仿人機(jī)器人、移動(dòng)操作平臺(tái)、外骨骼，以及運(yùn)載器。研究人員確定了一種設(shè)計(jì)/建造/部署循環(huán)。其中，設(shè)計(jì)過程應(yīng)該考慮來自相關(guān)群體的輸入，包括基本研究群體和終端用戶。建造過程應(yīng)該整合大量研究線索，使其成為一個(gè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)中存在著工業(yè)合作和技術(shù)轉(zhuǎn)移的機(jī)會(huì)。最后，整合的系統(tǒng)將部署在真實(shí)的環(huán)境中。與會(huì)學(xué)者提出了機(jī)器人城市的概念(見下一子節(jié))，將其作為一種前瞻性的方法，在現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中評(píng)估HRI。這一循環(huán)通過整合終端用戶反饋和下一設(shè)計(jì)/建造/部署循環(huán)的迭代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)成閉環(huán)。

研究架構(gòu)

面向確定科學(xué)目標(biāo)的快速進(jìn)展將嚴(yán)重依賴于研究基礎(chǔ)設(shè)施的普及程度(包括硬件和軟件)。要解決上述研究挑戰(zhàn)，有必要構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)，組合多種高級(jí)且具有交互性的機(jī)械構(gòu)件，提供足夠的移動(dòng)、操作及傳感的能力。這些平臺(tái)將通過許多獨(dú)立開發(fā)的，但相互關(guān)聯(lián)的操作及軟件進(jìn)行控制。最終，這些集成機(jī)器人平臺(tái)一定會(huì)超過一般獨(dú)立研究群體那種容易設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試和維護(hù)的復(fù)雜度。缺少軟硬件平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化也可能會(huì)導(dǎo)致一些研究成果的碎片化，影響評(píng)估的有效性，以及發(fā)表成果的難度，以及不必要的工程與集成工作的重復(fù)。

要克服這些挑戰(zhàn)，必須協(xié)調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的研究工作，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)開發(fā)。這些工作應(yīng)該包括開發(fā)一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面使該平臺(tái)能夠以低成本支持廣泛的研究項(xiàng)目，另一方面可以保證研究群體之間技術(shù)和軟件的重復(fù)使用。例如ROS，一個(gè)由WillowGarage開發(fā)的機(jī)器人操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)能保證代碼的重復(fù)使用，并提供普通操作系統(tǒng)能提供的服務(wù)，比如底層設(shè)備控制、通用功能的共用、任務(wù)之間的消息傳遞等。在理想情況下，這種平臺(tái)可以通過物理模擬軟件的方式支持算法的早期開發(fā)和測(cè)試，而不用在研究人員的安全與硬件系統(tǒng)之間進(jìn)行折中。開發(fā)工作也能從機(jī)器人整合開發(fā)環(huán)境(IDEs)中獲益;這些IDEs增強(qiáng)了軟件開發(fā)的模態(tài)，因而有助于代碼復(fù)用和文檔工作。

另外，機(jī)器人研究幾乎沒有做過非常徹底的評(píng)估，也沒有通過任何定義明確的、可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試。在其他領(lǐng)域，比如機(jī)器視覺，由于有公共數(shù)據(jù)庫，有助于給出在多種算法和系統(tǒng)之間相對(duì)客觀的比較。因此與會(huì)學(xué)者建議，要建立并擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，將其作為本領(lǐng)域的基準(zhǔn)。然而，由于機(jī)器人研究集中于機(jī)器人和環(huán)境之間的物理交互，電子數(shù)據(jù)集不足，應(yīng)該通過由物理實(shí)體構(gòu)成的特定技巧標(biāo)準(zhǔn)以獲得補(bǔ)充，比如一些現(xiàn)成的實(shí)體可以作為抓取研究的基準(zhǔn)。進(jìn)一步來說，整個(gè)基準(zhǔn)環(huán)境應(yīng)該對(duì)開發(fā)、評(píng)估、以及與特定應(yīng)用和實(shí)施進(jìn)行比較。這樣的環(huán)境應(yīng)該涵蓋大尺度和復(fù)雜性，從簡(jiǎn)單的工作臺(tái)(辦公桌或者吧臺(tái))到整個(gè)房間、一棟房屋，以至整個(gè)街區(qū)。討論中提出了機(jī)器人城市的概念：一個(gè)常規(guī)的市區(qū)環(huán)境，所有居民都是實(shí)驗(yàn)的一部分，同時(shí)他們也能夠輔助評(píng)估過程，涵蓋有關(guān)居民日常應(yīng)用環(huán)境足夠需求的定義。

機(jī)械硬件

安全是機(jī)器人工作在有人環(huán)境中的一個(gè)關(guān)鍵因素。本質(zhì)上講，安全的機(jī)器人使人機(jī)交互可以順利開展，同時(shí)增加機(jī)器人技術(shù)在日常生活中的接受程度。因此，具有更高力量重力比，本質(zhì)更安全的電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)將代表一種重要的科技創(chuàng)新。對(duì)于這類機(jī)構(gòu)，柔性將是一種令人期待的屬性。柔性是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有這樣的一種能力，其能夠根據(jù)接觸外界環(huán)境時(shí)反作用力的大小調(diào)整自身行為。這些反作用力由于任務(wù)不同而發(fā)生變化。這種機(jī)構(gòu)保證了安全操作，尤其是在與人交互時(shí)的安全性。同時(shí)還能保證與外界接觸時(shí)的柔性、魯棒性，以及行動(dòng)的有效性。進(jìn)一步來說，能量效率對(duì)于許多應(yīng)用而言是關(guān)鍵考慮因素之一。戶外環(huán)境經(jīng)常展現(xiàn)高度變化的地形屬性，而戶外可能包括樓梯、梯子、坡道、自動(dòng)扶梯或電梯。

高度靈巧的和便于控制的機(jī)械手是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。機(jī)械抓取和操作的進(jìn)展與新型手機(jī)構(gòu)的開發(fā)密切相關(guān)。與此同時(shí)，與會(huì)學(xué)者感覺當(dāng)前機(jī)械手的潛能并未通過現(xiàn)存的抓取和操作算法得到充分挖掘。因此，可以想象，許多令人感興趣的和相關(guān)的應(yīng)用可以通過現(xiàn)有的抓取和操作硬件解決。

發(fā)展路線圖

機(jī)器人技術(shù)的商業(yè)化與經(jīng)濟(jì)效益不僅受限于技術(shù)發(fā)展，與法律政策、人才培訓(xùn)等也息息相關(guān)。服務(wù)機(jī)器人的未來發(fā)展路線：

5年：機(jī)器人能夠在人類的指導(dǎo)下，通過探索建立其周圍環(huán)境的語義地圖;能夠在不確定的二維環(huán)境內(nèi)自主運(yùn)動(dòng)，并完成簡(jiǎn)單的抓取放置任務(wù);能夠處理在固定數(shù)據(jù)集中或者具有特定特征的物體;能夠完成中等復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃，如移開障礙物，打開櫥柜等。

例如：將更多的倉儲(chǔ)物流機(jī)器人應(yīng)用于庫存管理與物料運(yùn)輸;在交通標(biāo)志清楚的城鎮(zhèn)中，自動(dòng)駕駛汽車的駕駛性能能夠與人類駕駛員相當(dāng)，甚至在某些特定任務(wù)中超過人類駕駛員，如工業(yè)采礦、建筑施工、側(cè)方停車、緊急制動(dòng)等。

10年：機(jī)器人可以利用數(shù)據(jù)庫中近似或不完整的環(huán)境模型，計(jì)算出可靠的方法執(zhí)行特定運(yùn)動(dòng)與操作任務(wù);能夠通過感知、交互和人類指示深入理解周圍環(huán)境;能夠?qū)崿F(xiàn)多層樓房的導(dǎo)航任務(wù);能夠通過改變環(huán)境(移動(dòng)障礙物、開燈等)來完成特定任務(wù)，并有一定的故障檢測(cè)與恢復(fù)能力。

例如：將無人機(jī)、無人車和足式機(jī)器人等用于商業(yè)快遞;自主駕駛汽車能夠在任何城市環(huán)境和部分越野環(huán)境中達(dá)到與人類駕駛員相當(dāng)?shù)募寄?無人車可以應(yīng)對(duì)某些不可預(yù)測(cè)的突發(fā)事故，能夠拖曳其他故障車輛，能夠在傳感器故障的情況下自動(dòng)駕駛到安全區(qū)域。

15年：各種服務(wù)機(jī)器人能夠在全新的、非結(jié)構(gòu)化、動(dòng)態(tài)環(huán)境中快速、無碰撞地執(zhí)行移動(dòng)操作任務(wù);能夠感知環(huán)境信息，構(gòu)建深度理解，完成指定任務(wù);可以穩(wěn)健地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化;可與環(huán)境相互作用，并以智能方式改變環(huán)境。

例如：全面增加機(jī)器人在各個(gè)物流階段的使用，包括自主卡車、無人機(jī)、小型快遞機(jī)器人、倉庫搬運(yùn)機(jī)器人等;自主汽車能夠在任何環(huán)境中媲美人類駕駛，比駕齡低于一年的人類駕駛員更加安全可靠;無人車將能通過自主學(xué)習(xí)應(yīng)對(duì)未知環(huán)境，如極端天氣、傳感器失效等。

審核編輯：黃飛

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