深度解讀美國服務(wù)機(jī)器人技術(shù)路線圖

　　服務(wù)機(jī)器人正在以高速的增長速度加速步入我們的日常生活。根據(jù)IFR的最新統(tǒng)計(jì)，未來三年內(nèi)，服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到目前的5倍。正是基于廣闊的市場前景，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)器人作為單獨(dú)的一章重點(diǎn)論述。知己知彼，了解美國服務(wù)機(jī)器人發(fā)展動(dòng)向，可更好地幫助我們與時(shí)俱進(jìn)。

　　上期，我們刊發(fā)了《美國服務(wù)機(jī)器人技術(shù)路線圖（上）》，從美國服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、戰(zhàn)略布局、面臨的挑戰(zhàn)等方面，詳細(xì)梳理了服務(wù)機(jī)器人在美國以及全球發(fā)展的路徑。本期我們進(jìn)一步深入，具體從應(yīng)用場合、技術(shù)發(fā)展方向等層面，闡述下一階段美國的策略，相信讀完此文，你會(huì)對美國在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的規(guī)劃，形成全方位的認(rèn)識。

　　主要的挑戰(zhàn)與能力

　　范例場景

　　● 生活品質(zhì)

　　機(jī)器人技術(shù)，希望給老年人和殘疾人的生活質(zhì)量帶來巨大的提升。比如，一種革命性的輸運(yùn)移動(dòng)解決方案能夠讓使用輪椅的殘疾人士獨(dú)立的進(jìn)出車輛 。這種系統(tǒng)使依賴于輪椅的人，可以使用普通客車而不需要他人的幫助，因而賦予了他們以前不具備的獨(dú)立和自由度。這種系統(tǒng)提供了超過現(xiàn)有輸運(yùn)移動(dòng)解決方案的顯著優(yōu)點(diǎn)，包括更低的成本，使用標(biāo)準(zhǔn)碰撞檢測過的汽車座椅，更多的座駕選擇，以及無需對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝。

　　● 農(nóng)業(yè)

　　在農(nóng)業(yè)中，機(jī)器人技術(shù)也希望能夠由大量的應(yīng)用，幫助農(nóng)民降低成本、提高生產(chǎn)率。機(jī)械收割機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械需要專業(yè)駕駛員進(jìn)行有效工作，同時(shí)，諸如勞動(dòng)力成本和操作疲勞等因素增加了農(nóng)業(yè)成本，限制了這些機(jī)器的生產(chǎn)率。自動(dòng)化操作，如噴灑農(nóng)藥、收割和采摘等，為縮減成本、增加安全、增大產(chǎn)出、增加操作柔性、夜間作業(yè)、減少化學(xué)品的使用等，提供了可能。大量的原型系統(tǒng)及應(yīng)用，包括自動(dòng)水果農(nóng)藥噴灑作業(yè)，農(nóng)業(yè)收割已經(jīng)被開發(fā)出來。這些技術(shù)，已經(jīng)成熟到了未來幾年之內(nèi)就可以進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)及使用的程度。

　　● 基礎(chǔ)設(shè)施

　　機(jī)器人技術(shù)擁有巨大的潛力，可用于自動(dòng)化檢測和保養(yǎng)整個(gè)國家的橋梁、高速公路、管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前，通過提供準(zhǔn)確詳細(xì)的管道狀態(tài)信息，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)用于開發(fā)自動(dòng)管道檢測系統(tǒng)，減少維護(hù)和復(fù)原成本?；诟呒壎鄠鞲衅骱推渌麢C(jī)器人技術(shù)的系統(tǒng)，用于檢測地下建筑和環(huán)境。實(shí)現(xiàn)這些檢測通常非常困難，包括大直徑管道、長距離延展、倒置、冠狀、涵洞、檢查井以及在役檢驗(yàn)。這些機(jī)器人平臺通過廢水管道，檢測難以通過傳統(tǒng)方式接近的排污管，生成非常準(zhǔn)確的管道內(nèi)表面三維圖像。檢測信息以數(shù)字形式捕捉，同時(shí)用于未來的檢測，并自動(dòng)計(jì)算缺陷部位隨時(shí)間演化的過程。

　　● 礦業(yè)

　　機(jī)器人技術(shù)已開始對地下和地表礦產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。一種創(chuàng)新的傳送帶檢測系統(tǒng)使用高速機(jī)器視覺系統(tǒng)和軟件算法監(jiān)控傳送帶的狀況，為操作員提供故障檢測。這種檢測系統(tǒng)，已經(jīng)使用在幾個(gè)地下煤礦中。專用保護(hù)系統(tǒng)用以減少由于皮帶連接處碎裂，導(dǎo)致耗費(fèi)巨大的停工期。在更大的尺度上，機(jī)器人技術(shù)被用于開發(fā)礦山用自主運(yùn)輸卡車。Caterpillar公司在2015年前開發(fā)一種自主礦山用運(yùn)輸系統(tǒng)，整合了數(shù)臺自主運(yùn)輸卡車，每臺卡車運(yùn)載能力在240噸以上。自主技術(shù)通過對生產(chǎn)過程提供一致性來促進(jìn)與提高生產(chǎn)率，同時(shí)將環(huán)境影響降到最小，最終提高效率，提升整體礦業(yè)的安全。

　　● 運(yùn)輸

　　機(jī)器人技術(shù)將在未來幾十年之內(nèi)顯著影響客運(yùn)和貨運(yùn)的各個(gè)方面，從個(gè)人運(yùn)輸系統(tǒng)到智能高速公路，再到智能公共輸運(yùn)系統(tǒng)。類似 Segway和Toyota這樣的公司已經(jīng)引入個(gè)人輸運(yùn)系統(tǒng)機(jī)器人，乘員以站姿騎乘這類機(jī)器人，持續(xù)監(jiān)測乘員位置的內(nèi)部傳感器控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并作出自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)，汽車制造商和設(shè)備生產(chǎn)商也制造智能車輛，通過安裝性能更高的計(jì)算機(jī)和傳感器，為乘員提供更好的環(huán)境感知和駕駛感受。

　　內(nèi)華達(dá)州和佛羅里達(dá)州已經(jīng)通過法律，允許了無人車輛的使用。在內(nèi)華達(dá)州，兩輛車被授予駕照（一輛來自谷歌公司，一輛來自奧迪公司）。行駛的道路只增加5%的容量，就能夠?qū)е?7億駕駛小時(shí)延誤，以及23億加侖燃料的浪費(fèi)。

　　為了解決這個(gè)問題，高速公路管理局嘗試通過安裝傳感器、攝像頭和自動(dòng)收費(fèi)讀卡器，嘗試創(chuàng)造智能道路。一個(gè)公私聯(lián)合的國內(nèi)組織，車輛技術(shù)車設(shè)施一體化組織（VII），已經(jīng)開始融合智能車輛和智能道路，用以創(chuàng)建虛擬交通信息網(wǎng)，同時(shí)解決交通堵塞問題。大眾運(yùn)輸系統(tǒng)也希望采用機(jī)器人技術(shù)，為操作者提供更大的位置，感知能力和在擁擠的城市廊道中提供導(dǎo)航輔助的能力。因而，機(jī)器人技術(shù)將有助于控制運(yùn)輸成本、增加運(yùn)輸安全。

　　● 教育

　　機(jī)器人已經(jīng)開始改變美國的課堂。機(jī)器人把學(xué)術(shù)的概念植入課堂中，同時(shí)在所有K-12和大學(xué)教育中使用。機(jī)器人提供給學(xué)生可以接受的集成手段，調(diào)查數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)和其他STEM學(xué)科的基本概念，同時(shí)使教師能夠同時(shí)介紹設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、問題解決和團(tuán)隊(duì)的概念。機(jī)器人課程已經(jīng)發(fā)展起來，教師也已經(jīng)通過培訓(xùn)。每年，全國范圍的機(jī)器人比賽成績都會(huì)被保存。大概最知名的機(jī)器人競賽項(xiàng)目就是由FIRST創(chuàng)辦的了，它建于1989年的非盈利組織，用于激發(fā)年輕人成為科學(xué)和技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)。作為一種衡量機(jī)器人比賽普及程度的指標(biāo)，F(xiàn)IRST希望能有超過32萬名學(xué)生參加這一競賽。更為顯著的是， Brandeis大學(xué)的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在類似的背景和學(xué)術(shù)經(jīng)歷的情況下，F(xiàn)IRST比賽的選手追求科學(xué)和技術(shù)的比例，是非FIRST比賽選手的兩倍。盡管已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但當(dāng)前的進(jìn)步也只是機(jī)器人對教育潛在影響的一層表皮。為了更充分地發(fā)掘這種潛能，面向?qū)W生和教師的機(jī)器人需要更容易接近、更便宜且更容易使用。

　　● 本土安全和防衛(wèi)

　　當(dāng)機(jī)器人技術(shù)用于國土安全和防衛(wèi)時(shí)，它作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，為搜尋、救援、偵查、防爆、火源檢測以及其他應(yīng)用，提供多樣化手段的同時(shí)也提高了任務(wù)的可行性。無人偵查，探測及反應(yīng)系統(tǒng)利用機(jī)器人平臺、固定傳感器、命令和控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，來監(jiān)測和巡邏數(shù)百英里長的惡劣邊界地形，尋找并定位化學(xué) /生物/輻射/核/爆炸威脅，同時(shí)調(diào)查邊境、電廠和機(jī)場的廣闊周圍環(huán)境。這樣的系統(tǒng)能使安保人員自動(dòng)檢測潛在危險(xiǎn)，從安全距離外觀察危險(xiǎn)物，有必要的話可以提供初始的破壞和封鎖危險(xiǎn)物存放地。其他裝備紅外攝像機(jī)、夜視傳感器和毫米波雷達(dá)的便攜機(jī)器人已經(jīng)用于搜尋災(zāi)難現(xiàn)場幸存者，比如世貿(mào)中心。

　　能力路線圖

　　圖1：左欄中的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域持續(xù)的進(jìn)步，將促進(jìn)大量的基本功能的發(fā)展，如圖中欄內(nèi)容。右欄是這些功能一次在應(yīng)用領(lǐng)域中的進(jìn)展。

　　為了使服務(wù)機(jī)器人能夠解決上述問題， 我們給出了必須面對的主要挑戰(zhàn)以及必須培養(yǎng)的關(guān)鍵能力。圖1概述了計(jì)劃路線以及本文檔的其余部分。圖中，右欄列出了應(yīng)用領(lǐng)域，其中有許多之前的方案中已描述過。只有當(dāng)自主機(jī)器人同時(shí)具有相當(dāng)一部分技術(shù)能力時(shí)，這些應(yīng)用領(lǐng)域才算是取得了重要進(jìn)步。這些能力被列在圖片的中欄。為了達(dá)到機(jī)器人技術(shù)所要求的水平，在一系列基礎(chǔ)研究和技術(shù)方面，都需要進(jìn)行持續(xù)的投入研究和發(fā)展。

　　● 移動(dòng)和操作

　　自主服務(wù)機(jī)器人通過在他們的工作環(huán)境中運(yùn)動(dòng)、并與環(huán)境相互作用來完成任務(wù)。這些運(yùn)動(dòng)和物理作用，需要通過改變機(jī)器人的位置和在環(huán)境中的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。任務(wù)的完成很可能需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和交互程序：機(jī)器人可能需要從一個(gè)房間移動(dòng)到另一個(gè)房間，或者需要它打開門、爬樓梯、使用電梯、清理路徑中的障礙、去除障礙物或者使用工具。為了具有這些能力，需要機(jī)器人技術(shù)在傳感、控制和認(rèn)知方面的大量實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。服務(wù)機(jī)器人帶來的問題只能通過綜合方案解決。

　　機(jī)器人走到不同樓層房間去取箱子，應(yīng)該考慮到該任務(wù)的難度取決于箱子的大小，并且要找到好的抓持方式，舉起箱子，通過狹小的空間，躲避環(huán)境中機(jī)器人不得不越過的其他目標(biāo)。為了推動(dòng)箱子（或者舉起它），機(jī)器人需要估算自己的能力，空間的幾何關(guān)系，驅(qū)動(dòng)和關(guān)節(jié)的約束，以及運(yùn)動(dòng)過程中接觸的動(dòng)力學(xué)和摩擦。

　　為了得到自己的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)的程序運(yùn)行方式，機(jī)器人需要熟悉它的周圍環(huán)境，因?yàn)椴⒉皇撬兴璧男畔⒍寄鼙惶峁?。因此，機(jī)器人運(yùn)行在非結(jié)構(gòu)化和動(dòng)態(tài)的環(huán)境時(shí)，需要具有在環(huán)境中感知對象和計(jì)算其屬性的能力。“語義映射”，為機(jī)器人提供了完成一個(gè)任務(wù)所需的環(huán)境。目標(biāo)檢測和識別以及相關(guān)的感知能力，則提供了語義映射、導(dǎo)航和目標(biāo)操作的能力。

　　在5年、10年、和15年內(nèi)，通過持續(xù)的研究和發(fā)展，下面的目標(biāo)可能實(shí)現(xiàn)：

　　·5年：機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室中利用多樣化的研究機(jī)制，在非結(jié)構(gòu)化的二維環(huán)境中安全和穩(wěn)定地導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)簡單地選取和放置任務(wù)，相關(guān)的目標(biāo)為簡單的機(jī)構(gòu)且具有特定的屬性。機(jī)器人通過探測和相互作用以及人類的指令，生成環(huán)境語義地圖。他們能夠推斷出復(fù)雜的任務(wù)，比如移除障礙物、打開柜子等等，從而進(jìn)入其他的目標(biāo)。

　　·10年：給出一個(gè)環(huán)境靜態(tài)部分的大概和可能的不完全模型（可能給出一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫等），服務(wù)機(jī)器人能夠可靠地規(guī)劃執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。定向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人能建立起對環(huán)境的深度感知，構(gòu)建自己物理動(dòng)作和理解指令。機(jī)器人通過上下樓梯完成對多層環(huán)境的導(dǎo)航，也會(huì)通過修改環(huán)境增加實(shí)現(xiàn)任務(wù)的機(jī)會(huì) （例如移除障礙物、清理障礙、打開燈），檢測和恢復(fù)一些故障。服務(wù)機(jī)器人必須使多個(gè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，比如腿、跟蹤設(shè)備和輪子，在全新的、非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中執(zhí)行高速的沒有沖突的移動(dòng)操作。

　　·15年：包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如腿、軌道和車輪的服務(wù)機(jī)器人，在新的非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中執(zhí)行高速、無碰撞的移動(dòng)操作。它們對自身環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆g，可能是對執(zhí)行特殊任務(wù)的環(huán)境、整體或局部，以及長期的環(huán)境所做的呈現(xiàn)（語義地圖）。使用它們不斷規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)全局目標(biāo)。它們能夠?qū)?dòng)態(tài)變化做出強(qiáng)有力的反應(yīng)（例如，由于被推或被擠的意外擾動(dòng)）。通過任務(wù)導(dǎo)向，它們能夠交互探索，通過與環(huán)境的相互作用，它們能夠通過智能的方式對任務(wù)進(jìn)行修正，以確保和促進(jìn)其任務(wù)完成。其中包括機(jī)器人間的、接觸目標(biāo)間以及環(huán)境的靜態(tài)部分間相互作用的物理屬性（滑動(dòng)、推、扔等）的推理。

　　● 真實(shí)世界規(guī)劃與導(dǎo)航

　　2009年以來，服務(wù)機(jī)器人真實(shí)世界規(guī)劃與導(dǎo)航領(lǐng)域，已在主要途徑上有了發(fā)展。這些發(fā)展仍然在美國機(jī)器人路線圖報(bào)告中。當(dāng)時(shí)的關(guān)注重點(diǎn)是在高度非結(jié)構(gòu)化情況下，利用有限的經(jīng)驗(yàn)知識，對空間和障礙物導(dǎo)航。機(jī)器人需要獲得和感知數(shù)據(jù)，以建立將要規(guī)劃的環(huán)境模型。在執(zhí)行這些規(guī)劃時(shí)，額外的傳感信息將被用于反饋，甚至用于小數(shù)量機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行非實(shí)時(shí)規(guī)劃和控制。

　　自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人在后勤和醫(yī)療應(yīng)用中的部署舉例——上起： SymbioTIc， Aethon，和Kiva系統(tǒng)

　　在高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，在有挑戰(zhàn)性的問題上已經(jīng)有了進(jìn)展。自從2009 年以來，最顯著的變化就發(fā)生在能夠?qū)崟r(shí)規(guī)劃和控制的大型車隊(duì)的服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。那里的環(huán)境和任務(wù)更加結(jié)構(gòu)化，其應(yīng)用領(lǐng)域包括物流和材料處理、醫(yī)療衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)等（圖2），這些應(yīng)用不僅在技術(shù)發(fā)展上很重要，同時(shí)服務(wù)機(jī)器人在解決真實(shí)世界問題上更具有價(jià)值。有效的社交人際交互與其接口的核心能力研究，必須遵循以人為本的設(shè)計(jì)進(jìn)程，并對利益相關(guān)者進(jìn)行嚴(yán)格評估。在這一進(jìn)程中的用戶調(diào)查，可能會(huì)包括早期設(shè)計(jì)過程中具有針對性的健康人群，也會(huì)包括由此形成的設(shè)計(jì)迭代評估，并且延伸到病人、醫(yī)生、家庭、治療師以及其他一些社會(huì)成員。在該領(lǐng)域中，研究和發(fā)展的關(guān)鍵性方法，是找到合適的措施方法以成功地實(shí)現(xiàn)自然交流，使環(huán)境與健康應(yīng)用的聯(lián)系真實(shí)有效，并研發(fā)出對輸入到機(jī)器人系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)量測信息進(jìn)行在線評估和學(xué)習(xí)的方法。

　　下面的數(shù)據(jù)有助于了解當(dāng)前的技術(shù)在操作獨(dú)立安裝時(shí)，車隊(duì)的數(shù)目在10^3和10^4之間。

　　·實(shí)時(shí)導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃的速度，在每小時(shí)10^4到10^5個(gè)任務(wù)或交易之間。

　　·包括在2D和2.5D中，由地圖定義的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的障礙和蔽障導(dǎo)航，如倉庫和醫(yī)院的走廊。2.5D來源于在多個(gè)樓層或不同級別的規(guī)劃和控制任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。

　　·協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)器人的任務(wù)，來完成其同步。

　　·任務(wù)，包括感知和操作目標(biāo)來完成先驗(yàn)知識的任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)當(dāng)?shù)貓鼍皶r(shí)，通過傳感信息進(jìn)行任務(wù)描述增強(qiáng)。

　　·重新規(guī)劃動(dòng)態(tài)解決問題的能力，如任務(wù)失敗、障礙或避免碰撞，包括有人存在的相同操作環(huán)境。

　　·高水平的機(jī)器人規(guī)劃和控制集成，如物流供應(yīng)鏈或醫(yī)院信息系統(tǒng)。

　　圖3為在操作環(huán)境和任務(wù)中對于實(shí)時(shí)性能指標(biāo)和程度結(jié)構(gòu)的描述，目前的路線圖設(shè)想推動(dòng)右上的極限，在不確定和復(fù)雜操作中提高能力。

　　以下是產(chǎn)生這種積極效果的方案：

　　·隨機(jī)規(guī)劃——針對不確定模型，考慮一個(gè)確定的計(jì)劃和控制問題。一個(gè)使用已提出的規(guī)劃和控制策略系統(tǒng)的仿真，只有在仿真代表了真實(shí)世界的前提下才有效。真實(shí)世界的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，將揭示仿真的需要，以更好地模擬真實(shí)世界。如以統(tǒng)計(jì)的參數(shù)數(shù)據(jù)代替常數(shù)，增加新的動(dòng)態(tài)組件或失效模式的模型，從而通過仿真尋找策略魯棒性的極限。在未來五年，為了使用最初的不確定特征發(fā)展規(guī)劃和控制，研究的挑戰(zhàn)可能來自直接方法研究。一個(gè)現(xiàn)實(shí)中真正強(qiáng)大的策劃者，將能夠利用統(tǒng)計(jì)知識的優(yōu)勢對環(huán)境建立條件規(guī)劃。預(yù)見性的規(guī)劃都將增加任務(wù)的安全性和效率，機(jī)器人將能夠根據(jù)內(nèi)置的不確定性進(jìn)行操作。

　　·當(dāng)前模型自動(dòng)檢測的有效性——在未來5~10年，機(jī)器人有望工作更長時(shí)間。在高度動(dòng)態(tài)環(huán)境下，統(tǒng)計(jì)模型規(guī)劃的時(shí)間，可能不能正確地表征隨時(shí)間變化的環(huán)境。通過魯棒的方法，在飛行器上的檢測仍然使用的是模型，而不是控制回路中不可分割的部分。未來5~10年的目標(biāo)是，機(jī)器人在執(zhí)行計(jì)劃中提高其整合由傳感器獲取數(shù)據(jù)的能力，以更新的基礎(chǔ)靜態(tài)統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)，自主決定何時(shí)以及如何進(jìn)行規(guī)劃。我們的發(fā)展目標(biāo)是，構(gòu)建能夠生成和更新的系統(tǒng)，能夠長時(shí)間不間斷、不松散地進(jìn)行監(jiān)督工作。

　　·模仿和轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)——應(yīng)用在車隊(duì)的服務(wù)業(yè)機(jī)器人，可以將固有的知識積累、錯(cuò)誤庫、不確定性侵入的方式要求頻繁而對任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃。即使每一類重新規(guī)劃的發(fā)生率很低，我們?nèi)詴?huì)看到這些問題會(huì)再次出現(xiàn)。學(xué)習(xí)是解決掉每個(gè)重新規(guī)劃問題的另一種選擇。它應(yīng)該能夠知道以前出現(xiàn)的錯(cuò)誤，更重要的是它也能證明重新規(guī)劃的有效性。一個(gè)10年的目標(biāo)，是將傳統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)和可靠性機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合起來，以實(shí)時(shí)條件下重新認(rèn)識之前發(fā)生的重復(fù)規(guī)劃的問題，并選擇最優(yōu)解法。許多成果已經(jīng)可以應(yīng)用在模仿學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)領(lǐng)域中。盡管規(guī)劃在連續(xù)中，最終執(zhí)行規(guī)劃的特點(diǎn)是連續(xù)執(zhí)行軌跡，但是從更加抽象的角度來看，預(yù)想經(jīng)常性的構(gòu)建模塊和干擾，也是可能的。分享、重復(fù)使用規(guī)劃，以及在遇到突發(fā)事件時(shí)執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作序列的能力是必要的。在未來 5~10年，機(jī)器人應(yīng)該能夠?qū)⑺麄兊囊?guī)劃貢獻(xiàn)給當(dāng)?shù)氐闹R庫，并與其它機(jī)器人共享。這樣可以有效地確定計(jì)劃，并由此可被重復(fù)應(yīng)用，而不用從頭開始解決復(fù)雜問題。長期來看，大型、高效地檢索資料庫的機(jī)器人計(jì)劃，應(yīng)成為行星尺度上的可用之舉。

　　·人類監(jiān)控操作——拿飛行器操作者做類比，這個(gè)操作者有這樣一種情境意識：他的空間里有數(shù)百架飛行器，飛行器由人類飛行員駕駛，并可通過駕駛員來交流的命令信息（圖4）。這種情況將會(huì)在不久將來，伴隨著普通機(jī)場引入無人機(jī)而改變。作為比較，以目前的邏輯和醫(yī)療飛行隊(duì)設(shè)備，監(jiān)控人員可展示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，同時(shí)可以處理相當(dāng)有限的傳感器數(shù)據(jù)。但是，當(dāng)飛行器的數(shù)量達(dá)到1000~10000時(shí)，以及每小時(shí)10000~100000次的交互量，監(jiān)控人員就已達(dá)到極限。了解這種狀態(tài)不僅僅需要系統(tǒng)狀態(tài)，而且還需要意識到每個(gè)機(jī)器人的規(guī)劃以及它們?nèi)绾位ハ嘟涣骱退鼈兯幍牟淮_定的變化環(huán)境。這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步可以通過一個(gè)扇形圖量度，即監(jiān)控員與被監(jiān)控車輛的比率，從目前的10到5年后的100，再到10年后的1000。這個(gè)系統(tǒng)的等級模型被用來確保監(jiān)控員在合適的水平下放大情景，以及在一定水平下不通過監(jiān)控自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　● 認(rèn)知能力

　　在服務(wù)機(jī)器人學(xué)中，有以下一種需要：在非工程環(huán)境下運(yùn)行，通過使用者示范來獲取新知識，與使用者交互來完成任務(wù)和狀態(tài)報(bào)告，認(rèn)知系統(tǒng)確保了能夠獲取關(guān)于環(huán)境的新模型，并可以被用來訓(xùn)練將來動(dòng)作的新技能。對于經(jīng)常性的人機(jī)交互，以及幾乎沒有機(jī)會(huì)對使用者訓(xùn)練的控制發(fā)展，認(rèn)知能力是非常必要的。此外，為了應(yīng)對非工程環(huán)境智能程度的增加，確保系統(tǒng)的可靠性也是必要的。在5年、10年、15年后，下面的目標(biāo)在目前的研究和發(fā)展條件下是可能達(dá)到的：

　　·5年：證明機(jī)器人可以通過人類的姿勢和語言交互來學(xué)習(xí)技能。此外， 獲得關(guān)于非模型的室內(nèi)環(huán)境模型。

　　·10年：機(jī)器人可以與使用者交互，來獲取新技能以執(zhí)行復(fù)雜的裝配和動(dòng)作。機(jī)器人有一個(gè)裝置，可以從簡單的錯(cuò)誤中自行恢復(fù)。

　　·15年：一個(gè)機(jī)器人伙伴，可以在一系列的服務(wù)任務(wù)中通過調(diào)整技能幫助使用者。這種人機(jī)交互，基于對人類固有的認(rèn)知和重新規(guī)劃來幫助操作者。

　　● 可靠性感知

　　由于服務(wù)機(jī)器人在相對非約束環(huán)境下使用，因此需要提供可靠的感知功能，來應(yīng)對環(huán)境的改變。感知對于導(dǎo)航、與環(huán)境交互、與在臨近的系統(tǒng)中使用者和任務(wù)對象的交互，是非常關(guān)鍵的。

　　今天，感知能力集中在幾何形狀的恢復(fù)、目標(biāo)的認(rèn)知和語意學(xué)的情景理解。我們需要改進(jìn)算法，來超越認(rèn)識和幾何學(xué)到達(dá)任務(wù)相關(guān)的特征實(shí)體，例如任務(wù)對象（剛性的和可變形的）、文件、環(huán)境或者人。這種特征包括：材料特性、任務(wù)對象可供性、人類活動(dòng)、人和對象的交互、來自環(huán)境的物理實(shí)體的限制等。這些都是先進(jìn)機(jī)器人能力發(fā)展必不可少的條件。

　　在未來5年、10年、15年，下面的任務(wù)在現(xiàn)有的研究和發(fā)展情況下是可能達(dá)到的：

　　·5年：感知算法應(yīng)當(dāng)與信息在大型場所相結(jié)合——家庭、高速公路、醫(yī)院、存儲庫——來完成可靠的操作。機(jī)器人將能夠察覺任務(wù)相關(guān)的不同環(huán)境和操作對象的特點(diǎn)，并且能夠認(rèn)識、指出搜索數(shù)中混亂環(huán)境下的數(shù)百個(gè)操作對象。

　　·10年：在靜態(tài)環(huán)境中的基本操作能力，將會(huì)被擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中。這將證明機(jī)器人系統(tǒng)，能夠覺察動(dòng)態(tài)事件和人類的活動(dòng)。由此可以學(xué)習(xí)人類，并與人類協(xié)作。為了控制領(lǐng)域，諸如靈巧機(jī)械手，靈活性，人機(jī)交互和其他任務(wù)而革新特種機(jī)器人感知的算法是必要的。發(fā)展大規(guī)模學(xué)習(xí)和改進(jìn)感知適應(yīng)性的方法，對于能夠在擴(kuò)展的時(shí)間段操作的系統(tǒng)發(fā)展是非常必要的。

　　·15年：證明一個(gè)機(jī)器人可以集成多種感覺模式，比如通過對聲音、范圍、視覺、GPS和慣性等感覺的處理，以獲得周圍環(huán)境的模型，并將這些模型用于導(dǎo)航、搜索、人機(jī)交互，以及和其他新奇的事物交互。未來的焦點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長時(shí)間在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的環(huán)境下工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模式下機(jī)器人的感覺能力。

　　● 物理且直觀的HRI接口

　　不論是部署專業(yè)的，還是家用的服務(wù)機(jī)器人，都需要利用接口以便用戶可以更容易地訪問系統(tǒng)。而被部署在社區(qū)的機(jī)器人，需要提供最簡單的接口，以便使用者通過簡單的培訓(xùn)即可操作。有兩種類型的接口：伴隨用戶的物理接口;控制機(jī)器人的命令接口。物理接口，包括移動(dòng)物體的機(jī)體運(yùn)動(dòng)和非接觸互動(dòng)，比如通過傳達(dá)意圖和狀態(tài)來改變行為。命令接口，對于任務(wù)調(diào)度和狀態(tài)報(bào)告則是必須的，以便讓用戶理解機(jī)器人的行為。

　　在5年、10年、15年內(nèi)，通過不斷地研究和發(fā)展，可以達(dá)到下面的目標(biāo)：

　　·5年：證明用于簡單的動(dòng)作模式的多態(tài)會(huì)話，可以促進(jìn)任務(wù)命令更加有效，機(jī)器人可以傳達(dá)身體動(dòng)作的意圖。

　　·10年：能夠證明，通過周密編程的機(jī)器人可以用來學(xué)習(xí)復(fù)雜任務(wù)，比如為一個(gè)普通人家準(zhǔn)備午餐。

　　·15年：能夠證明，在當(dāng)前一個(gè)任務(wù)時(shí)序里，操作者可以設(shè)計(jì)機(jī)器人來完成復(fù)雜的任務(wù)。

　　● 技能獲得

　　服務(wù)型機(jī)器人必須通過持續(xù)提高表現(xiàn)，獲得解決新任務(wù)的能力，這就要求服務(wù)型機(jī)器人擁有自我學(xué)習(xí)新技能的能力。技能可以通過多種方式獲得：通過讀取技能庫獲得其他機(jī)器人已經(jīng)擁有的技能;通過不斷地訓(xùn)練或在錯(cuò)誤中獲得;通過觀察人和其他機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)獲得;通過人或者機(jī)器人指示器進(jìn)行教授。然而技能的取得，還要求機(jī)器人能夠辨別在何種場景下運(yùn)用何種技能才算成功，技能可以被參數(shù)化，在不同場景下學(xué)習(xí)和選擇合適參數(shù)的能力，同樣被包含在獲得技能的能力中。從一個(gè)領(lǐng)域向另一個(gè)領(lǐng)域傳遞技能的能力，或者從一個(gè)技能向另一個(gè)技能傳遞經(jīng)驗(yàn)的能力，意味著機(jī)器人在獲得能力方面有本質(zhì)的提高。在感覺、重現(xiàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)劃、控制、行為識別和其他相關(guān)領(lǐng)域的提高，可以促進(jìn)機(jī)器人提高學(xué)習(xí)技能的能力。

　　在5年、10年、15年內(nèi)，通過不斷研究和發(fā)展，可以達(dá)到下面的目標(biāo)：

　　·5年：機(jī)器人可以通過觀察、嘗試、糾錯(cuò)、證明來學(xué)習(xí)一系列基本的技能。這些技能可以成功應(yīng)用在許多與已習(xí)得能力有細(xì)微不同的情況下。 在情況有細(xì)微差別時(shí)，通過初始設(shè)置，機(jī)器人可以自動(dòng)表現(xiàn)對已學(xué)技能的適應(yīng)性。

　　·10年：隨著感覺能力的提高，機(jī)器人可以獲得更復(fù)雜的技能，并判斷在何種情況下運(yùn)用何種技能，且復(fù)合能力可以被集成在更加復(fù)雜的能力中。機(jī)器人可以自動(dòng)判斷并指出，能夠成功使用技能的情景類型。機(jī)器人對影響成功的因素有充分的理解，使其可以管理計(jì)劃進(jìn)程，并將其成功機(jī)率最大化。

　　·15年：機(jī)器人持續(xù)獲得新技能，并且提高已經(jīng)學(xué)得的能力的工作效率。 它可以獲得獨(dú)立于技能的知識，從而實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜任務(wù)和場景、或新任務(wù)下轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚募寄?。機(jī)器人能夠識別采用簡單技能和組合技能的一般模式。

　　● 安全機(jī)器人

　　現(xiàn)在，機(jī)器人的安全性可通過清晰劃分人和機(jī)器人的工作區(qū)域獲得。隨著人和機(jī)器人的工作越來越交織在一起，就需要明確考慮，以實(shí)現(xiàn)操作者在一個(gè)相對安全的距離外，操作高速運(yùn)行的機(jī)器人。

　　因此，這就需要考慮標(biāo)準(zhǔn)的安全認(rèn)證。現(xiàn)在，不論是專業(yè)機(jī)器人還是個(gè)人機(jī)器人，安全認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)都不充分。這些并不足以驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，減緩了推廣的步伐，同時(shí)又提高了成本。

　　從技術(shù)層面來說，安全涉及多個(gè)方面內(nèi)容，包括對先進(jìn)感知能力的需求，并用于檢測物體，人和語言。當(dāng)面對可能危險(xiǎn)的場景時(shí)，通過控制系統(tǒng)中的固化安全行為機(jī)制保證與人和物體的接觸幾乎不產(chǎn)生損失。然而，安全是一個(gè)關(guān)系未來科技的多層次主題，包括政府和一系列的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立的認(rèn)證和違責(zé)風(fēng)險(xiǎn)。這就需要提高非科技的因素。比如已存在的專業(yè)機(jī)器人和個(gè)人機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而向利益相關(guān)者展示，明顯的快速創(chuàng)新和應(yīng)用的需求。

　　在5年、10年和15年內(nèi)，隨著持續(xù)的研究和發(fā)展，下面的目標(biāo)很有可能達(dá)到：

　　·5年：

　　1. 針對所有類別的服務(wù)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被定義，并被廣泛接受。

　　2. 固有安全（硬件和軟件）專業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人能在具有操控的情況下，與訓(xùn)練有素的人類在所有專業(yè)環(huán)境中協(xié)同操作（制造業(yè)、醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、工廠車間、倉庫等）。

　　3. 固有（硬件和軟件）個(gè)人移動(dòng)機(jī)器人，能在無操控的情況下，在所有專業(yè)環(huán)境中與人類協(xié)同作業(yè)（家庭、賓館、學(xué)校、老年保健院等）。

　　4. 個(gè)人基本操作系統(tǒng)有了安全標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的第一個(gè)版本。

　　·10年：

　　1. 固有安全（硬件和軟件）專業(yè)移動(dòng)機(jī)器人在有人操縱的情況下，與未受過訓(xùn)練的人類在所有專業(yè)環(huán)境中協(xié)同操作。

　　2. 固有安全（硬件和軟件）個(gè)人移動(dòng)機(jī)器人，在有操縱的情況下，在所有專業(yè)環(huán)境中與人協(xié)同操作。

　　·15年：

　　固有安全移動(dòng)機(jī)器人，在有操控的情況下，與未受過訓(xùn)練的人類在所有公共的、個(gè)人的、專業(yè)的環(huán)境中協(xié)同操作。

　　基本研究/技術(shù)

　　體系構(gòu)架與表達(dá)

　　在過去的20年間，一些系統(tǒng)組織建立的模型已經(jīng)出現(xiàn)，然而并沒有協(xié)議或者系統(tǒng)組織的總體框架被落實(shí)。對于自主導(dǎo)航、靈活性以及操控，有一些已經(jīng)建立的方法，比如4D/RCS和混合協(xié)商架構(gòu)，但是一旦添加相互作用組件，比如人機(jī)交互（HRI），很少有一個(gè)共同的模型協(xié)議。在過去幾年中，認(rèn)知系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)嘗試研究這一問題，但目前為止，尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的模型。

　　對于機(jī)器人系統(tǒng)的廣泛采用，建立便于系統(tǒng)集成、構(gòu)件模型和形式化設(shè)計(jì)的架構(gòu)框架是很有必要的。適當(dāng)?shù)募軜?gòu)框架在本質(zhì)上依賴于任務(wù)應(yīng)用程序域，機(jī)器人或者各種其他因素。任一上述框架，都與一組適當(dāng)?shù)年愂霾东@環(huán)境和包括其中的對象的影響緊密相連，比如機(jī)器人性能、域名信息以及機(jī)器人任務(wù)的描述。

　　控制和規(guī)劃

　　由于服務(wù)機(jī)器人需要?jiǎng)討B(tài)解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題，無組織的開放環(huán)境的出現(xiàn)是在機(jī)器人控制算法和運(yùn)行規(guī)劃等領(lǐng)域的新奇挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)源于機(jī)器人的動(dòng)作和任務(wù)執(zhí)行中的自主權(quán)和靈活性需求的增加。控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的充分算法，將捕獲適應(yīng)傳感器反饋的高層次的運(yùn)動(dòng)策略。研究挑戰(zhàn)，包括傳感方式和規(guī)劃、控制算法中不確定性的考慮;合并反饋信號的陳述和運(yùn)動(dòng)策略能力的發(fā)展;受約束的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和非完整系統(tǒng);解決動(dòng)態(tài)環(huán)境下的對象特性; 為混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)控制和規(guī)劃算法;理解這些算法問題在控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的復(fù)雜性。

　　認(rèn)知能力

　　在過去的幾十年中，知覺和感覺處理方面已取得了巨大進(jìn)步。比如基于Web的搜索，例如谷歌圖像和安全應(yīng)用程序中的人臉識別。在自然環(huán)境中的定位和本地化，在工程環(huán)境中也是有可能實(shí)現(xiàn)的。在過去十年里，特別是激光掃描儀和GPS的使用已經(jīng)改變了導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并促成了新一代的解決方案。在過去5年中，RGB-D傳感器技術(shù)的使用和打開機(jī)器人軟件框架，已取得巨大的進(jìn)步。

　　雖然如此，常見的無GPS環(huán)境中的定位和規(guī)劃，仍然是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。此外，我們已經(jīng)在圖像識別與擴(kuò)展大型數(shù)據(jù)庫方面，取得了巨大進(jìn)步。在未來，將有大量的機(jī)器人將依賴其自身感官反饋，并應(yīng)用程序域?qū)⒊街暗哪Ｐ驮O(shè)置。因此，有必要對多個(gè)傳感器的依賴和傳感信息的融合提供魯棒性。特別是基于圖像信息的使用是值得期待的，且將在機(jī)器人技術(shù)中扮演重要角色。在新的映射方法上、促進(jìn)捕獲新型對象、對象的分類和基于超越實(shí)例的識別和靈活的用戶界面設(shè)計(jì)上，視覺將起到至關(guān)重要的角色。

　　可靠的高保真?zhèn)鞲衅?/strong>

　　在過去十年中，微電子和封裝上的進(jìn)展，已導(dǎo)致了一場感官系統(tǒng)革命。圖像傳感器已經(jīng)超越廣播質(zhì)量，以提供百萬像素的圖像。MEMS技術(shù)使得新一代慣性傳感器封裝成為可能，RFID使更高效地跟蹤包裹和人成為可能。由于加寬了操作域，我們將會(huì)需要新型的傳感器，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行。這就需要魯棒控制的新方法，但更重要的是提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳感器，以適應(yīng)顯著的動(dòng)態(tài)變化和較差的域數(shù)據(jù)分辨率。硅制造的新方法和MEMS新一代傳感器，將成為未來機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵方面。

　　新型機(jī)構(gòu)與高性能執(zhí)行器

　　在機(jī)械裝置、制動(dòng)和依據(jù)函數(shù)使用的算法復(fù)雜性的發(fā)展之間，存在錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。一些算法問題的解決方案，可能會(huì)極大地促進(jìn)智能機(jī)械設(shè)計(jì)。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)和高性能驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展，很可能在其它基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和線路圖所列功能中，取得突破性進(jìn)展。重要的研究領(lǐng)域包括機(jī)械設(shè)計(jì)、開發(fā)符合合規(guī)性和可變性、高度靈巧的機(jī)械手、節(jié)能性、安全性、高性能驅(qū)動(dòng)器、高效能動(dòng)態(tài)步行者等等。

　　專家特別感興趣的是“智能”的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過它們的設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以歸入一個(gè)只通過顯式控制來完成的函數(shù)。這樣的例子包括自我穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，或是不需要顯式控制就可以實(shí)現(xiàn)形封閉的特殊的機(jī)械手。

　　學(xué)習(xí)和自適應(yīng)

　　本章中描述的許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，都獲益于學(xué)習(xí)和適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。服務(wù)機(jī)器人控制著復(fù)雜的環(huán)境，處在一種高維的狀態(tài)空間中。關(guān)于環(huán)境和機(jī)器人狀態(tài)的知識，實(shí)質(zhì)上是不確定的。機(jī)器人的動(dòng)作往往是隨機(jī)性的，其結(jié)果可以用分散性來描述。許多決定機(jī)器人動(dòng)作結(jié)果的現(xiàn)象很難，甚至不可能建模。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提供了一個(gè)有前途的工具來解決上述困難。這些技術(shù)可以用于機(jī)器人任務(wù)或環(huán)境學(xué)習(xí)模型的建立、更深層次的傳感器和抽象任務(wù)的描述、仿真和強(qiáng)化學(xué)習(xí)、控制政策的學(xué)習(xí)、有控制架構(gòu)的整合學(xué)習(xí)、多傳感器信息（例如視覺，觸覺）的概率推理方法和結(jié)構(gòu)性時(shí)空陳述，可以加快機(jī)器人學(xué)習(xí)與適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。

　　物理上的人機(jī)交互

　　普遍存在于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的安全壁壘已逐漸消除，機(jī)器人將更大程度與人類合作，執(zhí)行任務(wù)和示范編程。作為這項(xiàng)工作的一部分，機(jī)器人將與用戶有直接的物理接觸。首先需要有安全方面的慎重考慮。此外，另一個(gè)需要考慮的因素是如何設(shè)計(jì)這些機(jī)器人的交互模式，使之能很自然地被用戶感知。這涵蓋了各個(gè)方面的交互，從機(jī)器人直接的物理運(yùn)動(dòng)，到通過最小慣量感知和流體控制的物理交互。另外，考慮設(shè)計(jì)和控制之間的相互作用，以優(yōu)化其功能。

　　社交交互機(jī)器人

　　對于機(jī)器人與人交互，賦予系統(tǒng)與人交互的設(shè)施。這種交互，對于系統(tǒng)分配任務(wù)、新技能和任務(wù)的教學(xué)、聯(lián)合任務(wù)的執(zhí)行等，都是必須的。當(dāng)前社會(huì)交互模型包括手勢、語音/聲音、身體運(yùn)動(dòng)/姿態(tài)及物理位置。將技能和人類試圖解釋的現(xiàn)有和新的活動(dòng)任務(wù)模型結(jié)合起來。在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，對社交互動(dòng)都具有廣泛需求。