服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或者全自主工作的機(jī)器人，現(xiàn)有的服務(wù)機(jī)器人主要分為家用和公共服務(wù)兩類，能夠完成對人類健康有益的各種服務(wù)工作，其中，具有自主移動能力的服務(wù)機(jī)器人在智能化和工作效率方面都有顯著優(yōu)點，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于生活中。

 

　　為了能夠全面、準(zhǔn)確地反映出能自主移動的服務(wù)機(jī)器人的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，本文將以中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和外文數(shù)據(jù)庫（VEN）為文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源，進(jìn)行全面統(tǒng)計分析。

 

　　通過檢索可知，能自主移動的服務(wù)機(jī)器人種類繁多，涉及到生活的方方面面，如掃地機(jī)器人、管家機(jī)器人、監(jiān)控機(jī)器人等，且移動功能通常需要配合相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此能自主移動的服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠婕暗募夹g(shù)點主要集中于位置控制，同時也涵蓋了吸塵器、監(jiān)視器和機(jī)械結(jié)構(gòu)等多個方面。

 

　　筆者通過閱讀檢索到的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)：能自主移動的機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)即為導(dǎo)航。導(dǎo)航是指機(jī)器人通過處理各個傳感器信息，獲取自身位置信息，躲避探測到的障礙物，最終到達(dá)目標(biāo)位置的自主運(yùn)動。導(dǎo)航問題可以歸結(jié)為對定位、目標(biāo)識別和路徑規(guī)劃三個問題的答復(fù)。

 

　　導(dǎo)航一般包括已知環(huán)境的導(dǎo)航和未知環(huán)境的導(dǎo)航。已知環(huán)境的導(dǎo)航又通常有兩種方式，接收環(huán)境地圖并進(jìn)行路徑規(guī)劃，以及通過學(xué)習(xí)在已知環(huán)境中進(jìn)行路徑規(guī)劃。對未知環(huán)境的導(dǎo)航通常首先需要建立地圖，再基于所構(gòu)建的地圖進(jìn)行導(dǎo)航。

 

　　基于地圖的導(dǎo)航系統(tǒng)可以為三大類：非視覺傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)、組合導(dǎo)航。非視覺傳感器導(dǎo)航由于不需要考慮環(huán)境光線條件等因素，所以獲取的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，應(yīng)用十分廣泛。視覺傳感器導(dǎo)航可以實時處理捕獲的視覺信息，但是容易受到光線等條件的影響。而組合導(dǎo)航融合了以上兩種方法的優(yōu)點。

 

　　發(fā)展階段

 

　　檢索文獻(xiàn)可知，機(jī)器人的自主移動技術(shù)的發(fā)展大概經(jīng)歷了三個階段。

 

　　首先是萌芽階段。在1985年左右，最早的自主移動的機(jī)器人移動方式單一，以清潔機(jī)器人為例，一件專利公開的移動路徑通常是采用直線，另一件專利公開了一種螺旋前進(jìn)的方式，早期的移動路徑均是諸如此類的簡單方式。此時的機(jī)器人還具有防撞裝置，以避免在撞上障礙物時損壞或者無法繼續(xù)移動。同時，當(dāng)機(jī)器人電力消耗殆盡之前，能夠自行返回充電樁，比如某專利公開了一種采用紅外的方式引導(dǎo)機(jī)器人返回充電裝置，另一件專利公開了一種采用超聲的方式引導(dǎo)機(jī)器人返回充電，此外，還有專利公開了采用激光或視覺的方式使機(jī)器人沿規(guī)定的路徑移動。

 

　　其次為發(fā)展階段。在1990年之后，機(jī)器人開始具有避障裝置，例如，某專利公開了一種采用結(jié)構(gòu)光雷達(dá)以及視覺的方式進(jìn)行避障，另一件專利則公開了一種采用超聲進(jìn)行避障的方式，還有的專利公開了采用超聲與激光結(jié)合、超聲與紅外結(jié)合的避障方式。而此時的導(dǎo)航還基本上基于對已知環(huán)境的導(dǎo)航，一件日本專利（專利號：JPH02282807）公開了處理器接收活動區(qū)域地圖并且規(guī)劃路徑。在機(jī)器人行進(jìn)過程中，也會根據(jù)陀螺儀進(jìn)行相對定位以此確定是否還在預(yù)定路線上，某專利公開了使用陀螺儀進(jìn)行相對定位。

 

　　而在上世紀(jì)90年代后期，機(jī)器人可以通過視覺傳感器或者激光雷達(dá)獲取環(huán)境信息并基于信息建立地圖，一件日本專利（專利號：JPH10260724A）公開了由激光掃描建立地圖，并在地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)航。地圖也由二維地圖發(fā)展為三維地圖，某專利（專利號：JPH11194822）公開了一種構(gòu)建3D地圖的方法，一件西班牙專利（專利號：ES2152171A1）公開了基于視覺、激光傳感器獲得的信息建立3D地圖的方法，一件美國專利（專利號：US5819008A）則公開了一種多機(jī)器人協(xié)同工作的方式。

 

　　再次為完善階段。2000年之后，技術(shù)研發(fā)的重點放在對導(dǎo)航中算法的革新中，追求更加完善的地圖構(gòu)建，更加有效的障礙避讓以及更有效率的路徑規(guī)劃。比如一件美國專利（專利號：US2009141938A1）采用雙目視覺傳感器采集環(huán)境的信息，一件韓國專利（專利號：KR100611328B）通過SLAM（同時定位與建圖）方式建立柵格地圖，結(jié)合全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃獲得更加靈活有效的導(dǎo)航方式。

　　技術(shù)特點

 

　　經(jīng)由上述對專利文獻(xiàn)的分析，我們可以總結(jié)出服務(wù)機(jī)器人的自主移動技術(shù)領(lǐng)域的如下特點。

 

　　最早的自主移動的機(jī)器人移動方式單一，以清潔機(jī)器人為例，其移動路徑通常是采用直線、沿墻或者螺旋等簡單方式，機(jī)器人還具有防撞裝置，以避免在撞上障礙物時損壞或者無法繼續(xù)移動。在1990年之后，機(jī)器人開始具有避障裝置，通常采用超聲或者紅外、激光傳感器或者上述幾種方式結(jié)合。此時的導(dǎo)航還基本上基于對已知環(huán)境的導(dǎo)航，處理器接收活動區(qū)域地圖并且規(guī)劃路徑，由激光或者視覺的方式使得機(jī)器人能夠沿事先規(guī)定的路徑移動。在機(jī)器人行進(jìn)過程中，也會根據(jù)陀螺儀進(jìn)行相對定位以此確定是否還在預(yù)定路線上。而在上世紀(jì)90年代后期，機(jī)器人可以通過視覺傳感器或者激光雷達(dá)獲取環(huán)境信息并基于信息建立地圖，并在地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)航，地圖也由二維地圖發(fā)展為三維地圖。2000年之后，技術(shù)研發(fā)重點放在對導(dǎo)航中算法的革新中，追求更加完善的地圖構(gòu)建，更加有效的障礙避讓以及更有效率的路徑規(guī)劃。

 

　　在技術(shù)的發(fā)展過程中，單一的行動方式、防撞裝置都被淘汰，接收地圖進(jìn)行規(guī)劃的方式也被現(xiàn)場構(gòu)建地圖的方式所取代。構(gòu)建動態(tài)地圖、采用局部路徑規(guī)劃方式和全局路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式也將是今后技術(shù)發(fā)展的重點。在探測環(huán)境及障礙物時，原先單一的傳感器被多元傳感器所取代，各個傳感器的融合和交叉使用無論在避障還是定位領(lǐng)域都有了進(jìn)一步發(fā)展，以后也是發(fā)展的趨勢之一。

 

　　以目前服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展速度來看，在不久的將來，各種先進(jìn)的能夠自主移動的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類的生活工作的各個領(lǐng)域，實現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。（王 磊）