未来20年_2002_2022_欧洲机器人发展路线图选摘之一

综述 虽然第一次用机器人来自动完成日常的任务几乎可以追溯到２０年前，但“服务机器人”的概念并不被人所知，直到１９８９年Ｊｏｓｅｐｈ　Ｅｎｇｅｌｂｅｒｇｅｒ在编著的《服务业中的机器人》一书中才被提出来。

在《服务业中的机器人》一书中Ｅｎｇｅｌｂｅｒｇｅｒ已列出了至少１５种不同的应用领域，这是他估计利用机器人技术帮助实现自动化的领域。

服务机器人应用领域包括：医学机器人技术、卫生保健和康复、商业清洁、家务、速食服务、农业、加油站服务员、军事服务、采矿业、建筑业、侦察、助老助残、消防和营救机器人、娱乐、物流、酒店及饭馆供餐和服务等。

１．服务机器人的应用现状以及技术发展水平现状 １．１　清洁机器人 ２０００年Ｐｒａｓｓｌｅｒ等人回顾了从上世纪八十年代中期到现在清洁机器人的发展。

他们的调查了挑选的３０台清洁机器人，范围从小型低价格的到高成本、高技术、大型自动化清洗机器人。

科学家们将这３０种清洁机器人分为家用清洁机器人和工业清洁机器人。

家用清洁机器人包括真空吸尘器，清扫机器人以及地面洗刷机和水池清洗机器人。

他们详细收集了１２种不同的家用机器人，包括工业和研究原型以及已经成熟的商业产品。

这个领域应用最广泛的应该是真空吸尘机器人。

奇怪的是，过去几乎每年都宣称许多家用真空吸尘机器人将于近期投入商业化生产。

但直到瑞典制造商Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｘ才真正迈出了第一步，向零售市场推出了真空吸尘的机器人。

水池清洗机器人比真空吸尘机器人稍早出现。

越来越多的零售商，尤其在美国，提供水池遥控清洗机器人。

Ｐｒａｓｓｌｅｒ等人深入研究了１８种工业清洁机器人的发展。

这个数据一点都不令人惊讶，因为在欧洲据估计每年商业清洁设备市场已达五百亿至一千亿欧元。

这个数据包括研究原型，工业原型以及商业化的系统。

虽然工业清洁人也具有类似的巨大市场，它只有两三个系统比较成熟，销售收入超过了其他十几个的销售收入，其中包括德国Ｈｅｆｔｅｒ清洁技术公司的ＳＴ８２　Ｖａｒｉｏｔｅｃｈ，以及美国的Ｓｅｒｖｕｓ机器人ＳｃｒｕｂｂｅｒＶａｃ。

１．２　用于建筑业的机器人技术 建筑业是最古老而且最庞大的经济部门之一。

工业化国家建筑业占ＧＤＰ的比例约为７－１０％。

建筑领域欧盟有大约２７０万家公司，大部分是小公司。

另外，欧盟建筑公司销售额的前十名每个都介于５０－１５０亿欧元。

这些现象与制造业类似。

然而，建筑业的先进性却不如其他行业如制造业，尤其与汽车、电子、火车、航空等相比，这些产业的研发投资比建筑业多两倍。

很明显现在建筑业与令人兴奋的科技发展相比自动化水平还很低。

这就是为什么建筑业被视为下个世纪最有发展空间的领域。

所有参与者——研究人员，公司和管理部门——都必须更加努力的提高这个重要部门的自动化水平。

建筑行业在机器人和自动化控制领域进行的研究根据应用情况可分为：t民用建筑； t房屋建筑； 未来２０年（２００２－２０２２） 欧洲机器人发展路线图选摘之一o 王 伟 刘远江 李良琦栏目主持：王　伟　６ t服务应用 最典型的民用设施建设是公路和铁路工程、隧道工程、桥梁工程、土木工程等过程自动化；房屋建筑领域主要应用于房屋骨架的竖立和装配、压制混凝土、室内修整、预制等。

服务应用大部分包括检验和维护任务。

对研发机构的另一种分类方法是根据他们的研发技术： ａ．新设备和工艺的研发（机器人、自动化控制系统等） ｂ．改变现有机器的使用使它们进入机器人的应用领域（开凿机、起重机、压土机等）。

日本公司是建筑业机器人化的先驱。

过去十年中，日本在国家项目的支持下，在这个领域发挥了重要作用。

它在很多领域中已经发明出许多创新系统。

ＳＭＡＲＴ系统就是首批被发明的系统。

它被运用于名古屋和横滨两栋３０多层楼的建筑中。

这个系统在建筑顶端是一个全天候、全机器人化的工厂，提升装置自动提升施工平台。

欧洲最近刚开始这个领域的研发，试图与日本较量。

欧洲的未来家庭项目就是其中的一个例子。

在民用工程中道路建筑是最重要的领域之一。

机器人技术的发展具有重大意义。

现在新一代的自动铺路机和沥青压实机正处于发展中。

这些笨重的户外移动机器运用ＧＰＳ跟踪技术进行导航和道路质量控制。

类似情况也存在于全自动化先驱的隧道建筑中。

对于自动运输，根据并行操作理念以及基于激光、旋转罗盘、水平标尺和倾角罗盘等传感器来完成的导航都用在了隧道施工机器中。

民用工程的研究行为主要集中在针对现有民用机械（如凿岩机、分类机等）的新控制技术。

凿岩机的运动学和动力学控制以及对马力／扭矩的反应对于机器人自动挖掘十分重要。

此外，有伸缩挖掘装置的凿岩机，利用视觉和力反馈进行操作，受到操作者青睐。

建筑业中的自动化建筑是未来的另一个大商机。

对于高效率的房屋建筑来说，对沉重、庞大的部件进行运输和装配十分必要。

过去几年中一些用于自动装配的机器人得到了发展。

欧洲的　ＲＯＣＣＯ工程公司发明了长达１０米有效载荷重达５００千克的液压机器人，可利用激光测距自动跟踪。

房屋建筑业中提前预制部件越来越多，通过自动的模块化设计，以及柔性、快速地制造出这些部件非常重要。

建筑业中仍然存在大量服务性应用，用于检查和维护。

定期监查房屋的结构是一个广泛并有价值的工作领域。

据估计在欧洲有４２００余个钢筋桥梁更换价值高达３亿５千万欧元。

这就是为什么有好几个有关机器人监查的研究项目正在进行的原因，尤其是爬行机器人的开发。

正面的清洗处理和检查，加之对于室内和户外环境的巡检是应用的另一个重要领域。

２．　服务机器人的市场前景 上个世纪九十年代中期，服务机器人的潜在市场已得到广泛认知，因此国际机器人联合会（ＩＦＲ）　开始给出了服务机器人的定义，并进行年度市场调研。

根据这个计算方案，２０００年服务机器人的总数令人惊讶地达到了１０，４００台，而这还不包括家用机器人（真空吸尘器，自动除草机）。

预计２００４年将达到３０，０００个，同样没有包括家用机器人。

根据联合国欧洲经济委员会对于８０多个服务机器人的调查得出，制造厂商证实在服务机器人领域大部分公司提供的产品都是中小尺寸的，注重以创新为导向，并且与技术提供者如大学和研究机构有良好的合作关系。

预计随着信息技术的崛起，在这个领域崛起的公司的数量在不久的将来会有一个引人注目的增长。

这当然会导致日益栏目主持：王　伟 ７　８增长的未来产品的市场变化，欧洲将会成为美国和日本的有力竞争者。

虽然服务机器人设计的应用不同，但大体可以分为三类： ａ．为了适应制造业之外的应用对传统机器人进行改进，这种方法日益被机器人系统集成商追捧并用于开拓新市场。

比如，加油机器人，自动化的仓库储存或医疗机器人，其系统是由工业机器人的技术演变而来的。

ｂ．服务机器人如清洁、监视机器人通常都是现有专用机器改进而来。

这里机器生产者们利用先进的机器人技术得到他们高产出的自动化系统。

ｃ．设计师专门设计的市场需求量大的机器人（如家用电器机器人、娱乐机器人等）。

上图给出了除以上介绍的服务机器人的一些例子 ３．案例研究和开放式问题 接下来的我们将研究一些案例来分析服务机器人的应用潜力和可能存在的限制因素。

３．１　清洁机器人 随着移动机器人技术的出现，将手动操作的自动挖掘机 电子控制压实机 自动化打桩系统 砌墙机器人 完成混凝土地面磨平机器人 圆柱焊接机器人爬壁检查机器人 正面清洁机器人 外部巡检机器人栏目主持：王　伟清洁机器进行自动化改造是明显的应用目标。

第一个研究项目是开发自主清洁机器人，必须明确考虑最终用户的需求，同时几种原型样机和第一批商业自动清洗机器人的可靠性已经得到证明。

尽管在清洁服务产业中对这项技术的兴趣日益增长，但自动清洗机器人的市场可接受度（目前４４０１台）比预计的少。

l清洁机器人运用到日常工作中成为一个有效的解决方案必须考虑到与较低的劳动成本的比较的问题。

目前，为机器“智能化”而花１００００欧元的“成本障碍”，仍然是最重要的问题。

l清洗机的操作需要人来监督。

工人可以监督几台机器或是同时从事其它工作。

在任何情况下，高效率的机器人系统生产能力的提高都增加了收益。

这就意味着必须改变已经确定的操作方法和资格。

l取代了已有的机器，清洁机器人显然需要特殊的设计。

清洁机器制造商勉强的投资了先进的机器人技术，这使他们很难在短期得到巨大回报，但是在几年以后会逐渐得到收益。

３．２　机器人用于递送服务和物流 Ｅｎｇｅｌｂｅｒｇｅｒ发现一个专业护士以宝贵的耐心为代价，浪费在没有任何意义的递送行为上的工作时间高达３０％。

事实上简单的递送应该由护士们控制的自动系统来完成。

于是１９９３年第一台ＨｅｌｐＭａｔｅ递送机器人问世了。

它有以下几处特性： l工作成本比人力递送廉价； l完全自主；不依靠外部导航系统，如磁条或导线； l能够简单处理复杂的非结构化环境； l不用协助上下电梯； l操作界面简单；易于学习； l几乎不用修改设备就可以使用如无线电链路，进入电梯和控制门等。

l修改程序灵活简单。

Ｈｅｌｐ　Ｍａｔｅ一开始就被定义为移动机器人。

为公共利益服务、稳定的系统性能和好的思想一直贯穿于技术设计观念之中使它成为服务机器人的先驱。

八年以后在相关领域销售超过１００台，总使用时间超过三百万小时。

机器人应用的僵局至今未打破，主要有以下原因： l相对于人力成本还节约很少。

在医院其他可以降低成本的措施还很多。

l安装阶段（环境的调整，员工培训，对服务人员提供权限等），看似小事，需要十分努力才能完成。

l在医院有时复杂的决策过程需要将投资计划、员工守则、商业联盟结合起来考虑。

l对机器人生产商来说缺少直接进入保健业的方法和服务网络。

l对一个小公司（ＨｅｌｐＭａｔｅ机器人）来说，资金和人才的缺少导致租金和客户支持以及研发都非常有限。

现在，ＨｅｌｐＭａｔｅ是美国Ｐｙｘｉｓ公司旗下的一种产品，负责医疗系统的固定供应。

显然，其他公司（Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ和Ｓｉｅｍｅｎｓ）已经生产出与ＨｅｌｐＭａｔｅ类似的产品。

３．３　自动加油机器人 汽车自动加油的第一次努力要追溯到二十世纪五十年代，但是直到八十年代末才出现用于试验的加油机器人的原型（瑞典的Ａｕｔｏｆｉｌｌ）。

德国的主要自动化厂商和燃油公司出于以下原因开始研发一种机器人用于自动加油： l为驾驶者设计的方便设施减少了在加油站耽误的时间 l没有办法离开汽车的情况，这对残疾人尤其重要栏目主持：王　伟 ９　１０l 更高的加油率和降低的加油站的成本 l 未来汽车燃料如氢气、压缩天然气将逐渐扮演越来越重要的角色，将依靠复杂的并不适合自助式加油的加油技术。

可控制的、安全的自动化装备的实用性需要引入和开发。

第一个加油机器人原型出现于１９９６年，具有的典型特性如下： l 机器人在公共场合由未受过训练的消费者操作 l 驾驶者预知汽车相对终端的位置l 汽车的车门决不允许有障碍 l 机器人的工作范围必须能对着加油孔进行监控l 不可预见的汽车行为（抖动和突然启动） l 能够由机器人的柔顺性或快速解脱来解决最小限度地改变机箱和机盖问题 l 这个系统应该能够容忍限定范围内的野蛮操作。