深度解讀美國服務(wù)機器人技術(shù)路線圖

　　服務(wù)機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，未來三年內(nèi)，服務(wù)機器人市場規(guī)模將達到目前的5倍。正是基于廣闊的市場前景，美國國家科學(xué)基金會頒布了《美國機器人技術(shù)路線圖》，其中服務(wù)機器人作為單獨的一章重點論述。知己知彼，了解美國服務(wù)機器人發(fā)展動向，可更好地幫助我們與時俱進。

　　上期，我們刊發(fā)了《美國服務(wù)機器人技術(shù)路線圖（上）》，從美國服務(wù)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀、戰(zhàn)略布局、面臨的挑戰(zhàn)等方面，詳細梳理了服務(wù)機器人在美國以及全球發(fā)展的路徑。本期我們進一步深入，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，你會對美國在服務(wù)機器人領(lǐng)域的規(guī)劃，形成全方位的認識。

　　主要的挑戰(zhàn)與能力

　　范例場景

　　● 生活品質(zhì)

　　機器人技術(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，一種革命性的輸運移動解決方案能夠讓使用輪椅的殘疾人士獨立的進出車輛 。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立和自由度。這種系統(tǒng)提供了超過現(xiàn)有輸運移動解決方案的顯著優(yōu)點，包括更低的成本，使用標準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)進行改裝。

　　● 農(nóng)業(yè)

　　在農(nóng)業(yè)中，機器人技術(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。機械收割機和其他農(nóng)業(yè)機械需要專業(yè)駕駛員進行有效工作，同時，諸如勞動力成本和操作疲勞等因素增加了農(nóng)業(yè)成本，限制了這些機器的生產(chǎn)率。自動化操作，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)就可以進行商業(yè)化開發(fā)及使用的程度。

　　● 基礎(chǔ)設(shè)施

　　機器人技術(shù)擁有巨大的潛力，可用于自動化檢測和保養(yǎng)整個國家的橋梁、高速公路、管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施。當前，通過提供準確詳細的管道狀態(tài)信息，機器人技術(shù)已經(jīng)用于開發(fā)自動管道檢測系統(tǒng)，減少維護和復(fù)原成本?；诟呒壎鄠鞲衅骱推渌麢C器人技術(shù)的系統(tǒng)，用于檢測地下建筑和環(huán)境。實現(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。這些機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，同時用于未來的檢測，并自動計算缺陷部位隨時間演化的過程。

　　● 礦業(yè)

　　機器人技術(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)使用在幾個地下煤礦中。專用保護系統(tǒng)用以減少由于皮帶連接處碎裂，導(dǎo)致耗費巨大的停工期。在更大的尺度上，機器人技術(shù)被用于開發(fā)礦山用自主運輸卡車。Caterpillar公司在2015年前開發(fā)一種自主礦山用運輸系統(tǒng)，整合了數(shù)臺自主運輸卡車，每臺卡車運載能力在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與提高生產(chǎn)率，同時將環(huán)境影響降到最小，最終提高效率，提升整體礦業(yè)的安全。

　　● 運輸

　　機器人技術(shù)將在未來幾十年之內(nèi)顯著影響客運和貨運的各個方面，從個人運輸系統(tǒng)到智能高速公路，再到智能公共輸運系統(tǒng)。類似 Segway和Toyota這樣的公司已經(jīng)引入個人輸運系統(tǒng)機器人，乘員以站姿騎乘這類機器人，持續(xù)監(jiān)測乘員位置的內(nèi)部傳感器控制機器人的運動，并作出自動調(diào)整。同時，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算機和傳感器，為乘員提供更好的環(huán)境感知和駕駛感受。

　　內(nèi)華達州和佛羅里達州已經(jīng)通過法律，允許了無人車輛的使用。在內(nèi)華達州，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?7億駕駛小時延誤，以及23億加侖燃料的浪費。

　　為了解決這個問題，高速公路管理局嘗試通過安裝傳感器、攝像頭和自動收費讀卡器，嘗試創(chuàng)造智能道路。一個公私聯(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)，同時解決交通堵塞問題。大眾運輸系統(tǒng)也希望采用機器人技術(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，機器人技術(shù)將有助于控制運輸成本、增加運輸安全。

　　● 教育

　　機器人已經(jīng)開始改變美國的課堂。機器人把學(xué)術(shù)的概念植入課堂中，同時在所有K-12和大學(xué)教育中使用。機器人提供給學(xué)生可以接受的集成手段，調(diào)查數(shù)學(xué)、物理、計算機和其他STEM學(xué)科的基本概念，同時使教師能夠同時介紹設(shè)計、創(chuàng)新、問題解決和團隊的概念。機器人課程已經(jīng)發(fā)展起來，教師也已經(jīng)通過培訓(xùn)。每年，全國范圍的機器人比賽成績都會被保存。大概最知名的機器人競賽項目就是由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)。作為一種衡量機器人比賽普及程度的指標，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)取得了很大進步，但當前的進步也只是機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)

　　當機器人技術(shù)用于國土安全和防衛(wèi)時，它作為一項創(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，同時調(diào)查邊境、電廠和機場的廣闊周圍環(huán)境。這樣的系統(tǒng)能使安保人員自動檢測潛在危險，從安全距離外觀察危險物，有必要的話可以提供初始的破壞和封鎖危險物存放地。其他裝備紅外攝像機、夜視傳感器和毫米波雷達的便攜機器人已經(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)的進步，將促進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)域中的進展。

　　為了使服務(wù)機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。只有當自主機器人同時具有相當一部分技術(shù)能力時，這些應(yīng)用領(lǐng)域才算是取得了重要進步。這些能力被列在圖片的中欄。為了達到機器人技術(shù)所要求的水平，在一系列基礎(chǔ)研究和技術(shù)方面，都需要進行持續(xù)的投入研究和發(fā)展。

　　● 移動和操作

　　自主服務(wù)機器人通過在他們的工作環(huán)境中運動、并與環(huán)境相互作用來完成任務(wù)。這些運動和物理作用，需要通過改變機器人的位置和在環(huán)境中的移動來實現(xiàn)。任務(wù)的完成很可能需要復(fù)雜的運動和交互程序：機器人可能需要從一個房間移動到另一個房間，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，需要機器人技術(shù)在傳感、控制和認知方面的大量實質(zhì)性進步。服務(wù)機器人帶來的問題只能通過綜合方案解決。

　　機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)境中機器人不得不越過的其他目標。為了推動箱子（或者舉起它），機器人需要估算自己的能力，空間的幾何關(guān)系，驅(qū)動和關(guān)節(jié)的約束，以及運動過程中接觸的動力學(xué)和摩擦。

　　為了得到自己的動作和運動的程序運行方式，機器人需要熟悉它的周圍環(huán)境，因為并不是所有所需的信息都能被提供。因此，機器人運行在非結(jié)構(gòu)化和動態(tài)的環(huán)境時，需要具有在環(huán)境中感知對象和計算其屬性的能力。“語義映射”，為機器人提供了完成一個任務(wù)所需的環(huán)境。目標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，下面的目標可能實現(xiàn)：

　　·5年：機器人在實驗室中利用多樣化的研究機制，在非結(jié)構(gòu)化的二維環(huán)境中安全和穩(wěn)定地導(dǎo)航，實現(xiàn)簡單地選取和放置任務(wù)，相關(guān)的目標為簡單的機構(gòu)且具有特定的屬性。機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，從而進入其他的目標。

　　·10年：給出一個環(huán)境靜態(tài)部分的大概和可能的不完全模型（可能給出一個互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫等），服務(wù)機器人能夠可靠地規(guī)劃執(zhí)行一個任務(wù)。定向運動機器人能建立起對環(huán)境的深度感知，構(gòu)建自己物理動作和理解指令。機器人通過上下樓梯完成對多層環(huán)境的導(dǎo)航，也會通過修改環(huán)境增加實現(xiàn)任務(wù)的機會 （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)機器人必須使多個流動結(jié)構(gòu)，比如腿、跟蹤設(shè)備和輪子，在全新的、非結(jié)構(gòu)化的動態(tài)環(huán)境中執(zhí)行高速的沒有沖突的移動操作。

　　·15年：包括多個運動機構(gòu)如腿、軌道和車輪的服務(wù)機器人，在新的非結(jié)構(gòu)化的動態(tài)環(huán)境中執(zhí)行高速、無碰撞的移動操作。它們對自身環(huán)境進行適當?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)劃以實現(xiàn)全局目標。它們能夠?qū)討B(tài)變化做出強有力的反應(yīng)（例如，由于被推或被擠的意外擾動）。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)進行修正，以確保和促進其任務(wù)完成。其中包括機器人間的、接觸目標間以及環(huán)境的靜態(tài)部分間相互作用的物理屬性（滑動、推、扔等）的推理。

　　● 真實世界規(guī)劃與導(dǎo)航

　　2009年以來，服務(wù)機器人真實世界規(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)展仍然在美國機器人路線圖報告中。當時的關(guān)注重點是在高度非結(jié)構(gòu)化情況下，利用有限的經(jīng)驗知識，對空間和障礙物導(dǎo)航。機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，額外的傳感信息將被用于反饋，甚至用于小數(shù)量機器人在實驗室環(huán)境下進行非實時規(guī)劃和控制。

　　自主移動服務(wù)機器人在后勤和醫(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)有了進展。自從2009 年以來，最顯著的變化就發(fā)生在能夠?qū)崟r規(guī)劃和控制的大型車隊的服務(wù)機器人應(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，同時服務(wù)機器人在解決真實世界問題上更具有價值。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)計進程，并對利益相關(guān)者進行嚴格評估。在這一進程中的用戶調(diào)查，可能會包括早期設(shè)計過程中具有針對性的健康人群，也會包括由此形成的設(shè)計迭代評估，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現(xiàn)自然交流，使環(huán)境與健康應(yīng)用的聯(lián)系真實有效，并研發(fā)出對輸入到機器人系統(tǒng)中的實時量測信息進行在線評估和學(xué)習(xí)的方法。

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

　　·實時導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃的速度，在每小時10^4到10^5個任務(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)多個機器人的任務(wù)，來完成其同步。

　　·任務(wù)，包括感知和操作目標來完成先驗知識的任務(wù)。當機器人到達當?shù)貓鼍皶r，通過傳感信息進行任務(wù)描述增強。

　　·重新規(guī)劃動態(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)中對于實時性能指標和程度結(jié)構(gòu)的描述，目前的路線圖設(shè)想推動右上的極限，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：

　　·隨機規(guī)劃——針對不確定模型，考慮一個確定的計劃和控制問題。一個使用已提出的規(guī)劃和控制策略系統(tǒng)的仿真，只有在仿真代表了真實世界的前提下才有效。真實世界的現(xiàn)場實驗，將揭示仿真的需要，以更好地模擬真實世界。如以統(tǒng)計的參數(shù)數(shù)據(jù)代替常數(shù)，增加新的動態(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。一個現(xiàn)實中真正強大的策劃者，將能夠利用統(tǒng)計知識的優(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，機器人將能夠根據(jù)內(nèi)置的不確定性進行操作。

　　·當前模型自動檢測的有效性——在未來5~10年，機器人有望工作更長時間。在高度動態(tài)環(huán)境下，統(tǒng)計模型規(guī)劃的時間，可能不能正確地表征隨時間變化的環(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年的目標是，機器人在執(zhí)行計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)計模型為基礎(chǔ)，自主決定何時以及如何進行規(guī)劃。我們的發(fā)展目標是，構(gòu)建能夠生成和更新的系統(tǒng)，能夠長時間不間斷、不松散地進行監(jiān)督工作。

　　·模仿和轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)——應(yīng)用在車隊的服務(wù)業(yè)機器人，可以將固有的知識積累、錯誤庫、不確定性侵入的方式要求頻繁而對任務(wù)進行重新規(guī)劃。即使每一類重新規(guī)劃的發(fā)生率很低，我們?nèi)詴吹竭@些問題會再次出現(xiàn)。學(xué)習(xí)是解決掉每個重新規(guī)劃問題的另一種選擇。它應(yīng)該能夠知道以前出現(xiàn)的錯誤，更重要的是它也能證明重新規(guī)劃的有效性。一個10年的目標，是將傳統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)和可靠性機器學(xué)習(xí)方法結(jié)合起來，以實時條件下重新認識之前發(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)事件時執(zhí)行復(fù)雜動作序列的能力是必要的。在未來 5~10年，機器人應(yīng)該能夠?qū)⑺麄兊囊?guī)劃貢獻給當?shù)氐闹R庫，并與其它機器人共享。這樣可以有效地確定計劃，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器人計劃，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）。這種情況將會在不久將來，伴隨著普通機場引入無人機而改變。作為比較，以目前的邏輯和醫(yī)療飛行隊設(shè)備，監(jiān)控人員可展示系統(tǒng)當前的狀態(tài)，同時可以處理相當有限的傳感器數(shù)據(jù)。但是，當飛行器的數(shù)量達到1000~10000時，以及每小時10000~100000次的交互量，監(jiān)控人員就已達到極限。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機器人的規(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。這個領(lǐng)域的進步可以通過一個扇形圖量度，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)控自動調(diào)節(jié)。

　　● 認知能力

　　在服務(wù)機器人學(xué)中，有以下一種需要：在非工程環(huán)境下運行，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)報告，認知系統(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)練將來動作的新技能。對于經(jīng)常性的人機交互，以及幾乎沒有機會對使用者訓(xùn)練的控制發(fā)展，認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，下面的目標在目前的研究和發(fā)展條件下是可能達到的：

　　·5年：證明機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)雜的裝配和動作。機器人有一個裝置，可以從簡單的錯誤中自行恢復(fù)。

　　·15年：一個機器人伙伴，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。這種人機交互，基于對人類固有的認知和重新規(guī)劃來幫助操作者。

　　● 可靠性感知

　　由于服務(wù)機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)、目標的認知和語意學(xué)的情景理解。我們需要改進算法，來超越認識和幾何學(xué)到達任務(wù)相關(guān)的特征實體，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、人和對象的交互、來自環(huán)境的物理實體的限制等。這些都是先進機器人能力發(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)展情況下是可能達到的：

　　·5年：感知算法應(yīng)當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，并且能夠認識、指出搜索數(shù)中混亂環(huán)境下的數(shù)百個操作對象。

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

　　·15年：證明一個機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、人機交互，以及和其他新奇的事物交互。未來的焦點是實現(xiàn)機器人長時間在復(fù)雜、動態(tài)的環(huán)境下工作，同時實現(xiàn)人機交互模式下機器人的感覺能力。

　　● 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;控制機器人的命令接口。物理接口，包括移動物體的機體運動和非接觸互動，比如通過傳達意圖和狀態(tài)來改變行為。命令接口，對于任務(wù)調(diào)度和狀態(tài)報告則是必須的，以便讓用戶理解機器人的行為。

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

　　·5年：證明用于簡單的動作模式的多態(tài)會話，可以促進任務(wù)命令更加有效，機器人可以傳達身體動作的意圖。

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

　　·15年：能夠證明，在當前一個任務(wù)時序里，操作者可以設(shè)計機器人來完成復(fù)雜的任務(wù)。

　　● 技能獲得

　　服務(wù)型機器人必須通過持續(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器人已經(jīng)擁有的技能;通過不斷地訓(xùn)練或在錯誤中獲得;通過觀察人和其他機器人的運動獲得;通過人或者機器人指示器進行教授。然而技能的取得，還要求機器人能夠辨別在何種場景下運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。從一個領(lǐng)域向另一個領(lǐng)域傳遞技能的能力，或者從一個技能向另一個技能傳遞經(jīng)驗的能力，意味著機器人在獲得能力方面有本質(zhì)的提高。在感覺、重現(xiàn)、機器學(xué)習(xí)、計劃、控制、行為識別和其他相關(guān)領(lǐng)域的提高，可以促進機器人提高學(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，可以達到下面的目標：

　　·5年：機器人可以通過觀察、嘗試、糾錯、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)得能力有細微不同的情況下。 在情況有細微差別時，通過初始設(shè)置，機器人可以自動表現(xiàn)對已學(xué)技能的適應(yīng)性。

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

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

　　● 安全機器人

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

　　因此，這就需要考慮標準的安全認證。現(xiàn)在，不論是專業(yè)機器人還是個人機器人，安全認證的標準都不充分。這些并不足以驅(qū)動創(chuàng)新，減緩了推廣的步伐，同時又提高了成本。

　　從技術(shù)層面來說，安全涉及多個方面內(nèi)容，包括對先進感知能力的需求，并用于檢測物體，人和語言。當面對可能危險的場景時，通過控制系統(tǒng)中的固化安全行為機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)標準，獨立的認證和違責風(fēng)險。這就需要提高非科技的因素。比如已存在的專業(yè)機器人和個人機器人標準，進而向利益相關(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，下面的目標很有可能達到：

　　·5年：

　　1. 針對所有類別的服務(wù)機器人安全標準已經(jīng)被定義，并被廣泛接受。

　　2. 固有安全（硬件和軟件）專業(yè)的移動機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、實驗室、工廠車間、倉庫等）。

　　3. 固有（硬件和軟件）個人移動機器人，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. 個人基本操作系統(tǒng)有了安全標準實施的第一個版本。

　　·10年：

　　1. 固有安全（硬件和軟件）專業(yè)移動機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）個人移動機器人，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：

　　固有安全移動機器人，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

　　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。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，比如人機交互（HRI），很少有一個共同的模型協(xié)議。在過去幾年中，認知系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)嘗試研究這一問題，但目前為止，尚沒有一個統(tǒng)一的模型。

　　對于機器人系統(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)計的架構(gòu)框架是很有必要的。適當?shù)募軜?gòu)框架在本質(zhì)上依賴于任務(wù)應(yīng)用程序域，機器人或者各種其他因素。任一上述框架，都與一組適當?shù)年愂霾东@環(huán)境和包括其中的對象的影響緊密相連，比如機器人性能、域名信息以及機器人任務(wù)的描述。

　　控制和規(guī)劃

　　由于服務(wù)機器人需要動態(tài)解決現(xiàn)實世界中的問題，無組織的開放環(huán)境的出現(xiàn)是在機器人控制算法和運行規(guī)劃等領(lǐng)域的新奇挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)源于機器人的動作和任務(wù)執(zhí)行中的自主權(quán)和靈活性需求的增加?？刂坪瓦\動規(guī)劃的充分算法，將捕獲適應(yīng)傳感器反饋的高層次的運動策略。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動策略能力的發(fā)展;受約束的運動，產(chǎn)生于運動學(xué)、動力學(xué)和非完整系統(tǒng);解決動態(tài)環(huán)境下的對象特性; 為混合動力系統(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動規(guī)劃中的復(fù)雜性。

　　認知能力

　　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)的使用和打開機器人軟件框架，已取得巨大的進步。

　　雖然如此，常見的無GPS環(huán)境中的定位和規(guī)劃，仍然是一個重要的研究領(lǐng)域。此外，我們已經(jīng)在圖像識別與擴展大型數(shù)據(jù)庫方面，取得了巨大進步。在未來，將有大量的機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，且將在機器人技術(shù)中扮演重要角色。在新的映射方法上、促進捕獲新型對象、對象的分類和基于超越實例的識別和靈活的用戶界面設(shè)計上，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，我們將會需要新型的傳感器，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)健運行。這就需要魯棒控制的新方法，但更重要的是提供強大的數(shù)據(jù)傳感器，以適應(yīng)顯著的動態(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，將成為未來機器人發(fā)展的關(guān)鍵方面。

　　新型機構(gòu)與高性能執(zhí)行器

　　在機械裝置、制動和依據(jù)函數(shù)使用的算法復(fù)雜性的發(fā)展之間，存在錯綜復(fù)雜的相互作用。一些算法問題的解決方案，可能會極大地促進智能機械設(shè)計。因此，機械設(shè)計和高性能驅(qū)動器的發(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，取得突破性進展。重要的研究領(lǐng)域包括機械設(shè)計、開發(fā)符合合規(guī)性和可變性、高度靈巧的機械手、節(jié)能性、安全性、高性能驅(qū)動器、高效能動態(tài)步行者等等。

　　專家特別感興趣的是“智能”的機構(gòu)設(shè)計。通過它們的設(shè)計，機構(gòu)設(shè)計可以歸入一個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)定機構(gòu)，或是不需要顯式控制就可以實現(xiàn)形封閉的特殊的機械手。

　　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)的進步和應(yīng)用。服務(wù)機器人控制著復(fù)雜的環(huán)境，處在一種高維的狀態(tài)空間中。關(guān)于環(huán)境和機器人狀態(tài)的知識，實質(zhì)上是不確定的。機器人的動作往往是隨機性的，其結(jié)果可以用分散性來描述。許多決定機器人動作結(jié)果的現(xiàn)象很難，甚至不可能建模。機器學(xué)習(xí)技術(shù)，提供了一個有前途的工具來解決上述困難。這些技術(shù)可以用于機器人任務(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)性時空陳述，可以加快機器人學(xué)習(xí)與適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。

　　物理上的人機交互

　　普遍存在于工業(yè)機器人領(lǐng)域的安全壁壘已逐漸消除，機器人將更大程度與人類合作，執(zhí)行任務(wù)和示范編程。作為這項工作的一部分，機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，另一個需要考慮的因素是如何設(shè)計這些機器人的交互模式，使之能很自然地被用戶感知。這涵蓋了各個方面的交互，從機器人直接的物理運動，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)計和控制之間的相互作用，以優(yōu)化其功能。

　　社交交互機器人

　　對于機器人與人交互，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。當前社會交互模型包括手勢、語音/聲音、身體運動/姿態(tài)及物理位置。將技能和人類試圖解釋的現(xiàn)有和新的活動任務(wù)模型結(jié)合起來。在服務(wù)機器人領(lǐng)域，對社交互動都具有廣泛需求。