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哈工大機器人研究所副所長李瑞峰:服務機器人發展現狀及智能人機交互技術

發布日期:2015-9-21 瀏覽次數:3934

導讀:服務機器人,很重要的一個定義就是服務于人類,“服務”這兩個字很關鍵,它的應用很廣泛,老齡化、助老助殘,包括家務需求、社區的需求,需求市場非常龐大,因為它面對的是千家萬戶,看哈工大機器人研究所副所長李瑞峰教授對服務機器人發展現狀及智能人機交互技術的解讀。

 

文章來源于李瑞峰教授在機器人論壇分享
非常高興來到這里和大家分享,下面的時間里我會就目前服務機器人國際國內的一些動態和技術趨勢結合在服務機器人方面的研究和大家進行探討。

隨著中國人口紅利的消失,機器人在制造業和工業領域大批量應用,包括現在非常熱的機器換人和自動化升級改造,服務機器人作為和工業機器人相對應的領域,在軍事、服務和娛樂各個領域都發揮著越來越重要的作用,也逐漸取代人類的一些工作。

過去服務機器人只是存在于科幻電影當中,未來我們也會在生活當中遇到形形色色、各種各樣的服務機器人。目前服務機器人的市場化程度和工業機器人相比還是處于起步階段,但隨著勞動力不足以及老齡化的影響,未來的市場會有一個很大的發展。

國際相關的組織也有一個報告,2012年服務機器人市場規模已經達到了兩百億美元,到了2017年,年增長率可能會達到17%,大概會達到四百六十億美金。中國有著巨大的市場,所以發展速度會更快。目前世界上有48個國家在發展機器人,其中25個國家已經涉足服務型機器人的開發,特別是在日本、北美和歐洲,市面上可以看到四十余款機器人。當然,這些發達國家在這個領域處于領先,就是以美國、德國、法國、日本和韓國作為代表。
現在國際上有一些比較有代表性的服務機器人產品,比如美國面向家庭養老陪護方面的機器人,還有日本開發出來的家務機器人以及與小孩進行教育溝通娛樂的機器人,可以說應用已經非常廣泛了。對于世界經濟增長的引擎我們有一個判斷,過去是從IT時代逐漸轉變成了RT時代,家庭機器人可能作為一個核心終端存在。

軍用特種機器人領域,隨著美國開發的偵查機器人和大狗機器人的出現,未來美國、德國和法國這些國家在軍事上對于服務機器人的采購量會有一個非常大的增長,這也是服務機器人市場增長的一個很大的方面。
人形服務機器人的發展可以在未來真正使人類的生活產生深刻變革,就是這種具有通用性的類人形機器人,就從大家對機器人的認識來說可能覺得人形機器人在外觀上和人更相近,我們也更容易接受,所以未來真正的機器人形態可能還是要朝著類人形態發展。

過去我們關注的都是一般的機電控制系統,包括進行動態和固態的行走,未來人形機器人可能會變成復雜的人機交互,不光是具有人的形狀,還要和人進行自然的溝通和交流,這是未來技術的發展。

對于面向消費級用戶來說,日本的機器人講究高性價比,就是價格平民化,讓大家都能夠接受,另外未來用到了大量的增值服務,從云計算、大數據來把網絡技術應用到機器人領域,使之具備持續的服務能力。

對于特種環境的航天機器人是需要一個高協作性,復雜的極端環境里面需要機器人和人有一個共同協作的配合,這種配合能力是我們的要求。高仿真機器人方面也是未來機器人發展的領域,國內也有很多領域在做這方面的研究,逼真度上從更接近人類的角度去做服務機器人,比如迎賓服務和娛樂影視方面未來會有比較大的發展。真正具有作業功能的機器人具有高柔韌性,就是人機協同合作的能力,面向不同的用戶、不同的環境,機器人的特點和要求也是不一樣的。
中國國內機器人的發展經歷了幾個階段,八十年代就已經出現了各種服務型機器人的雛形,九十年代是發展的中期,國家也有“863項目”的重點支持,現在就是巨大的市場需求牽引。

過去的機器人就是簡單的機械外形,更多的是在功能上面模仿人,現在外觀上需要更加友好,或者是具有仿人形的外觀,這也是現在設計技術的發展。

 

過去的機器人只能具備單一的服務,現在一個服務機器人可能具有多種功能。

 

過去機器人的市場化主要是清潔和教學方面,未來生活、娛樂、教育和醫療服務機器人都會走向市場。

 

過去的標準也是不統一的,這是目前困擾服務機器人最大的問題,大家做的系統語言和構件都是沒有標準的,這樣我們沒有通用性,制約了進行大規模的發展。

 

計算機技術之所以可以進行大規模發展就是因為標準化,我們做硬盤、CPU和鍵盤的各司其職,最后就以統一的標準接口接入,這個產業就可以做大,未來服務機器人肯定要進行標準化,就是從硬件系統、軟件系統到各個方面都會制定一系列的標準。

 

過去的研究主要也是集中在科研院所,目前隨著市場化的發展,越來越多的企業已經投入到了這個行業當中。


國家政策也把服務機器人作為重點支持,現在已經制定了國家的中長期發展計劃,把服務機器人列入未來十五年的重點發展技術。未來我們國家的家用服務機器人從吸塵機器人到教育機器人,再到其它各種形態的機器人都會出現,包括智能康復、智能可穿戴、玩具和醫療,隨著標準化的統一,一系列的核心控制器、傳感器、驅動器的企業都會大規模出現,這也是為未來整個產業化打下一個很好的基礎。

國產服務機器人有仿人形機器人、國家電網的巡檢機器人,還有去年比較火熱的送餐機器人,表現出來的特點就是技術的多樣性,既有復雜、高大上和技術要求比較高的,也有品種比較豐富的,只要能想到就會出現各式各樣的服務機器人,把各種技術集成起來就會推出一些好的服務機器人產品,所以從市場的開拓性方面還是有很大的空間,可以向不同的領域擴展。

教育機器人是過去十年當中服務機器人領域最成熟的行業,包括單元套間到功能部件,國內的一系列教育娛樂機器人通過競賽的牽引有了很大的發展?,F在中小學當中都有機器人的課程,所以也有一個普及,教育機器人基本上出現了模塊化,包括里面的部件驅動、傳感單元都已經做成了標準化的模塊,所以這樣便于學生進行組裝開發,有了一定的標準,但是還需要整個標準繼續的整合。

家用智能吸塵機器人是目前服務機器人當中市場成熟度最高的產品,現在的銷量也是占有服務機器人市場銷量最大的一個產品,但是從它的發展來說目前也出現了一些特點和問題。

首先是價格的低廉化,現在國產機器人是三個級別,一個是七百塊錢到七百九十八塊錢,還有就是一千塊錢和一千二百塊錢,國外的可以賣到四五千塊錢。

另外就是產品的山寨化,只要市場大就做,深圳做機器人的大大小小企業有四十多家,各種各樣的都能做,最后貼出來的商標不一定是誰的,但大家都會做這個東西。至于技術上的差異就很大了,我買來的七百塊錢的吸塵器可能就像沒頭蒼蠅一樣在屋里亂轉,有沒有吸塵就不知道了,還是需要加上一些慣性導航技術達到更先進的地面路徑規劃,至于成本已經做得很低了,能不能占領市場也是一個問題。

無人機現在是異軍突起,有些公司已經做到了六七十個億?,F在的特點首先是價格平民化,正是因為做到了三四千塊錢大家都可以當做一個玩具來買,這個市場的銷量就大起來了。產品也是娛樂化,汪峰求婚都用無人機送戒指。還有應用多樣化,現在從工業、農業和國防以及影視娛樂的拍照都用到了無人機,所以多種多樣的應用也促進了這個行業的大發展。
最近比較流行網絡機器人,百度的李彥宏剛剛發布了“度秘”,當然,現在主要還是網絡助理軟件的形態,以后可能也會推出真正的機器人形態,包括孫正義的這種小型機器人,就是發展迅猛市場推廣能力強,因為走的是IT行業的路線,所以有著非常強大的市場網絡推廣能力。實體功能都比較簡單,基本上就是一個網絡攝像頭,因為他們有資金和原有的網絡技術支持,也會促進網絡機器人未來有一個非常大的發展。
哈工大對于服務機器人也是做了很多年,目前有迎賓導游、娛樂游戲、安防巡邏,這些機器人的形態不一樣,應用的場景也不一樣,主要含的技術包括人機交互、移動規劃和作業,還有安全探測等等技術和產品。特種機器人方面我們有軍用危險的作業機器人,還有可穿戴的機器人和醫療機器人。哈工大機器人產業集團今年成立以后也推出了一些機器人,包括掃地機器人、迎賓機器人和餐廳機器人。這些看著都比較熱,所以大家都想從中分得一杯羹。
剛才講的是現狀的概況,未來服務機器人的發展趨勢到底是什么?
新一代機器人需要給到一個重新的定義,過去我們是把機器人作為一個奴仆,你讓它干啥它就干啥,這種關系要逐漸變成一種合作者,因為它要在生活當中跟你共存。

作為一個合作者,我們需要有機器人和人互相的感知和交互,機器人要感知人、理解人、幫助人,人也是一樣,我們把這種關系進行一個重新的定義。我們要求服務機器人更加智能,要有視覺交互,人最大的能力就是視覺。

通過視覺看到的東西怎么再進行視覺交互?還要進行自學習和主動學習。還有就是更加魯棒的控制系統,目前之所以不能進行很好的應用就是因為你的服務能力不可靠,稍微復雜一點就會出問題,說明它的任務可執行力不強。

面向現在的技術發展,根據大數據、云計算和無處不在的網絡,韓國到處都是無線接入,現在我們到哪里還得加上一個密碼,所以也制約了服務機器人的發展。
服務機器人要想成為一個伙伴,我們要能夠自然交流,可以可靠地服務,最后達到人機協作。

實現這三個部分的功能無非就是底下的這些技術,包括人機交互、定位導航、路徑規劃、比較強大的能源、仿人形的結構。這里的技術很多,我們也在人機交互方面做了一些研究。我們人與人之間是通過聽、看和感覺這幾種感知能力對外界進行感知,得到以后我們進行、推理和思維,最后變成我們的行為,得到一個可控的交流和互動。

機器人要想具備人這樣的能力也是一樣,需要通過聲音識別、表情識別和環境感知才能具備一種很好的交互能力。機器人就是通過這些傳感器達到對人的交互,人把機器人表達主要的東西通過喇叭和表情展現出來,所以是一個互動的過程。
首先講一講針對視覺的人機交互,這是針對視覺的情感、理解。對于一個人來說最主觀的就是看臉部表情,今天看老板高不高興直接一看臉色就知道了,高興就多說幾句,不高興就躲得遠一點。

未來機器人也要理解人的感情,涉及到對人臉識別的技術。當然,我們也有一些具體的方法,包括特征提取和分類,國外也有,我們自己也在做。做完以后達到了什么結果呢?對于七種表情的識別率可以達到百分之八十,當然,這種表情還是比較夸張的,高興和發怒的時候是完全不一樣的,但人在自然的交流過程當中不可能這么夸張,人的表情是很微妙的,過去我們說皮笑肉不笑,到底是笑還是沒笑其實也分辨不出來,這個過程需要進行一些更加復雜的特征,這些技術就是未來交流的過程當中需要實時了解情緒的變化。

 

 

剛才我們講的是對于表情的理解,實際上人最直接的是手勢,通過一些手勢也可以達到很多的命令,我們可以通過幾個手勢的形狀,不同的手勢從不同的方向可以構成很多的動作指令。

因為語言有的時候會有一些識別的困難,通過一個手勢就知道具體的任務,不同的手勢有幾十種,這樣可以找到比較容易記憶的手勢,然后就可以進行交互。更加復雜的就是人體姿態,無論是在跑、跳還是摔倒,我們看到的就是整個人體的姿態,對于人體姿態的研究也是監控和跟蹤,包括實時監控,這種狀況到底是良好還是異常,你的動作我也可以模仿。

目前我們是通過把動作序列和時間序列分開,可以達到一個很好的識別,也可以進行最后人體特征的讀取。這里有些動作比較明顯的識別率就比較高,但單腿跳和跳躍到底是哪一種可能就有些區分不開,也會產生一些誤差,肢體動作就相對更加復雜。

語音識別主要是和科大訊飛通過云計算平臺進行合作,把人的語音進行提取以后在云計算里面進行處理,最后通過客戶端進行反饋,形成一個可以實時交流的東西。
最后就是基于肌電信號的人機交互技術,我們在交互的過程當中不光是動作,肌肉的硬度也是很重要的,所以在人體技術傳遞和研究當中也是非常重要的方面,我們模仿人的肌肉的調節機理,這樣可以達到更好的效果,人體肌肉的松緊程度也都冷卻體現出來。

未來我們是提供一種多種的交互方式,包括語音、肢體動作、面部特征,綜合起來就可以達到一個很好的人機交互。
服務機器人的技術是網絡化、云計算、大數據,智能思維以及決策,從單一功能向多功能發展,從單一的輸入輸出向多方式交互發展。

目前服務機器人表現出來的特點是無所不知,因為后面連接著云計算和網絡,什么都可以百度一下。因為WiFi以后可以達到互聯互通,無所不能是我們對它的期望,希望能夠像人們想象的在科幻片當中做到無所不能,當然,它不能無法無天,大家會擔心未來機器人會不會對人類進行傷害甚至統治人類,為了避免這種情況我們就要制定一些規則,比如過去的“機器人三原則”,以后還有可能制定法律讓機器人來遵守,這些在未來都是有可能做到的。

 

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