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第5章 生活助手—服务机器人

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,其应用的范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

国际机器人联合会给服务机器人下的定义是:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类健康的服务工作,但不包括从事生产的设备。

除割草机器人外,世界装备的服务机器人几乎都是行业用的机器人。这些专用机器人的主要应用领域有:医用机器人、多用途移动机器人平台及清洁机器人。

从需求及设备和现有的技术水平方面来看,残疾人用的机器人还没有达到人们预期的目标。未来10年,助残机器人肯定会成为服务机器人中一个关键的领域,许多重要的研究机构正在集中力量开发这类机器人。

就服务机器人的总体来看,普及方面的主要困难一个是价格问题,另一个是用户对机器人的益处、效率及可靠性不十分了解。

1.方便快捷—医用机器人

医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。

目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。

其中运送药品的机器人可代替护士送饭、送病例和化验单等,较为著名的有美国TRC公司的“Help Mate”机器人。

移动病人机器人主要帮助护士移动或运送瘫痪和行动不便的病人,如英国的“PAM”机器人。

临床医疗用机器人包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人,可以进行精确的外科手术或诊断,如日本的“WAPRU-4”胸部肿瘤诊断机器人。

为残疾人服务的机器人,可以帮助残疾人恢复独立生活的能力,如美国的Prab Command系统。

恩格尔伯格创建的TRC公司第一个服务机器人产品就是医院用的“护士助手”机器人,它于1985年开始研制,1990年开始出售,目前已在世界各国几十家医院投入使用。

“护士助手”是自主式机器人,它不需要有线制导,也不需要事先作计划,一旦编好程序,它随时可以完成以下各项任务:运送医疗器材和设备,为病人送饭,送病历、报表及信件,运送药品、运送试验样品及试验结果,在医院内部送邮件及包裹。

这种机器人由行走部分、行驶控制器及大量的传感器组成。机器人可以在医院中自由行动,其内部装有医院的建筑物地图,在确定目的地后机器人利用航线推算法自主地沿走廊导航,由结构光视觉传感器及全方位超声波传感器可以探测静止或运动物体,并对航线进行修正。它的全方位触觉传感器保证机器人不会与人和物相碰。车轮上的编码器测量它行驶过的距离。

在走廊中,机器人利用墙角确定自己的位置,而在病房等较大的空间时,它可利用天花板上的反射带,通过向上观察的传感器帮助定位,需要时它还可以开门。在多层建筑物中,它可以给载人电梯打电话,并进入电梯到所要到的楼层。紧急情况下,例如某一外科医生及其病人使用电梯时,机器人可以停下来,让开路,2分钟后它重新启动继续前进。通过“护士助手”上的菜单可以选择多个目的地,机器人有较大的荧光屏及用户友好的音响装置,用户使用起来迅捷方便。

2.实用灵活—康复机器人

“Handy1”康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统,现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。许多发达国家都采用了这种机器人。

目前正在生产的机器人能完成3种功能,是由3种可以拆卸的滑动托盘来分别实现的,它们是吃饭/喝水托盘,洗脸/刮脸/刷牙托盘以及化妆托盘,它们可以根据用户的不同要求提供相应的服务。由于不同的用户要求不同,他们可能会要求增加或者去掉某种托盘,以适应他们身体残疾的情况,因而灵活地生产可更换的托盘是很重要的。

康复机器人具有一种新颖的输入/输出板,它可以插入PC104控制器,且具有以下能力:话音识别、语音合成、传感器的输入、手柄控制以及步进电机的输入等。

可更换的组件式托盘装在Handy1的滑车上,通过一个16脚的插座,从内部连接到机器人的底座中。目前该系统可以识别15种不同的托盘。通过机器人关节中电位计的反馈,启动后它可以自动进行比较。另外它还装有简单的查错程序。

Handy1具有通话的能力,它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息,所提供的信息可以是简单的操作指令及有益的指示,并可以用任何一种欧洲语言讲出来。这种装置可以大大提高Handy1方便用户的能力,而且有助于突破语言的障碍。

以进食为例,Handy1的工作过程是这样的:在Handy1的托盘部分装有一个光扫描系统,它使用户能够从餐盘的任何部分选择食物。

简而言之,一旦系统通电,餐盘中的事物就被分配到若干格中,共有7束光线在餐盘的后面从左向右扫描。用户只用等到光线扫到他想吃的食物的那一格的后面时,就可以按下单一的开关,启动Handy1.

机器人前进到餐盘中所选中的部分,盛出一满勺食物送到用户的嘴里。用户可以按照自己希望的速度盛取食物,这一过程可以重复进行,直到盘子空了为止。机器人上的计算机始终跟踪盘子中被选中食物的地方,并自动控制扫描系统越过空了的地方。利用托盘上的第8束光线,用户在吃饭时可以够得到任何地方的饮料。

Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引力。该系统为有特殊需求的人们提供了较大的自主性,使他们增加了融入到“正常”环境中的机会。

3.高大威猛—清洁机器人

“清洗巨人”—清洁机器人是用来清洗飞机的。它的机械臂向上可伸33米高,向外可伸27米远。它可以清洗任何类型的飞机,有时它甚至可以越过一架停着的飞机去清洗另一架飞机。

尽管世界各航空公司的竞争非常激烈,它们不断装备最新的客运飞机,但飞机的清洗工作仍然是老样子,还是由人拿着长把刷子,千方百计地擦去飞机上的尘土和污物,这是一项费时又费力的工作。

为了在竞争中立于不败之地,德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司等经过近5年的开发,研制成了“清洗巨人”。目前清洗巨人已在德国法兰克福机场上岗工作。

“清洗巨人”利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗。利用微机对航空公司的整个机队的飞机外形进行编程,清洗时先将飞机的机型数据输入计算机。工作时,两台机器人位于飞机的两侧,在机翼与飞机头部(或尾部)的中间,利用装在旋转结构上的专用激光摄像机确定精确的工作位置。传感器得到飞机的三维轮廓,并将此信息送往计算机进行处理,计算机将机器人当前的位置与所存储的飞机的数据模型进行比较,并由当前的位置计算出机器人的坐标。

机器人概略定位后,利用液压马达将支撑脚放出,使机器人站稳脚跟。然后进行精确定位。经操作人员同意,机器人开始清洗。

使用“清洗巨人”不仅减轻了工人的劳动强度,而且大大提高了工作效率。例如,人工清洗一架波音747飞机需要95个工时,飞机在地面须停留9个小时,而机器人清洗仅需12个工时,飞机在地面仅需停留3小时。这样,就大大缩短了飞机的地面停留时间,增加了飞行时间,提高了经济效益。

4.一机多能—家政服务机器人

家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人,它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。

所说的感知装置将在家庭居住环境内感知到的信息传送给控制装置,控制装置指令执行装置做出响应,并进行防盗监测、安全检查、清洁卫生、物品搬运、家电控制,以及家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、家用统计等工作。

一种家政服务机器人,其特征包括:

用于移动的行进装置由2个直流伺服电机、2个减速箱、2个驱动轮、2个导向轮、1个直流伺服电机驱动电路构成。

感知装置在家庭居住环境内感知到一项或多项如下信息:拍摄到周围的人脸、识别出说话的声音、检测到周围的障碍、测量出到指定位置的距离、检测出室内的温度、检测出火灾、检测出易燃气体、检测出时间、检测出是否碰撞到其他物品、检测出人体体温、辨识出方向。

执行装置完成一项或多项如下工作:防盗监测、安全检查、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、开支管理。

发送装置通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出指令到执行装置,以及发送防盗监测、安全检查、病况监视信息,通知在外的家人。

接收装置的接收通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出的信号,并送给控制装置。

控制装置对接收到的信号和所述感知装置感知到的信息进行综合分析处理,发出指令控制所述执行装置完成相应的工作。

交互装置通过触模屏、液晶显示器、小键盘来与用户相互交流,并且显示所述家政服务机器人的工作状态。

存储装置存储所述感知装置感知的信息以及所述其他装置产生的相关数据的硬盘存储器。

家庭帮手—吸尘机器人

吸尘机器人又称自动吸尘器或智能吸尘器,它是目前家用电器领域最具挑战性的热门研发课题,但是难度极大。

作为一种令人满意的智能吸尘机器人,它应当具有能自动并彻底清洁家庭或办公室中它能走得到的地面的功能—不需要人弯着腰操作;不需要人拖着电线移来移去;不需要人将它拆开后把累积在内部的垃圾倾倒出来;不需要人在旁边忍受它的噪音,需要的只是人们一次性设定它的工作方式:一次性工作还是每天工作一次、还是隔天工作、还是三天或隔几天工作一次,每次工作在什么时刻,其余人们便不用管它(当然人们也可把它当作普通吸尘器使用—插上导管清洁如床或茶几底下等它走不进的地方)。

另外它还要能自动充电、自动把内部垃圾传送到一个大容量垃圾箱中去。同时它还很安全:不会有触电危险、不会撞坏东西、不会被撞坏、不会跌落至楼梯下、也不会走得太远而消失得无影无踪。

更重要的是作为一种家用电器而非奢侈品,它的价格不会太贵,普通家庭完全能买得起。

事实上,虽然有一些公司推出了一些样品或产品,但却不能达到上述满意程度:清洁效果不佳,功能没有完全达到,价格更是难以让人接受。因此那些只能算是早期产品或称为第一代产品。

5.安全卫士—保安机器人

保安机器人是用于维护社会治安、保卫国家财产和人民生命财产安全的机器人。

国外研制的保安机器人主要有两种类型:美国国防部研制的“机动探测评估反应系统”机器人和爆炸物处理机器人。

其中MDARS机器人是一种半自主轮式机器人,可分为室内型和室外型两种,主要用于执行各种保安任务,包括巡逻放哨、火警和空气检测、威胁评估、情况判定、探测与阻止入侵者等。室内型主要应用于仓库和办公大楼等场合,而室外型则用于机场、仓库等主要地区。

爆炸物处理机器人可用于探测并排除犯罪分子安放在机场、仓库等公共场所的炸弹和其他危险品,也可用于人质的解救工作。

6.风光无限—导游机器人

在1995年伦敦举行的欧洲有线通讯博览会上,一个机器人明星出尽了风头。这个圆头圆脑的家伙不停地走来走去,边向人们问候,边给参观者分发礼物。这个机器人只有半米高,靠四个轮子运动。它圆圆的大脑袋上有两个茶杯口大小的眼睛,闪闪地发着蓝光。眼睛里装的是小型雷达,用来探测周围的行人和物体。它可以自动躲避障碍物,从一个展台走到另一个展台。

这种导游机器人装备有先进的计算机语音处理系统,它能听懂人讲英语,并根据计算机存储的信息做出相应的回答。机器人体内的计算机还可以根据雷达探测到的数据,选择自己的行走路线。这种机器人可以用于商店导购、宾馆服务及为盲人导向等许多方面的服务工作。

我国的科技人员也对这类的服务机器人进行了研究。比如:海尔—哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的智能导游机器人,上海大学研制的商场导购机器人等。

DY-I型导游服务机器人是哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的第一代智能导游机器人,该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息避障及路径规划系统、语音识别及语音合成系统组成。

该导游机器人由蓄电池供电,可连续运行4小时,在一定的环境下可自主行走,并且能识别出障碍物是人还是路障,发出不同的反应,遇到人时机器人会说:“您好!欢迎您来到机器人世界。”游客通过语音识别系统可以和机器人进行简单的对话。该种机器人可应用在科技馆、商店和旅游场所进行导游服务。第一代导游机器人已在中国科技馆上班1年多了,该公司研制的第二代导游机器人增加了多媒体功能,具有自动查询和场景解说等本领。

7.火海“勇士”—消防机器人

近年来,我国石化等基础工业有了飞速的发展,在生产过程中,易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长,由于设备和管理方面的原因,导致化学危险品和放射性物质泄漏、燃烧爆炸的事故增多。

消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。

(1)遥控消防机器人

1986年第一次使用了这种机器人。当消防人员难于接近火灾现场灭火时或有爆炸危险时,便可使用这种机器人。这种机器人装有履带,最大行驶速度可达10千米/小时,每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。

(2)喷射灭火机器人

这种机器人于1989年研制成功,属于遥控消防机器人的一种,用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高45厘米,宽74厘米,长120厘米。它由喷气式发动机或普通发动机驱动行驶。当机器人到达火灾现场时,为了扑灭火焰,喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。

(3)消防侦察机器人

消防侦察机器人诞生于1991年,用于收集火灾现场周围的各种信息,并在有浓烟或有毒气体的情况下,支援消防人员。机器人有4条履带,一只操作臂和9种采集数据用的采集装置,包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。

(4)攀登营救机器人

攀登营救机器人于1993年首次使用。当高层建筑物的上层突然发生火灾时,机器人能够攀登建筑物的外墙壁去调查火情,并进行营救和灭火工作。该机器人能沿着从建筑物顶部放下来的钢丝绳自己用绞车向上提升,然后它可以利用负压吸盘在建筑物上自由移动。这种机器人可以爬上70米高的建筑物。

(5)救护机器人

救护机器人于1994年第一次投入使用。这种机器人能够将受伤人员转移到安全地带。机器人长4米,宽1.74米,高1.89米,重3860千克。它装有橡胶履带,最高速度为4千米/小时。它不仅有信息收集装置,如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波探测器等;还有2只机械手,最大抓力为90千克。机械手可将受伤人员举起送到救护平台上,在那里可以为他们提供新鲜空气。

8.助人脱困—救援机器人

救援机器人就是为救援而采取先进科学技术研制的机器人,如地震救援机器人,它是一种专门用于大地震后在地下商场的废墟中寻找幸存者执行救援任务的机器人。这种机器人配备了彩色摄像机、热成像仪和通讯系统。

日本一些科学家研制出一种可以在废墟中爬行的小型机器人,它们可以承担营救被困在地震废墟中的幸存者的重任。

这种机器人可以通过有节奏的收缩运动沿着地面爬行。由于这种机器人的宽度仅有几厘米,遥控人员可以利用磁场原理推动机器人在细小的墙壁裂缝中穿行,它的身上除了安装有照明灯泡和摄像机之外,还配备有一系列用来测量辐射程度或氧气含量等指标的传感器。这些指标可以显示某个区域是否安全,以便救援人员对被困者实施营救。

这种机器人由若干个装有铁磁微粒、水以及润滑剂的橡胶囊组成,爬行时所受阻力很小。每两个橡胶囊之间由一副橡胶棒连接,通过磁场的作用推动机器人前行。

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