服务机器人

　　简介

　　服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。这里，我们把其它一些贴近人们生活的机器人也列入其中。

　　除割草机器人外，到1999年底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，水下机器人及清洁机器人。

　　1999年末，世界全部服务机器人至少为6600台，其中家用机器人有3000台，约占50％，水下机器人及医用机器人分别占14％及12％，清洁机器人占6％，其他所有机器人占23％。

　　预计2000－2003年服务机器人总量将增加到49，400台，其中40，000台是家用机器人（除真空吸尘机器人外），5000台是医用机器人。家用真空吸尘机器人2000年底将进入市场，如果价格合理，2003年的销售量可能达到25万台以上。

　　家用机器人的总销售量预计将超过30万台，它表明服务机器人市场即将进入一个崭新的阶段。

　　从需求及设备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的一个关键的领域。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。

　　主要类型

　　护士助手

　　看到现在世界上有这么多形形色色的机器人，你也许会问世界上第一台真正意义上机器人是谁发明的呢？发明第一台机器人的正是享有“机器人之父”美誉的恩格尔伯格先生。

　　恩格尔伯格是世界上最著名的机器人专家之一，1958年他建立了Unimation公司，并于1959年研制出了世界上第一台工业机器人，他对创建机器人工业作出了杰出的贡献。1983年，就在工业机器人销售日渐火爆的时候，恩格尔伯格和他的同事们毅然将Unimation公司买给了西屋公司，并创建了TRC公司，开始研制服务机器人。

　　恩格尔伯格认为，服务机器人与人们生活密切相关，服务机器人的应用将不断改善人们的生活质量，这也正是人们所追求的目标。一旦服务机器人像其它机电产品一样被人们所接受，走进千家万户，其市场将不可限量。

　　恩格尔伯格创建的TRC公司第一个服务机器人产品是医院用的“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”除了出售外，还出租。由于“护士助手”的市场前景看好，现已成立了“护士助手”机器人公司，恩格尔伯格任主席。

　　“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。

　　该机器人由行走部分、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，其速度为0.7米/秒左右。机器人中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。

　　脑外科机器人

　　2000年初春，来自黑龙江某大学的一位学生正平静地躺在中国人民解放军海军总医院手术台上。她患有颅咽管瘤，4年前曾做过开颅手术，不幸的是现在肿瘤又复发了，肿瘤压迫视神经使她双眼视力下降，左眼视力0.02，右眼只有光感。此刻，医生们正用先进的脑外科机器人系统为她实施手术定位。只见她的头部贴有4个标志点，由这4个标志点建立一个空间坐标系，CT机以不同的角度为她扫描，之后，医生将9张CT图片输入计算机，屏幕上便显示出三维的病灶部位。医生在屏幕上确定手术的穿刺点和穿刺轨迹，5自由度的机器人对准穿刺点，然后自行锁定这一位置，为医生搭建一个稳固的操作平台，医生根据已标定的穿刺点进针和实施相应手术。整个手术过程20分钟。手术后，患者自己下床、穿鞋、走出手术室。三天后，患者出院了，双眼视力均恢复到0.9。

　　脑外科机器人辅助系统

　　该脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学、清华大学和海军总院共同研制开发的。1997年5月用该机器人为病人实施了首例开颅手术，到2000年11月已为140多位病人实施了这种手术。2000年11月在北京举办“中美医用机器人临床应用学术交流会”。15日上午，美国心外科机器人和中国脑外科机器人分别实施临床手术。消毒、在胸部打三个小孔、机械手伸入胸腔，四楼的手术室里，来自美国的机器人开始对59岁的患者进行冠状动脉搭桥手术。这种名叫伊索的机械手臂伸入到胸腔内，随着医生“上、下、左、右”的指令在0.2至1厘米的范围内移动，寻找用于搭桥的乳内动脉。美国机械手臂研制公司的副总裁张先生介绍说，传统手术中取乳内动脉要用45分钟，而利用机械手臂只要15分钟左右就可以完成。如果不采用这一手术方式，病人会留下一个20厘米长的切口，由于借助机械手臂上的内窥镜，医生的视野更清晰，可以在手术图象上直接操作，这次在病人胸部的切口只有5厘米。二楼手术室里，中国机器人正在为61岁的王女士进行脑部的“活检”。主刀医师赵先生说，像王女士这样病灶较深的脑外手术，以前要把四个钉子扎到颅骨上，戴着一个金属大框架，到处去做CT、核磁扫描。借助机械手臂，病人就可以抛掉大框架，借助机械手臂来定位，并为医生提供手术平台。医生通过手术台旁边的计算机屏幕，就可以为手术确定病灶点，原来至少要用半天时间才能完成的手术，现在30分钟就完成了。9时开始的手术，不到10时，王女士就轻松地走下手术台，“脑里面松快多了”，王女士笑着说。辅助手术机器人的研制者之一，海军总医院全军神经外科中心田增民教授介绍说，现在神经外科手术的发展趋势是追求安全性、微创性和精确性，使用机器人系统符合了这些要求，并且在微创伤方面获得了传统治疗方法不可比拟的良好效果。在使用机器人系统之前，国内外普遍采用的是有框架脑立体定向手术，即在患者的颅骨上钻4个小洞，然后固定一个金属框架。医生通过这个框架（也就是一个坐标系）来确定病灶的具体位置，并决定手术的位置。采用机器人系统，不但没有了固定框架给患者带来的痛苦和给医生带来的操作不便，而且提高了定位精度和操作的可视性，为患者最大限度地减少了手术创伤。

　　机器人在医疗方面的应用越来越多，比如用机器人置换髋骨、用机器人做胸部手术等。这主要是因为用机器人做手术精度高、创伤小，大大减轻了病人的痛苦。从世界机器人的发展趋势看，用机器人辅助外科手术将成为一种必然趋势。

　　口腔修复机器人

　　牙齿是人类健康的保护神，拥有一口结实、完好的牙齿是身体健康的保证。然而随着人年龄的增长，牙齿将会出现松动脱落。目前，世界上大多数发达国家都步入了老龄化社会，很多老人出现了全口牙齿脱落。全口牙齿脱落的患者，称为无牙颌，需用全口义齿修复。在我国目前有近1200万无牙颌患者。人工牙列是恢复无牙颌患者咀嚼、语言功能和面部美观的关键，也是制作全口义齿的技术核心和难点。传统的全口义齿制作方式是由医生和技师根据患者的颌骨形态靠经验，用手工制作，无法满足日益增长的社会需求。北京大学口腔医院、北京理工大学等单位联合成功研制出口腔修复机器人。

　　这是一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型，利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形态的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。另外，发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换装置——可调节排牙器。

　　基于机器人可以实现排牙的任意位置和姿态控制。利用口腔修复机器人相当于快速培养和造就了一批高级口腔修复医疗专家和技术员。利用机器人来代替手工排牙，不但比口腔医疗专家更精确地以数字的方式操作，同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误。这将使全口义齿的设计与制作进入到既能满足无牙颌患者个体生理功能及美观需求，又能达到规范化、标准化、自动化、工业化的水平，从而大大提高其制作效率和质量。

　　进入血管的机器人

　　在美国洛杉矶市举行的一次新闻发布会上，与会者在投影屏幕上看到了这样一组镜头：字幕：

　　2005年的某一天，一个由直径只有30微米的齿轮装配成的小小机器人，被植入血管里。这个小小机器人像潜水艇一样在血液的河流中自由自在地游动着。一旦遇到血管中淤积或飘浮的胆固醇、脂肪，它们就毫不留情地扑上去，迅速将其撕烂嚼碎。同凶恶的病毒相遇时，它们也毫不畏惧，挺身而出。

　　可是，病毒是很狡猾的，它们眼看对方来势凶猛，往往会装出一副缩头缩尾的可怜相，好像已经投降；或者干脆一下子躺下，一动不动，似乎已经成了一具僵尸。机器人善良大度，它们大踏步地从这些已经放下武器的敌人身边走过。

　　但是，受到优待的病毒并没有就此罢休，等机器人擦肩而过后，它们一跃而起，开始从背后恶狠狠地攻击机器人，机器人不断倒下。

　　您别着急，这些机器人体内有纠错程序。它们中的许多机器人在吃了一次亏之后，只要不是光荣牺牲，它们便能自动调整行为方式。于是，机器人不再老实可欺。它们见到病毒后，不管它们如何伪装，非要杀它个片甲不留。

　　病毒也随机应变，当它们同机器人相遇时，便拼命膨胀躯体，虚张声势，竭力装出一副凶神恶煞的模样。可是，大脑内藏有“超级勇敢”程序的机器人，英勇善战，视死如归，决心以自己的生命来捍卫主人的健康。于是机器人同病毒进行了激烈的大搏杀。最后，病毒被不断歼灭。病毒的碎块不断渗透出血管，流入肾脏，通过尿液排除体外。于是动脉畅通无阻，人体更加健康。

　　上述有关超微技术的剧情，是根据科学家的设想编造出来的，但这并不是无法实现的梦想，随着微机电技术的发展，幻想正一步步走向现实。

　　1988年5月27日，美国加利弗尼亚大学的两位华裔研制出了只有76微米（3‰英寸）的微马达。

　　1991年11月，日本电子公司的科研人员在当时最先进的“电子隧道扫描显微镜”下，用“超微针尖”，将硅原子排成金字塔形的“凹棱锥体”，它只有36个原子那样高，这是人类首次用手工排列原子，在世界原子物理界引起轰动。

　　1996年7月，美国哈佛大学研制成功了直径只有7微米的涡轮机。一张邮票上可以放置几千个这种涡轮机。只有在超高倍显微镜下才能看清楚它的外形和结构。我国也已研制出了1毫米电机。

　　超微技术现在与老百姓关系还不密切，这主要是因为它们还不实用。对此，美国斯坦福大学的现代超微物理学专家本杰明·金博士作了这样的描述：“未来人们将研制出高度智能化的人造跳蚤、蜘蛛等动物。它们集超微型电脑、驱动器、传动装置、传感器、电源等于一体，成为人类十分独特、而且非常得力的助手。它们将广泛应用于医疗、农业、工业、航天、军事等各个领域。除了人们津津乐道的注入血管清除毒物的功能外，在外科手术上还可用微马达来缝合神经、微血管、眼球等；还可用它来深入人体内脏，如肾、心脏等作检查。将成千上万个“跳蚤”机器人搬入农田，消灭害虫，使农业丰收，又防止了因使用农药造成的环境污染……。”

　　智能轮椅

　　随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力（如行走、动手能力等）。因此，对用于帮助残障人行走的机器人轮椅的研究已逐渐成为热点，如西班牙、意大利等国，中国科学院自动化研究所也成功研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。

　　机器人轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。

　　机器人轮椅关键技术是安全导航问题，采用的基本方法是靠超声波和红外测距，个别也采用了口令控制。超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制，但真正具有交互功能的移动机器人和轮椅尚不多见。

　　爬缆索机器人

　　斜拉桥以其优美的外观及良好的抗震性越来越得到桥梁设计师的青睐。自从1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉桥以来，到1993年全世界已有300余座斜拉桥。我国自1975年在四川云阳建成第一座斜拉桥之后，至今共建成40余座斜拉桥。

　　斜拉桥的主要受力构件是缆索，但其长期暴露在大气之中，受到风吹、日晒、雨淋和环境污染的侵蚀，其表面会受到较严重的破坏，这会对整座斜拉桥带来不利的影响。因此，对缆索的有效维护是十分必要的。斜拉桥以其独特的构型吸引着众多的观光者，为现代化都市增添了一道亮丽的风景线。但人们在惊叹斜拉桥壮观的同时，也发现美中不足的是大多数斜拉桥的缆索都是黑色，色彩的单调影响了斜拉桥的魅力。所以，近年来彩化斜拉桥成了许多桥梁专家追求的目标。

　　目前，彩化斜拉桥的方法有三种，即彩色绕包、全材彩化及彩色涂装，其中彩色涂装是最经济且柔性较大的方法。到目前为止，国内外对斜拉桥缆索进行彩色涂装主要采用两种方法，一种是针对小型斜拉桥使用液压升降平台进行缆索涂装，另一种是利用预先装好的塔顶的定点，用钢丝托动吊篮搭载工作人员沿缆索进行涂装。前一种方法的工作范围十分有限，后一种方法是许多斜拉桥采用的普遍方法，但采用人工方法进行高空涂装作业不仅效率低、成本高，而且危险性大，尤其是在风雨天就更加危险。为此，上海交通大学机器人研究所于1997年与上海黄浦江大桥工程建设处合作研制了一台斜拉桥缆索涂装维护机器人样机。

　　该机器人系统由两部分组成，一部分是机器人本体，一部分是机器人小车。机器人本体可以沿各种倾斜度的缆索爬升，在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。机器人本体上装有CCD摄像机，可随时监视工作情况。另一部分地面小车，用于安装机器人本体并向机器人本体供应水、涂料，同时监控机器人的高空工作情况。

　　机器人具有以下功能：

　　沿索爬升功能

　　机器人可沿任意倾斜度的缆索爬升，可爬升的缆索标高为160米，缆索倾斜度0～90(，可适应的缆索直径为90～200毫米，机器人爬升速度为8米/秒。

　　缆索检测功能

　　机器人上装有钢丝绳检测系统，可沿缆索检测钢丝是否有断丝，以便及时更换缆索。

　　缆索清洗功能

　　在机器人本体上配备有各种形状的清洗刷和特定的水基清洗液，可完成缆索去尘、脱脂和去聚乙烯表面静电等工作。

　　具有一定智能

　　机器人具有良好的人机交互功能，在高空可以判断是否到顶、风力大小等一些环境情况，并实施相应的动作。

　　高楼擦窗和壁面清洗机器人

　　随着城市的现代化，一座座高楼拔地而起。为了美观，也为了得到更好的采光效果，很多写字楼和宾馆都采用了玻璃幕墙，这就带来了玻璃窗的清洗问题。其实不仅是玻璃窗，其它材料的壁面也需要定期清洗。

　　长期以来，高楼大厦的外墙壁清洗，都是“一桶水、一根绳、一块板”的作业方式。洗墙工人腰间系一根绳子，悠荡在高楼之间，不仅效率低，而且易出事故。近年来，随着科学技术的发展，这种状况已有所改善，目前国内外使用的主要方法有两种：一种是靠升降平台或吊蓝搭载清洁工进行玻璃窗和壁面的人工清洗；另一种是用安装在楼顶的轨道及索吊系统将擦窗机对准窗户自动擦洗。采用第二种方式，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，而且它无法适应阶梯状造型的壁面，这就限制了这种方法的使用。

　　改革开放以后，我国的经济建设有了快速的发展，高层建筑如雨后春笋，比比皆是。但由于建筑设计配套尚不规范，国内绝大多数高层建筑的清洗都采用吊蓝人工完成。基于这种情况，北京航空航天大学机器人研究所发挥其技术优势与铁道部北京铁路局科研所为北京西客站合作开发了一台玻璃顶棚（约3000平米）清洗机器人。

　　该机器人由机器人本体和地面支援机器人小车两大部分组成。机器人本体是沿着玻璃壁面爬行并完成擦洗动作的主体，重25公斤，它可以根据实际环境情况灵活自如地行走和擦洗，而且具有很高的可靠性。地面支援小车属于配套设备，在机器人工作时，负责为机器人供电、供气、供水及回收污水，它与机器人之间通过管路连接。

　　目前我国从事大楼清洗机器人研究的还有哈尔滨工业大学和上海大学等，他们也都有了自己的产品。

　　大楼清洗机器人是以爬壁机器人为基础开发出来的，它只是爬壁机器人的用途之一。爬壁机器人有负压吸附和磁吸附两种吸附方式，大楼擦窗机器人采用的是负压吸附方式。磁吸附爬壁机器人也已在我国问世，并已在大庆油田得到了应用。

　　消防机器人

　　常言道水火无情，这其中道出了水火对人类的威胁及人们对水火的无奈。提起火灾，人们会联想起一起起悲剧。据有关部门统计，仅1995年一年我国就发生火灾38000起，死亡2233人，受伤3770人，直接经济损失10.8亿多元。1997年发生火灾14万余起，死亡2722人，伤4930人，造成财产损失15.4亿元。多么触目惊心的数字啊！

　　面对无情的火灾，公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海市消防局共同制定了研制消防机器人的计划。经过3年的研究，我国第一台消防机器人已经诞生。消防机器人可以行走、爬坡、跨障、喷射灭火，可以进行火场侦察。

　　近年来，我国石化等基础工业有了飞速的发展，在生产过程中的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。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，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。在深圳清水河火爆炸、南京金陵石化火灾、北京东方化工厂罐区火灾等事件发生后，国内消防部队要求研制、配备消防机器人的呼声越来越高。此次消防机器人的研制成功，对我国21世纪的消防装备的发展以及消防部队的技战术的拓展将产生重要的影响。

　　救援机器人

　　不仅在我国，在世界上消防工作也是一个大难题，各国政府都千方百计地将火灾的损失降到最低点。

　　1984年11月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾，消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。这次火灾之后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究，目前已有五种用途的消防机器人投入使用。

　　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公里/小时，每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。

　　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。

　　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。

　　攀登营救机器人

　　攀登营救机器人于1993年第一次使用。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70米高的建筑物。

　　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公斤。它装有橡胶履带，最高速度为4公里/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公斤。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。

　　2000年11月，奥地利雪山缆车在隧道中发生火灾，死亡160余人。由于隧道中黑暗、阴冷、浓烟密布，灭火和清理现场工作十分艰难。这再次说明了特种消防设备的重要。