大数据下民用机器人的运用及发展的文献综述.pdf

大数据下民用机器人的运用及发展的文献综述李论摘要：在人工智能大热的背景下，机器人的发展也日新月异，迅速渗透到各行各业中。机器人不仅改变着人类生活方式，也是先进制造业的关键支撑装备，其研发和产业化应用是衡量一个国家科技创新、高端制造发展水平的重要标志。近年来，随着机器人逐渐走入百姓的视野和生活，一系列政策扶持及市场需求拉动，使得中国民用机器人产业飞速发展。关键词：大数据民用机器人研究综述一、国内外民用机器人的现状与发展通常所说的机器人主要指的是工业机器人，不仅仅是因为工业机器人起步较早，运用领域较广，更重要的是工业机器人已经比较成熟，在很多领域都能够得到应用。服务机器人则不然，日本早在20 多年前就开始涉足服务机器人的研究，为什么迟迟没有成熟的产品问世？最近一年来，服务机器人却异军突起？主要有两个原因：一是大数据、云计算、精密传感等技术取得重大突破；二是日本进入老龄化社会以后，巨大的市场刚需倒逼行业发展。服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，完成有益于人类健康的服务工作。医用机器人是具有最好应用前景的服务机器人，它能够完成或辅助完成常规医疗方法和设备难以完成的复杂诊断和手术，已在神经外科手术、胸（含心脏）外科手术、遥控外科手术、人工关节置换和无损伤检测等方面引起重大变革，极大地提高医疗水平，为病人带来福音。医疗机器人主要研究开发手术机器人及其相关先进医用技术和设备，包括开展手术规划与导航、高精度和高可靠性的定位操作医用机器人机构、灵巧微操作手（机械手）、人机交互导航控制等关键技术。医用机器人的研究开发，不仅对常规医疗带来一系列技术变革，对临床和家庭护理及康复工程的发展产生深远影响，而且将推动智能机器人、计算机、虚拟现实、微机械电子等学科的发展。除手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外，服务机器人还包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮拾和送信机器人以及加油机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难。过去，日本开发了许多服务机器人，特别是陪护老人、情感、娱乐、教育等领域的机器人，与老人聊天，帮助老人拿东西，帮助老人做饭倒水、照顾孩子等，由于技术不成熟，不敢推向社会。他们认为，要推出与人打交道的产品是非常谨慎的事情。如果机器人不但没有陪护好老人，反而还伤害老人，这将是巨大的社会问题。最近几年，在互联网、物联网、图像识别、语音识别等技术有了快速发展的背景下，我们过去的困难变得迎刃而解。当然，目前的服务机器人还只是一个初级阶段的产物，智能化水平比较低，还需要不断完善。11 胡跃明，丁维中等吸尘机器人的研究现状与展望计算机测量与控制，2002 10(10)：631633 页2 蒋新松未来机器人技术发展方向的探讨机器人1996(5)：285291 页3 王炎，周大威移动式服务机器人的发展现状及我们的研究门电气传动2000(4)：2无论身在国外任何一个地方，只要手机能够收到信息，或者能够上网，你就可以操控家里和办公室的一切，你可以远程调控家里的温度、湿度，也可以随时设定好你的要求。当你回到家的时候，窗帘自动打开，电视自动打开并自动选台，厨房的饭菜已经帮你做好，并给你送到餐桌上，洗手池里的水已经放好，水温正好合适，当你吃完饭后，碗筷有人帮你收拾，洗干净放到消毒柜里。早上该起床的时候，有人走到床边给你唱一首欢快的歌，热水已经准备好，早餐给你准备好，汽车已经发动并调控好合适的温度，帮你打开车门、送你上班,在工厂，车间里没有一个工人，没有灯光，机器自动上下料、自动生产产品、自动包装、自动发货、自动运输、自动收款、自动开票、自动向税务机关报税、自动与银行沟通贷款或存款、自动在网上销售产品、签署销售合同,过去几千人的工厂现在只需要几个人就可以了。老板很潇洒，连数钱的活儿都不用干，机器帮你干完了，不用去办公室就可以自动收到生产、销售、财务上的各个数据,在养老院，有人帮老人做饭、端茶倒水、给老人按摩、给老人唱歌跳舞、给老人讲故事，当老人感觉不舒服的时候，有人马上打电话给医生,在战场上、在危险场合，你只需要坐在办公室指挥就可以，有人冲到前线去，冲到最危险的地方去侦察前线的情况，实时将前线的实景图像传输给你，按照你的命令引诱敌人出来,没错，所有的这一切如果过去只能在科幻电影里面看到的话，那么今后将可能逐步变为现实，不需要再等很久很久。机器人时代已经到来！而与我们休戚相关，与我们最接近的，就是民用服务机器人的发展和运用。3-7 页4 宋晓峰,谈士力.微型机器人的发展和研究现状.机床与液压,2004(8):1-3.5 Paolo Dario,Eugenio Guglielmelli,etal.Robottic for Medical Applications.IEEE Robotics and Automation Magazine.1996:44-56.6 刘术,蒋铭敏.美军机器人手术的研究现状及发展趋势J.中国微创外科杂志,2007,7(6):567-569.二、大数据下教育与陪护机器人的运用与发展在最新的统计结果中，教育与陪护机器人在全球机器人交易份额中占比最大。2015 年，被视为人工智能元年，从硅谷到北京，人工智能热悄然兴起，从工业机器人到服务机器人，从单功能到多功能，从工业领域到多领域，人工智能发展在不断提升与完善，2016 年，智能陪护机器人井喷式爆发，作为消费来说，我们看到的现象是，有关智能陪护机器人的产品和品牌逐渐增多，机器人更多的走进家庭，这也标志着人工智能技术的又一次进步。如今大数据时代下的“人工智能+”一定会席卷而来，智能机器人经过短暂的 2-3 年发展，已经逐渐被家庭接纳。其中，智能陪护机器人也是我们接触到最多的机器人。现实社会中的年轻父母们，因为忙于事业，往往不得不将孩子交给爷爷奶奶、姥姥姥爷照顾，或者把孩子全托，只有等到周末才把孩子接回家一起生活几天，因此渐渐的这些现代社会里的年轻父母就变成了孩子眼中的“周末爸妈”，孩子也无奈的成为了“留守孩子”。这是一种在当下普遍存在的社会现象。而育儿专家给出的数据是，一年十二个月，忽略寒暑假，每个月按四周计算，这样粗略算下来，一年中父母和孩子一起度过的时间竟然不到三分之一。据统计，目前中国有56%的空巢家庭，将近7000 万的留守儿童，即便是生活在一起的父母和孩子交流的机会也偏少。而智能机器人可以借助网络打破空间的界限，营造一种更有科技感的陪伴体验。我们知道儿童成长最大的痛点是缺少父母陪伴，陪护机器人能弥补孩子孤独成长的遗憾，具有情感替代作用，与此同时也解决了父母工作和家庭难以两全的矛盾，这是陪伴机器人市场近年来逐渐兴旺的重要原因。根据 2010 年中国第6 次人口普查结果显示，我国014 岁儿童超过2.2亿，这批人中的绝大部分就是我们常说的零零后。二孩政策放开后，每年新生婴儿可达到2000 万以上，许多父母也越来越愿意为孩子的成长和教育花钱。当前，随着人工智能技术以及人脸识别、视频交互及安防技术与家庭机器人主要应用场景高度耦合，不断衍生出各种类型的智能化产品，为用户提供良好的使用体验，而儿童陪护机器人便是其中一种，孩子在儿童陪护机器人的陪伴下同样很快乐。儿童智能陪护机器人进入家庭已是大势所趋，但什么样的需求才是真正的需求。儿童机器人的门槛正是在于内容、交互方式、用户需求痛点。陪伴儿童成长之外，内容与交互形式将成为儿童机器人的关键。同时，在中国，随着社会老龄化程度的加深，空巢老人越来越多，已经成为一个不容忽视的社会问题。我国已经进入人口老龄化快速发展时期，已有老龄人口1.69 亿，占总人口数的12%，据全国老龄办统计数据显示，有近一半的老人属于城乡空巢家庭或类空巢家庭。目前，我国老龄人口正以每年3.28%的速度增长，约为总人口增长率的5 倍，老龄人口占总人口的比例将迅速扩大。专家预计，到2030 年我国老龄人口将近3 亿，而空巢老人家庭比例或将达到90%，这意味着届时将有超过两亿的空巢老人。所以，关于老年人陪护机器人的研究与发展也是人们关心的一个重要方面。陪护机器人应用于养老院或社区服务站环境，具有生理信号检测、语音交互、远程医疗、智能聊天、自主避障漫游等功能。机器人在养老院环境实现自主导航避障功能，能够通过语音和触屏进行交互。配合相关检测设备，机器人具有血压、心跳、血氧等生理信号检测与监控功能，可无线连接社区网络并传输到社区医疗中心，紧急情况下可及时报警或通知亲人。机器人具有智能聊天功能，可以辅助老人心理康复。陪护机器人为人口老龄化带来的重大社会问题提供解决方案。三、大数据下扫地机器人的运用与发展进入 21 世纪，随着新材料、传感器技术、人工智能和计算机技术等得到全面发展，机器人技术也取得很大的突破。同时，伴随着生活水平的提高，人们对生活品质的要求提高，机器人进入家庭帮忙打理家务成为新的需求。以家庭服务为主要功能的高智能全自主家庭服务机器人逐渐由实验室走进人们的生活中，其中家庭扫地机器人需求量最大。面对繁重的家务，购买一款扫地机器人成为解放双手的一种不错的选择。其能够有效为人类进行清洁服务，家庭扫地机器人必须要满足几个功能：自主避障、自动充电和高覆盖率的路径规划等。扫地机器人最早来源于伊莱克斯、戴森等领衔的吸尘器行业。32002年伊莱克斯在原有高质量吸尘器的基础上，开发了“三叶虫”全世界第一款全自动扫地机器人。随后iRobot 公司先后生产了7代家务机器人Roomba，成为了这一领域的代表产品。近十年来在扫地机器人不断发展进化的同时，一些玻璃清洁机器人、除草机器人也都陆续被研发面世。在未来，扫地机器人仍然会不断进化，在静音、定位、友好服务等方面开拓发展，真正实现智能扫地机器人。同时，服务机器人已经开始呈现多方位拓展的趋势，熨烫机器人、洗车机器人以及植物护理机器人等多种功能型家务机器人都有望在未来实现。国内相较于欧美等发达国家和地区而言，对清洁机器人的研究起步较晚，但近些年相关技术得到飞速发展。2004 年，重庆大学智能科学技术研7 ONICA S service robots the end of the beginning Industrial Robot 1999 26(6)：456459 页8 开生国外服务机器人的发展动态和前景制造业自动化2000(6)：1-4 页9 陈厉仁日本UTEC公司的自动清洗机器人机器人技术与应用1995(4)：11页10 宗光华高层建筑擦窗机器人机器人技术与应用1998(2)：20 页究室与宁波波朗电器股份有限公司合作开发室内清洁机器人，最新开发的BL001 能根据前端左右两侧红外传感器探测墙壁，沿墙壁行走清扫地面，在行走的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间，之后利用随机控制规划遍历的策略产生高效的清洁路径。清扫结束后，自行回到充电座，补充电力。目前，系统还在进一步的升级中。当前市面上，国产品牌的清洁机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯 DT85G、福玛特 ZJ-C1等很受欢迎。2014 年全球家务机器人销售额达到12 亿美元，同比增长24%。预计2015 到 2018 年期间，销售额可以累计达到122 亿美元。2014 年全球家务机器人销量达到330 万，比 2013 年 274 万增长了20.4%。预计 2015 年到2018 年期间，家务机器人的销量将会爆发性增长，累计销量达到2590 万。同时，根据GFK数据，2015 年中国扫地机器人市场零售规模在50 亿元人民币左右，这一数字在2017 年将达到75 亿元人民币，2018 年则将增长至120 亿元人民币。扫地机器人市场空间巨大。结合这两个知名专业机构的统计预测数据，可以看出，未来扫地机器人市场空间将呈大幅度增长态势，同时中国市场也将成为扫地机器人放量的主战场。随着扫地机器人在硬件和软件的不断完善，在未来的几年里一定会推出性价比合适的清洁机器人，像电视机、洗衣机一样成为日常生活的必备家电。由于机器人领域的相关性，扫地机器人会带动整个家庭服务机器人产业向前发展。四、大数据下医疗机器人的运用与发展医疗机器人是服务机器人的一种。医疗机器人是指用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人，主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复，是一种智能型服务机器人。根据用途不同，医疗机器人大致可以分为救援机器人、手术机器人、转运机器人和康复机器人。电影超能陆战队私人健康顾问Baymax就是医疗健康服务机器人的一种。麦肯锡全球研究所2013 年发布的引领全球经济变革的颠覆性技术报告将先进机器人列入12 项技术之一，并预计外科机器人市场规模在2015年将达到 2000 至 6000 亿美元。美国在2013 年美国机器人发展路线图将医用机器人4列为机器人领域的第二大重要发展方向，在2015 版美国创新战略中提出优先发展“精准医疗”，并计划在2016 年投入 2.15 亿美元重点推动医疗大数据、基因组学、微创诊疗及康复的发展。欧盟委员会早在 2008 年就发布了RoboticsforHealthcare报告，制定了各类医用机器人的 2010-2025 发展路线图，并在“地平线2020”计划中确定要投资6140 万美元推进机器人的医疗应用。日本在2015 版新机器人战略中也提出了医用机器人2020 年发展目标：手术机器人市场达到500 亿日元，并将护理机器人的用户期望拥有率和使用率均提升到80%。中国制造2025也明确提出要发展“医用机器人等高性能诊疗设备”。历经近三十年的创新发展，不仅诞生了以IntuitiveSurgical、Mazor 等为代表的一大批专业从事医用机器人研发的上市企业，还吸引了史赛克、美敦力、博医来、西门子、GE等传统医疗器械产业巨头投入其中，国际医用机器人产业已初规模。同时国内的各大高校、医院、企业和公司也已经纷纷开始进行有关医用机器人的研究和开发工作。随着全球机器人产业的爆发和精准医疗概念的兴起，医疗机器人也越来越受到关注。2014 年全球医疗机器人的销量为1224 台，与 2004 年全球医疗机器人销量为386 台相比，年复合增速达12.2%。我们对医疗机器人的需求增加主要是因为老龄化，全球 60 岁以上老人，将以 56%的速率增长，11 H R Beam and H SChoMobile Robot LocalizationUsing a SingleRotatingSonar 12 MONICA S service robotsthe end of the beginningIndustrial Robot199926(6)：456459 页13 蔡自兴.(机器人学的发展趋势和发展战略J.机器人技术与应用,2001,(4);11-16.而且这个增长过程中，因为老人的增加，他们康复治疗的要求会有不断新的要求出来。在世界人口老龄化的报告里面，2030 年 60 岁以上的老人，不仅是以5%、6%的速率增长，有可能老人的数量会超过0-9 岁孩童数量总和，2050 年很可能老人数5量会超过 10-20 岁青年人的数量综总和。各国的人均GDP与医疗卫生投入的比例有密切关系，人均GDP较高的发达国家的医疗卫生投入也更高。国内财富机会正在由城市化产业转移到服务业，因此医药健康行业发展空间巨大，预测在 2020 年之前有3 万亿的成长空间。国内各种疾病的发病率长期居高不下，这使得医药领域内的医疗设备和器械方面进步的重要性更为凸显。中国医疗器械市场总规模在2014 年达到 2556 亿元，年增速15%左右。国内80%以上的高性能医疗器械产品依赖进口，国内医院的高端设备基本被以西门子、GE和美敦力为代表的国外先进企业垄断，国内比较好的相关企业比较少，总体创新力和竞争力不足。国内药械比(医药和器械消费比)为 1:0.19，远低于全球平均的1:0.7，而欧美日等发达国家已经达到了1:1.02。未来我国药械比有逐渐上升的趋势，医疗器械市场有大概八倍于现值的发展空间，未来几年基本上能够保持每年20%以上的增长率。医用机器人属于高端的、智能化的医疗器械产品，在健康预防、疾病诊疗、康复及医疗服务等领域有独特优势，发展潜力巨大。预计未来手术机器人和康复机器人的行业规模将分别由2014 年的 32 亿、2.2 亿美元增长到2021 年的 200 亿、32 亿美元，年均复合增速将达到29.9%、46.6%。回来再看供给，全球医疗人员短缺在2035 年达到1290 万，这种情况下对医疗人员的需求缺口，未来可能更多会倚赖技术手段，或者在这个基础上会倚赖医用机器人帮我们减少缺口。根据Trading Economics预测模14 蔡自兴.机器人学 M.北京：清华大学出版社，2000 15 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势J.机器人技术与应用,2001,(3):7-14 型估计到 2020 年，中国人均可支配收入将会提高41%，而美国则会提高15%，收入的增加会促使高质量医疗需求的增长。医疗机器人正好有出血少，更精准，恢复快的优势。据中美院士介绍，手术机器人的医疗事故率比飞机出事的概率都低，所以人们会慢慢接受手术机器人。医疗机器人因其需要复杂的多学科尖端技术，又将对民生、产业带来巨大的影响和变革，这一高门槛、高价值领域又可称为医疗领域的航天工程。未来随着对高难度手术需求的增多、医疗基础设施的不断升级以及医疗保健费用不断提高，越来越多医院科室及诊所开始逐渐增加对可辅助手术的医疗机器人的支持程度。总结在大数据分析下，预计到 2020 年，智能服务机器人年销售收入有望超过 300 亿元人民币。并在受到国内宏观因素的驱动下，能服务机器人将在安防、军事、教育、和娱乐各个领域发挥着越来越重要的作用。机器人把人类从简单重复的劳动中解放出来，人可以向机器人借力并发挥自己的分析能力和创造性，提高工作效率和质量，把精力花在对分析、评估、综合、创造要求较高的劳动上。人与机器的强强联合才是未来发展趋势。专业导师指导评阅意见：论文选题符合要求，选题具有一定的实践指导意义。该生有一定的查阅文献资料能力，能较全面的收集关于服务民用机器人的资料，写作过程中能综合运用大数据知识，全面分析民用机器人未来的运用与发展趋势，有一定的综合运用知识能力。文章篇幅基本符合指导老师规定，内容基本完整，层次结构安排一般，主要观点集中有一定的逻辑性，但是主要对文献进行分析，缺乏一定的个人见解。文题基本相符，论点比较突出，论述能较好地服务于论点。语言表达一般，格式基本符合规范要求；参考了一定的文献资料，其时效性较强。