服務機器人是一種半自主或者全自主工作的機器人，現有的服務機器人主要分為家用和公共服務兩類，能夠完成對人類健康有益的各種服務工作，其中，具有自主移動能力的服務機器人在智能化和工作效率方面都有顯著優點，已經越來越廣泛地應用于生活中。

 

　　為了能夠全面、準確地反映出能自主移動的服務機器人的現狀及其發展趨勢，本文將以中國專利文摘數據庫（CNABS）和外文數據庫（VEN）為文獻數據來源，進行全面統計分析。

 

　　通過檢索可知，能自主移動的服務機器人種類繁多，涉及到生活的方方面面，如掃地機器人、管家機器人、監控機器人等，且移動功能通常需要配合相應的機械結構來實現，因此能自主移動的服務機器人領域專利所涉及的技術點主要集中于位置控制，同時也涵蓋了吸塵器、監視器和機械結構等多個方面。

 

　　筆者通過閱讀檢索到的文獻，發現：能自主移動的機器人涉及的關鍵技術即為導航。導航是指機器人通過處理各個傳感器信息，獲取自身位置信息，躲避探測到的障礙物，最終到達目標位置的自主運動。導航問題可以歸結為對定位、目標識別和路徑規劃三個問題的答復。

 

　　導航一般包括已知環境的導航和未知環境的導航。已知環境的導航又通常有兩種方式，接收環境地圖并進行路徑規劃，以及通過學習在已知環境中進行路徑規劃。對未知環境的導航通常首先需要建立地圖，再基于所構建的地圖進行導航。

 

　　基于地圖的導航系統可以為三大類：非視覺傳感器的導航系統、視覺傳感器的導航系統、組合導航。非視覺傳感器導航由于不需要考慮環境光線條件等因素，所以獲取的數據比較穩定，應用十分廣泛。視覺傳感器導航可以實時處理捕獲的視覺信息，但是容易受到光線等條件的影響。而組合導航融合了以上兩種方法的優點。

 

　　發展階段

 

　　檢索文獻可知，機器人的自主移動技術的發展大概經歷了三個階段。

 

　　首先是萌芽階段。在1985年左右，最早的自主移動的機器人移動方式單一，以清潔機器人為例，一件專利公開的移動路徑通常是采用直線，另一件專利公開了一種螺旋前進的方式，早期的移動路徑均是諸如此類的簡單方式。此時的機器人還具有防撞裝置，以避免在撞上障礙物時損壞或者無法繼續移動。同時，當機器人電力消耗殆盡之前，能夠自行返回充電樁，比如某專利公開了一種采用紅外的方式引導機器人返回充電裝置，另一件專利公開了一種采用超聲的方式引導機器人返回充電，此外，還有專利公開了采用激光或視覺的方式使機器人沿規定的路徑移動。

 

　　其次為發展階段。在1990年之后，機器人開始具有避障裝置，例如，某專利公開了一種采用結構光雷達以及視覺的方式進行避障，另一件專利則公開了一種采用超聲進行避障的方式，還有的專利公開了采用超聲與激光結合、超聲與紅外結合的避障方式。而此時的導航還基本上基于對已知環境的導航，一件日本專利（專利號：JPH02282807）公開了處理器接收活動區域地圖并且規劃路徑。在機器人行進過程中，也會根據陀螺儀進行相對定位以此確定是否還在預定路線上，某專利公開了使用陀螺儀進行相對定位。

 

　　而在上世紀90年代后期，機器人可以通過視覺傳感器或者激光雷達獲取環境信息并基于信息建立地圖，一件日本專利（專利號：JPH10260724A）公開了由激光掃描建立地圖，并在地圖的基礎上進行導航。地圖也由二維地圖發展為三維地圖，某專利（專利號：JPH11194822）公開了一種構建3D地圖的方法，一件西班牙專利（專利號：ES2152171A1）公開了基于視覺、激光傳感器獲得的信息建立3D地圖的方法，一件美國專利（專利號：US5819008A）則公開了一種多機器人協同工作的方式。

 

　　再次為完善階段。2000年之后，技術研發的重點放在對導航中算法的革新中，追求更加完善的地圖構建，更加有效的障礙避讓以及更有效率的路徑規劃。比如一件美國專利（專利號：US2009141938A1）采用雙目視覺傳感器采集環境的信息，一件韓國專利（專利號：KR100611328B）通過SLAM（同時定位與建圖）方式建立柵格地圖，結合全局路徑規劃和局部路徑規劃獲得更加靈活有效的導航方式。

　　技術特點

 

　　經由上述對專利文獻的分析，我們可以總結出服務機器人的自主移動技術領域的如下特點。

 

　　最早的自主移動的機器人移動方式單一，以清潔機器人為例，其移動路徑通常是采用直線、沿墻或者螺旋等簡單方式，機器人還具有防撞裝置，以避免在撞上障礙物時損壞或者無法繼續移動。在1990年之后，機器人開始具有避障裝置，通常采用超聲或者紅外、激光傳感器或者上述幾種方式結合。此時的導航還基本上基于對已知環境的導航，處理器接收活動區域地圖并且規劃路徑，由激光或者視覺的方式使得機器人能夠沿事先規定的路徑移動。在機器人行進過程中，也會根據陀螺儀進行相對定位以此確定是否還在預定路線上。而在上世紀90年代后期，機器人可以通過視覺傳感器或者激光雷達獲取環境信息并基于信息建立地圖，并在地圖的基礎上進行導航，地圖也由二維地圖發展為三維地圖。2000年之后，技術研發重點放在對導航中算法的革新中，追求更加完善的地圖構建，更加有效的障礙避讓以及更有效率的路徑規劃。

 

　　在技術的發展過程中，單一的行動方式、防撞裝置都被淘汰，接收地圖進行規劃的方式也被現場構建地圖的方式所取代。構建動態地圖、采用局部路徑規劃方式和全局路徑規劃相結合的方式也將是今后技術發展的重點。在探測環境及障礙物時，原先單一的傳感器被多元傳感器所取代，各個傳感器的融合和交叉使用無論在避障還是定位領域都有了進一步發展，以后也是發展的趨勢之一。

 

　　以目前服務機器人的發展速度來看，在不久的將來，各種先進的能夠自主移動的服務機器人系統將會進入人類的生活工作的各個領域，實現更加廣泛的應用。（王 磊）