陶永,刘海涛,王田苗,韩栋明,赵罡.我国服务机器人技术研究进展与产业化发展趋势[J].机械工程学报,2022,58(18):56-74.
TAOYong,LIUHaitao,WANGTianmiao,HANDongming,ZHAOGang.ResearchProgressandIndustrializationDevelopmentTrendofChineseServiceRobot[J].JournalofMechanicalEngineering,2022,58(18):56-74.
服务机器人产业在全球范围内迅速发展，尤其在医疗康复、教育娱乐、家政服务等领域展现出巨大潜力，受到世界各国的高度重视。美国、欧盟、日韩等发达国家均制定了战略性发展计划，以支持服务机器人产业的成长。驱动力包括老龄化社会、劳动力短缺、科技进步及疫情影响等。国内外领先研究机构与企业在此领域取得显著进展，医疗健康、家庭服务、公众服务、高端仿生、自动化仓储物流及特种机器人成为发展热点。核心技术如环境感知、运动控制、人机交互及操作系统等不断突破。服务机器人与AI、大数据、云计算的融合发展进一步推动了产业进步。面对国内外发展现状，提出促进我国服务机器人技术与产业发展的思考与建议，旨在把握技术前沿，为我国服务机器人产业的蓬勃发展提供参考。
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前言
国际机器人联合会IFR(InternationalFederationofRobotics)将机器人分为工业机器人和服务机器人两大类，如图1所示。根据国际机器人联盟的定义，服务于各种应用场景是服务机器人的定位。服务机器人与工业机器人的一个本质区别在于：工业机器人的工作环境一般都是已知的；而服务机器人所面对的工作环境很多都是未知的。服务机器人又可分为个人\家庭服务机器人和专业服务机器人两类。
根据国际机器人联合会和国际标准化组织ISO(InternationalOrganizationforStandardization)对服务机器人的定义(ISO8373)：除工业自动化应用外，为人类或设备执行有用任务的机器人。服务机器人需要一定程度的自主性，即在没有人工干预的情况下，基于当前状态和感知执行预定任务的能力。
服务机器人涉及经济和社会发展的各个领域，在医疗康复、教育娱乐、家政服务、抢险救灾、物流配送、商业应用等领域均发挥了重要作用，例如：智能清洁机器人可实现环境的智能化清洁，相比于人工清洁，智能清洁机器人漏扫少，覆盖率高，洁净度高；巡检服务机器人可根据需求，配备环境监测、红外测温、烟雾探测、热红外异常火灾预警等多种巡检功能，实现室内或室外场景的全方位实时监控。
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服务机器人发展规划及驱动力
服务机器人产业链和国际组织
服务机器人产业链：由上游的零部件生产、中游的系统集成与整机制造、以及下游的产品应用三大部分组成。
世界各国服务机器人的发展规划
美国：作为智能机器人领域的引领者，美国在不同阶段制定了机器人发展路线，包括《国家机器人计划2.0》和《美国机器人的路线图-从互联网到机器人2020年版》，旨在突破关键技术，保持领先地位。
日本：面对社会问题如人口老龄化，日本政府提出“机器人驱动的新工业革命”战略和《人工智能战略2019》，目标是通过机器人技术提升生产效率和社会服务水平。
韩国：韩国制定《智能机器人行动计划》，并发布《制造业复兴发展战略蓝图》，旨在提升制造业水平，使韩国成为世界制造强国之一，并大幅拓展服务机器人的应用。
中国：自“十三五”以来，中国智能机器人产业快速发展，技术水平和应用领域持续扩大。《“十四五”机器人产业发展规划》明确了服务机器人的发展方向，包括农业、矿业、建筑、医疗、养老助残、家用及公共服务等领域的机器人研发与应用。
服务机器人发展驱动力及发展特点
服务机器人迅猛发展的主要原因、促进因素：
全球老龄化及劳动力短缺，服务机器人成为解决社会保障和服务需求的有效方案。
经济水平提升增加了服务机器人的市场需求。
医疗等领域的特定需求推动了服务机器人的快速发展。
科技进步，如人工智能、大数据、5G等，降低了成本并丰富了服务机器人的功能。
新冠疫情激发了对无接触服务的迫切需求，促进了服务机器人的应用。
服务机器人的特点：
服务机器人从感知智能向认知智能的转变，涉及深度学习、自然语言理解等技术进步。
仿生机器人的研发加速，新型材料和控制技术推动了创新。
多学科交叉融合使服务机器人应用场景更加广泛，产品类型更加丰富。
龙头企业重点布局移动服务机器人，利用前沿技术提升性能。
服务机器人面临的挑战和机遇：
服务机器人领域面临的重大挑战，如新材料、生物混合机器人、新能源技术、机器人群技术等。
服务机器人，尤其是医疗机器人，作为战略性新兴产业，具有巨大的发展潜力和战略意义。
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国内外服务机器人技术
产业发展现状
随着服务机器人的研究和应用日益广泛，国内外在服务机器人领域出现了一些领先的研究院所和公司。
国外机器人技术领先的研发院所包括麻省理工学院媒体实验室、麻省理工学院人工智能实验室、斯坦福人工智能实验室、卡内基梅隆大学、佐治亚理工学院的机器人和智能机器研究所(IRIM)、佐治亚移动机器人实验室、爱丁堡大学可移动机器人学实验室、布朗大学机器人技术学院、剑桥大学机器智能实验室、英国帝国理工大学机器人戴森机器人实验室、牛津大学机器人研究小组、明尼苏达大学自主机器人系统实验室、IBM研究院、德国汉堡大学多模态系统人工智能实验室(TAMS)、苏黎世联邦理工学院自动系统实验室、微软亚洲研究院等。
国外机器人技术和产品领先的公司和企业包括：波士顿动力公司、DeepMind公司、软银机器人公司(SoftbankRobotics)、达·芬奇医疗机器人公司(直觉外科机器人公司)、Neuralink公司等。
国内机器人技术领先的研发院所包括中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室、北京航空航天大学机器人研究所、北京理工大学机电学院智能机器人研究所、清华大学类脑计算研究中心、浙江大学、上海交通大学自主机器人实验室、中国科学技术大学多智能体系统实验室、天津大学机器人与自主系统研究所、南开大学机器人与信息自动化研究所、苏州大学机电学院机器人与微系统研究中心等。
国内机器人技术和产品的领先公司包括新松机器人公司、深圳市优必选科技股份有限公司、科沃斯机器人、极智嘉机器人公司、北京石头世纪科技股份有限公司、九号机器人公司(Segway-Ninebot)、遨博(北京)智能科技有限公司、上海微创机器人公司、北京天智航医疗科技股份有限公司、北京柏惠维康公司、苏州康多机器人公司、北京术锐技术有限公司、博智林机器人有限公司、深圳市普渡科技有限公司、上海擎朗智能科技公司、云鲸机器人公司等。
NO.1
国外服务机器人技术与产业发展现状
市场发展状况：
根据国际机器人联合会(IFR)的报告，2020年全球服务机器人销售额约111亿美元，专业服务机器人市场和消费服务机器人市场均有显著增长。服务机器人供应商主要分布在欧洲、北美和亚洲，其中欧洲占比最高。预计到2023年，全球机器人市场规模将超过477亿美元，服务机器人市场规模将超过201亿美元。
主要应用领域：
服务机器人应用广泛，包括家用服务、医疗服务、公共服务等多个领域。
家用服务机器人市场规模占比最高，达到65%。
领先企业及其产品：
美国：iRobot公司（Roomba系列扫地机器人）、Jibo公司（家庭陪护机器人）、BostonDynamics公司（SPOT和STRETCH移动机器人）、Knightscope公司（安防机器人）、IntuitiveSurgical公司（达芬奇手术机器人）等。
欧盟：德国的Care-O-Bot系列机器人、英国的OpenBionics公司（HeroArm仿生机械手）、Dyson公司的智能吸尘机器人等。
日本：TOYOTA公司（T-HR3人形机器人）、Softbank公司（Pepper、NAO、Whiz服务机器人）、KOKORO公司（木户小姐人形机器人）、Honda公司（ASIMO高级类人机器人）、Cyberdyne公司（HAL可穿戴机器人）等。
韩国：三星Samsung公司（BotCare护理服务机器人和BotHandy家庭服务机器人）。
其他国家：以色列ReWalkRobotics公司的ReStoreExo-Suit和ReWalkPersonal6.0可穿戴机器人外骨骼，加拿大TitanMedical公司的“Sport”手术机器人系统等。
NO.2
国内服务机器人技术与产业发展现状
市场发展：
中国机器人市场进入稳定增长期，2021年市场规模预计达到839亿元，服务机器人市场尤为突出，预计2023年将超过600亿美元。
服务机器人市场快速增长，医疗、教育、公共服务等领域需求推动市场发展。
技术进步：
中国在服务机器人领域的技术与国际领先水平基本并跑，尤其在导航定位、运动控制、人工智能等核心技术上取得显著进展。
疫情加速服务机器人需求增长，催生出接待机器人、递送机器人、新零售机器人等新兴场景。
服务机器人领域的投融资活跃，助力行业快速发展。
应用领域及代表企业：
医疗健康机器人：包括骨科手术机器人、神经外科手术导航定位系统、外骨骼机器人等，代表企业有北京天智航技术有限公司、北京柏惠维康科技有限公司等。
家庭服务机器人：涵盖扫地机器人、多功能AI烹饪机器人、教育编程机器人等，代表企业有科沃斯公司、优必选公司等。
公众服务机器人：如图书服务机器人、酒店服务机器人、机场服务机器人等，代表企业有清华大学、南京大学、优必选公司等。
高端仿生机器人：如人形机器人、四足机器人等，代表企业有优必选公司、宇树科技、云深处科技等。
自动化仓储物流机器人：包括视觉无人叉车、自然导航AMR产品等，代表企业有未来机器人、迦智科技、Syrius炬星等。
特种机器人：包括军事机器人、极限作业机器人、应急救援机器人等，代表企业有中国兵器集团、史河科技、厦门华蔚等。
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服务机器人核心技术
我国服务机器人的发展受到了广泛重视，由于疫情影响，扩展了很多应用领域；尽管我国服务机器人在一些核心技术上有所突破，但在环境感知和运动控制、核心部件、人机交互、操作系统，以及服务机器人与AI、大数据、云计算融合等前沿技术方面还有所欠缺，还需要继续加大支持力度，力争实现突破和自主可控。
环境感知和运动控制技术
在疫情和老龄化的背景下，“无接触”货物配送、消毒免疫、无人巡检、无人农业等工作需求迫切。对于移动服务机器人，为了实现移动机器人在目标工作环境中的自主导航，需要解决三个基本问题，即：“我在哪里”、“我的周围都什么样”和“我下一步该怎么做”。机器人环境感知和运动控制是解决这个三问题的重要核心技术，包括基于多传感器融合的环境感知技术、服务机器人SLAM(Simultaneouslocalizationandmapping)技术、动态识别、轨迹跟踪、及时避障等。SLAM的开创性工作由HughDurrant-Whyte和JohnJ.Leonard提出，SLAM算法基于计算几何和计算机视觉的概念。
环境感知技术是指移动服务机器人通过自身搭载的传感器对周围环境进行感知，并利用相应的感知算法对传感器采集的环境数据进行处理，得到相应的环境特征。机器人根据相应的运动控制指令实现目标轨迹到达指定目标点的过程，即为移动机器人的运动控制技术。机器人能否按照指定的运动控制指令准确实现相应的目标轨迹，对机器人的运动学算法、多传感器信息融合、电机控制等技术都有着很高的要求。
目前服务机器人的环境感知和运动控制技术已能够满足一些特定场景的基本需要，但对于一些室外、人机共融、光线干扰等复杂工作场景，对机器人环境感知和运动控制技术还有很高的要求。其技术成熟水平和综合成本也是移动服务机器人能否实现大规模应用覆盖的关键因素。
核心零部件
站在仿生学的角度,吸收借鉴生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，能够为服务机器人的功能实现提供必要的技术支撑，其中仿生皮肤、人工肌肉及结构驱动一体化设计是当前及未来服务机器人发展的重要方向之一。
NO.3
人机交互技术
人机交互技术在服务机器人领域伴有重要角色，是人与机器人之间建立联系的重要桥梁。为了使机器人能够正确理解人们的意图并实现相应的期望动作，用到了包括自然语言处理等核心技术。自然语言处理技术通过对人们活动意图的记录，生成相应的意图语料库，与机器人的行为之间建立相应的联系。目前国内语音交互、视觉交互等技术发展相对成熟。国内科大讯飞立足语音交互技术多年，其技术现已广泛部署在各类语音交互服务机器人中。类似的还有思必驰、标贝等厂商。国内VR视觉交互代表企业Pico更是在全球市场中占有重要市场份额。
与语音、视觉交互现状不同，目前触觉交互技术和脑机接口技术还处于发展阶段。市面触觉交互技术目前主要以震动、微电流刺激、气动等方式实现触觉交互。复杂的触觉交互技术目前国内发展还相对薄弱，尤其是一些可穿戴式的触觉交互设备，例如力感交互手套，灵活舒适的触觉力感人机交互技术是未来重要技术突破点之一。脑机接口技术受限于传感器水平、脑电信号解码、大脑认知程度等技术瓶颈，目前还处于技术探索阶段。未来研发同时具备语音、视觉、触觉、脑机接口等多模态体感交互的人机交互技术，对远程医疗、养老康复、辅助驾驶、游戏交互等行业具有重要意义。
NO.4
操作系统
机器人操作系统为机器人标准化设计而构造的软件平台，常用的操作系统有Windows、Android、ROS、Ubuntu等。我国自主研发的智能机器人操作系统目前还在发展当中，大部分公司都是基于底层主流操作系统的开源架构做进一步开发，使其适合自身个性化应用。机器人操作系统的成熟程度不仅受硬件发展程度的制约，同时也需要全球众多优秀开发者参与其中合力促进。
国际上目前较为流行的通用机器人操作系统为斯坦福大学主导开发的ROS(Robotoperatingsystem)机器人操作系统，但由于其开源属性，其安全性一直被认为是重要问题，主要应用在实验室、样机测试等小规模环境中。针对特殊工作场景，我国很多企业也研发有很多特色的机器人操作系统，比如百度研发的阿波罗无人驾驶操作系统、图灵机器人研发的专注机器人对话的TuringOS，华为鸿蒙系统不仅可作为手机、平板等智慧终端系统，甚至也可用于无人驾驶等机器人的控制场景。针对于服务机器人，相应的机器人操作系统生态繁荣度，是未来服务机器人发展的重要核心竞争力之一。
NO.5
AI、大数据、云计算融合技术
大数据与云计算在服务机器人中的应用：
大数据的特点包括巨大的数据量、多样的数据类型、高质量的数据和快速的处理速度。云计算解决了传统应用日益复杂的问题。服务机器人由于应用场景广泛且与人的交互程度深，对灵活适配能力要求高。通过结合AI、大数据和云服务等技术，将机器人应用功能部署在云端，可以简化机器人的部署和维护，降低成本，并便于进行在线智能大数据监测与维护。达闼机器人发布的云端机器人系统HARIXOS海睿是这一结合的实例。
服务机器人核心技术的发展趋势：
智能化技术并跑国际领先水平：环境感知、导航定位、人机交互、智能决策与控制、人工智能等核心技术的融合应用，推动服务机器人向智能化发展。
疫情激发新兴场景需求：疫情期间面对面服务减少，推动了接待机器人、递送机器人、新零售机器人等新兴服务机器人的需求增长，为服务机器人市场带来新的机遇。总结来说，通过结合大数据、云计算和AI等先进技术，服务机器人的应用范围和智能化水平得到显著提升。这些技术的融合不仅简化了机器人的部署和维护，还激发了在新兴场景下的广泛应用，推动了服务机器人市场的快速发展。同时，核心技术的不断进步为服务机器人的未来发展奠定了坚实的基础。
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我国服务机器人产业发展的思考
发展现状：
中国服务机器人产业技术水平稳步提升，应用场景和服务模式不断拓展。
产业从消费服务领域向物流自动化、无人配送、公共服务、医疗康复等领域发展。
在核心零部件、机器人操作系统等方面取得国产化突破，区域特色化布局带来发展机遇。
服务机器人市场潜力巨大，有望实现爆发式增长。
面临的挑战：
技术挑战：部分核心技术尚未突破，存在“卡脖子”现象。关键技术如核心算法、情感交流、学习和推理能力、操作灵活性和安全性需进一步提升。专业人才供给不足。
产品与应用挑战：产品功能定位不清晰，应用场景有限，价格昂贵，性价比和易用性需提高。
企业规模挑战：龙头企业规模有限，缺乏行业主导者，供应链组织管理水平有待提升。
伦理与安全问题：
服务机器人在隐私、安全、机器人伴侣、人与机混合物种等方面存在潜在问题。
个人信息收集可能威胁用户隐私。
随着技术发展，智能服务机器人可能成为用户“灵魂伴侣”，甚至具备民事主体资格。
未来服务机器人可能具备与人类相当或超越的意识和思考能力。
4.1加强基础研究，形成服务机器人核心技术创新生态，促进良性循环和发展
(2)根据服务机器人多学科交叉、多领域融合发展的特点，强化智能服务机器人研发布局，推进人工智能、云计算、大数据、物联网、VR/AR等新一代信息技术与服务机器人深度融合，加速前沿创新成果的应用转化。
4.2发挥服务机器人龙头企业带动作用，加速服务机器人应用推广
(1)培育壮大服务机器人行业的龙头企业，发挥龙头企业的示范引领作用，包括新松、科沃斯、优必选、遨博、艾利特等龙头企业拓展其应用场景，阿里巴巴、京东、美团、旷视等科技企业创新研发服务机器人融合产品，上海微创、天智航、柏慧维康等国产医疗手术机器人产品在更多医疗机构进行试点应用等。
(2)聚焦人工智能、5G、物联网等领域新技术与服务机器人融合应用，加快医疗健康服务、社区服务、教育服务、电商无人配送、娱乐文化与体育服务等服务机器人应用场景建设，使得服务机器人产业创新发展具备更大市场空间，扩大服务机器人产业规模。
(3)围绕疫情防控、治疗康复、警用服务等重点应用领域的紧缺需求，建议建立服务机器人市场准入的绿色通道机制，简化招投标流程，在满足安全质量的前提下缩短审批周期，尽快进入市场并取得规模应用。
(4)消费级服务机器人作为新兴的热点应用领域，近年来发展迅猛，建议加强监管规范，优先鼓励符合一定门槛条件的智能服务机器人产品上市销售和推广应用，保障服务机器人产业长效稳定发展。
4.3加强服务机器人基础的人才培养，探索服务机器人应用教育新模式
(2)加强服务机器人领域的校企交流合作，打破校园与市场间的需求壁垒，在机器人企业设立实习基地，不断提升服务机器人应用型人才的培养规模与质量水平。
(3)通过专业认证、服务机器人技能比赛、服务机器人创新创业大赛等方式发掘优秀人才，为服务机器人的核心技术创新发展提供有效生力军。
4.4加强服务机器人的产业链与供应链协同稳定发展，实现产业链自主可控
(1)依托我国服务机器人产业优势区域、成熟园区载体和活跃资本介入，促进服务机器人公共服务平台的建设和发展，以便提供完善的机器人本地供应、产品认证和质量检测等服务。
(2)充分发挥服务机器人的行业平台和联盟协会的作用，推进科技创新主体(大学院所等)与机器人应用企业的高效对接，形成机器人的用户企业提出问题、创新主体解答问题的揭榜挂帅模式，以问题和需求为导向推动服务机器人产业链的协同创新。
(3)建立服务机器人供应链保障体系，保障机器人重点行业和企业的关键原材料、核心零部件的供应，加大对国产零部件和机器人主机的支持力度，确保产业链的安全和自主可控。
服务机器人附加值高，产品应用范围广，已成为重要的技术辐射平台，对促进我国经济发展、改善民生、增强国防实力、提高突发事件应急应对水平等方面都具有重要意义。随着服务机器人的智能化水平快速发展，服务机器人已成为竞争最为激烈的战略性新兴产业领域之一，在助老助残、医疗康复、家庭服务、教育娱乐、公共服务、物流分拣与无人配送、危险作业等方面具有巨大的应用潜力。大力发展服务机器人是我国高科技产业发展的重大机遇，对于提升我国核心竞争力具有重要战略意义。
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结论
我国紧密围绕国民经济转型升级、人民日益增长的美好生活需求以及国家战略重大需求，构建服务机器人产业体系，努力将我国打造成世界领先的服务机器人研制和应用聚集地。在继续夯实现有服务机器人产业基础的同时，加强前瞻布局，加快服务机器人核心关键技术的突破，在服务机器人的创新能力提升、标准检测认证体系建设、人才培养等方面采取相应措施，以确保我国服务机器人产业的快速发展。
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主创团队
INTRODUCE
陶永
北京航空航天大学
陶永，北京航空航天大学机械学院副教授，博士生导师。任机械工业服务机器人重点实验室主任。任北航科研院文智处副处长。
作为项目负责人正在牵头开展国家重点研发计划“智能机器人”重点专项“工业机器人工艺应用程序集成开发平台”项目、国家自然科学基金面上项目的攻关研究。
获得机械工业科学技术奖一等奖等7项省部级奖励；现为全国机器人标准化技术委员会委员、中国机械工程学会机器人分会专家委委员等。
刘海涛
王田苗
王田苗，男，1960年出生，北京航空航天大学教授，博士生导师，研究方向为服务机器人、医疗机器人、仿生机构、嵌入式机电控制，先进机器人理论与技术等。在国内外重要期刊和会议上发表SCI、EI论文100余篇，荣获国家科技进步二等奖、北京市科学技术进步一等奖、中国机械工业科学技术进步一等奖、国防科技进步二等奖等多项奖励。
作者：陶永
责任编辑：赵子祎
责任校对：恽海艳
审核：张强
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