機器人實現(xiàn)智能的關(guān)鍵技術(shù)以及技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景

概要：讓機器人實現(xiàn)智能的關(guān)鍵技術(shù)在最近十年會發(fā)展到什么程度？整個產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景將會如何？

目前的機器人已經(jīng)能夠勝任精確、重復性的工作，但很多時候，它還不能夠靈活地為新任務(wù)進行自我調(diào)整，也不能應(yīng)付一個不熟悉的或不確定的情景。不過，這些情況都在發(fā)生改變，機器人正在變得更加智能。我們不禁要問，讓機器人實現(xiàn)智能的關(guān)鍵技術(shù)到底是什么？這些技術(shù)在最近十年會發(fā)展到什么程度？整個產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景將會如何？

隨著家用機器人的應(yīng)用需求不斷增加，人工智能相關(guān)技術(shù)不斷進步，硬件性能的增長，服務(wù)機器人近年來開始從實驗室走向家庭，并從掃地機器人等單一功能向多功能的個人機器人發(fā)展。

感知、認知和行為控制

機器人的技術(shù)按照通常的理解分為三個部分，感知、認知和行為控制。感知主要是基于視覺，聽覺及各種傳感器的信息處理；認知部分則負責更高層的語義處理，如推理，規(guī)劃，記憶，學習等；行為控制部分專門對機器人的行為進行控制。

提到機器人，一個最近經(jīng)常提及的詞是人工智能。人工智能是用計算機來實現(xiàn)類似于人的智能行為的一門學科。機器人本身即是人工智能的一個終極應(yīng)用目標之一。所以談到機器人，人們很容易聯(lián)想到人工智能。人工智能的確對于機器人非常重要，上面提到的三個部分的技術(shù)都與人工智能相關(guān)。

從應(yīng)用角度看，機器人由于有一定的自主性，能與人和環(huán)境交互，與之前的計算設(shè)備（包括電腦，手機等）相比，對智能的要求較高，這也是人工智能逐漸受到關(guān)注的一個原因。

傳統(tǒng)的人工智能做為一門學科，起源于20世紀50年代的達特茅斯會議，后來經(jīng)過幾次大起大落，在基礎(chǔ)理論和方法上積累了豐富的成果。從早期的符號計算系統(tǒng)，到專家系統(tǒng)，再到90年代發(fā)展起來的機器學習，大數(shù)據(jù)分析，都可以算是人工智能的范疇。在圖像、語音、搜索、數(shù)據(jù)挖掘、社會計算等領(lǐng)域，又派生出了一些相關(guān)的應(yīng)用研究。其中與機器人聯(lián)系較為緊密的包括計算機視覺，語音和自然語言處理，還有智能體（Agent）等。

從技術(shù)上看，人工智能要達到人類級別的智能，要走的路還非常遠，因為目前對人的智能機理尚未研究清楚。但從實用角度看，根據(jù)目前技術(shù)的進展，如果能夠部分模擬人的智能行為（比如認出主人并進行相應(yīng)的交互）并達到較好的用戶體驗，將會在短期內(nèi)取得突破性進展。當然這在技術(shù)研發(fā)上還需進一步解決技術(shù)的實用性、魯棒性問題。畢竟以往的不少機器人都還在實驗室或者受限的環(huán)境中（比如養(yǎng)老院）進行研發(fā)和測試，而新興的家庭服務(wù)機器人，將在家庭環(huán)境中獨立或者半獨立地（通過與人的協(xié)作）完成某些服務(wù)，這對技術(shù)的魯棒性提出了更高要求。其中的一些，如計算機視覺、語音識別等核心技術(shù)還在不斷地改進中，還沒有發(fā)展到完全成熟。所有這些，都決定了需相當深入的研發(fā)工作，才能實現(xiàn)真正的實用化、智能化的家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)。

機器人不是一堆機械和芯片

在以往對服務(wù)機器人的研究中，一個典型的目標應(yīng)用是機器人可以做家務(wù)勞動，這就要求機器人可以用手臂去操作物體（抓放）。在這些方面的研究雖然較多，但從目前的技術(shù)進展看，在幾年內(nèi)實現(xiàn)機器人做家務(wù)勞動，仍有諸多的挑戰(zhàn)。

1、目前的機器人，尤其是人形機器人的成本過高。舉例說，一條機器人的手臂可能需幾萬美元，而機器人的手部就需要1萬多美元，整個機器人的造價，更是普通家庭無法承受的。

2、機械手的靈巧程度，仍然難以和人手相媲美。

3、在安全性方面也存在需要解決的問題。有著鋼鐵之軀的機器人一旦進入家庭，由于程序錯誤，不小心揮揮手、伸伸胳膊，都可能對血肉之軀的人造成巨大傷害。

機器人如果暫時不能做家務(wù)勞動那又有何用，這是不少人關(guān)心的一個問題。如果不能應(yīng)用，機器人不過是一堆機械和芯片而已。目前除了類似掃地機器人這樣能夠?qū)崿F(xiàn)比較單一功能的機器人外，還有不少機器人的用途正在發(fā)展之中。

機器人作為一個新型智能設(shè)備，普通用戶最關(guān)心的是機器人可以為他們做些什么？如前文所述，機器人目前還難以實現(xiàn)類似做家務(wù)這樣的應(yīng)用。而要達到人的智力水平，也還需要較長的發(fā)展時間。所以在應(yīng)用方面也需要針對人工智能技術(shù)，特別是感知認知技術(shù)的現(xiàn)狀進行設(shè)計，要充分利用最新技術(shù)，實現(xiàn)在過去看來不可能實現(xiàn)的功能。預計未來十年，市場上出現(xiàn)的服務(wù)機器人將具有以下特點。

1、機器人將實現(xiàn)低成本。在前文中提到，如果讓服務(wù)機器人進入專業(yè)或家庭服務(wù)領(lǐng)域，成本需足夠低。專業(yè)服務(wù)機器人的成本可以相對高些，而家庭服機器人則需嚴格控制成本。

2、機器人將擁有多功能特點。目前在家庭中使用的服務(wù)機器人主要是掃地機器人這樣能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能的機器人。未來多功能的機器人將有較大的發(fā)展，出于成本考慮，機器人中的某些處理器將可以用于多種應(yīng)用。同時隨著技術(shù)的發(fā)展，機器人的應(yīng)用將越來越多，機器人將可以像人一樣完成不同的任務(wù)。

3、具有獨特的應(yīng)用。這是用戶購買使用服務(wù)機器人的主要動機，這些應(yīng)用不是簡單移植已有的電腦或手機的應(yīng)用，而是具有獨特的機器人應(yīng)用的特點，如自主性，操控類似于人并能夠與人進行互動等。

4、可與人協(xié)作完成任務(wù)。因為機器人是為人服務(wù)的，所以需要與人進行多方面的互動，以了解主人對服務(wù)的需求。另一方面是受制于機器人的智能和人相比還是有很大差距，所以有些任務(wù)還不能獨立完成，需借助于人的幫助才能完成。

5、機器人將有高安全性特點。這包含信息安全和物理安全兩方面。即不給用戶帶來安全隱患，甚至能主動檢測并制止一些有潛在安全威脅的行為。著名的阿西莫夫三大定律，規(guī)定了基本的機器人安全規(guī)則。當然如何具體實現(xiàn)這些安全性，尤其是物理安全，還需要在機器人硬件和軟件上下功夫。

家庭服務(wù)機器人和專業(yè)服務(wù)機器人的未來將會如何發(fā)展，已成為業(yè)界關(guān)心的話題。

家庭服務(wù)機器人將會實現(xiàn)如下幾類較典型的應(yīng)用。

1、家庭服務(wù)機器人將實現(xiàn)各種助手類的應(yīng)用。智能手機上流行的個人助理軟件（Siri，Cortana等），將從虛擬的無形演變?yōu)橛形锢硗庑蔚臋C器人能夠?qū)崿F(xiàn)的功能?？梢栽O(shè)想，機器人助手可以幫用戶查詢一些如：天氣，限行尾號等信息，或?qū)τ脩暨M行提醒。聽上去好像與手機上的體驗并無區(qū)別，但實際上在體驗上已有不少改變。用戶和機器人互動的時候可用更自然的方式，像和人交流一樣，甚至可以看到機器人的表情，使服務(wù)顯得更加個性化。除了這些應(yīng)用，服務(wù)機器人還可在更多的場景中作為人的助手。比如服務(wù)機器人可以作為人的健身助手（見圖1），當人在健身的時候，機器人可像健身教練一樣提供一些建議。相信此類應(yīng)用隨著技術(shù)的發(fā)展，將會越來越豐富。

2、家庭服務(wù)機器人將助力少兒教育。因為服務(wù)機器人具有自主性和移動性，將會為少兒教育帶來無限的可能和更廣泛的應(yīng)用空間。

3、家庭服務(wù)機器人將可實現(xiàn)老人看護。包括中國在內(nèi)的許多國家，正在或?qū)⒁饺肜淆g化社會。中國的老人一般希望居家養(yǎng)老，而子女又忙于工作，即使住在一起也無法一直在身邊照看老人。諸如提醒老人吃藥或緊急情況時及時救助等，如果能由家庭服務(wù)機器人來完成，將大大提高老人居家養(yǎng)老的生活質(zhì)量，也使得子女更放心。老人看護將是未來機器人的一個應(yīng)用熱點，具有極大的社會價值。機器人能完成的事還有很多，除了與健康輔助直接相關(guān)的功能，還可幫助老人讀書讀報，與老人簡單聊天等，進行情感方面的關(guān)懷。

對于專業(yè)服務(wù)機器人，其應(yīng)用根據(jù)專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，而有較大區(qū)分。

1、在物流中心進行貨物分發(fā)。據(jù)悉，這項應(yīng)用已開始在亞馬遜等公司實際使用。未來將不斷地升級，如能夠自動取貨等。

2、在零售店，柜臺，前臺等處為客戶服務(wù)。這些服務(wù)機器人能夠和客人打招呼，并回答一些基本問題，還可以幫客戶提包，端茶送水，并為客戶指路。

3、機器人攝影師。機器人攝影師可以不知疲倦地穿梭于賓客之間，幫人們拍出高質(zhì)量的照片。當然此功能在家庭服務(wù)機器人上，同樣是個新鮮的功能。

4、智能安防機器人。在一些警力不足的地方，如果有智能安防機器人24小時巡邏，則會有很好的震懾力，減少犯罪的發(fā)生。

關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

可以預見，未來服務(wù)機器人有不少有趣的應(yīng)用，但從技術(shù)實現(xiàn)的角度看還存在諸多挑戰(zhàn)。

前面提到過機器人的三大技術(shù)領(lǐng)域，包括感知、認知和行為控制。其中行為控制技術(shù)相對來說，已經(jīng)有不少技術(shù)積累。而對于在不久的將來可以實際大規(guī)模應(yīng)用的服務(wù)機器人，將會更偏向于發(fā)展低成本的機器人。諸如機械結(jié)構(gòu)比較簡單的輪式機器人（只有輪式移動平臺加上一個可活動的頭，一般沒有手臂或者手臂比較簡單），由于其控制部分較為簡單，因此在感知和認知方面的技術(shù)，顯得尤為重要。根據(jù)以往機器人領(lǐng)域的研究進展和對應(yīng)用的初步分析可以認為如下的感知、認知技術(shù)，將是實現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。

1、三維導航定位技術(shù)。不管什么機器人，只要可移動，即需要在家庭或其他環(huán)境中進行導航定位。其中SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技術(shù)可同時進行定位和建圖，在學術(shù)研究方面已經(jīng)有不少技術(shù)積累。但對于實際系統(tǒng)，由于實時性低成本（比如無法采用比較昂貴的雷達設(shè)備）的要求和家庭環(huán)境的動態(tài)變化（物品的擺放），因而對導航定位技術(shù)提出了更高要求，仍需進一步研發(fā)。

2、視覺感知技術(shù)。其中包含人臉識別、手勢識別、物體識別和情緒識別等相關(guān)技術(shù)。視覺感知技術(shù)，是機器人和人交互的一個非常重要的技術(shù)。

3、語言交互技術(shù)。其中包含語音識別、語音生成、自然語言理解和智能對話系統(tǒng)等。

4、文字識別技術(shù)。生活中有不少文字信息，如書報和物體的標簽信息，這也要求機器人能夠通過攝像頭來進行文字識別。與傳統(tǒng)的掃描后識別文字相比，其可通過攝像頭來進行文字的識別。

5、認知技術(shù)。機器人需要逐步實現(xiàn)規(guī)劃、推理、記憶、學習和預測等認知功能，從而變得更加智能。

從目前的研究現(xiàn)狀看，服務(wù)機器人面對的關(guān)鍵技術(shù)均有了長足進步，但還有相當多的問題要解決。

推動技術(shù)的研發(fā)與實際應(yīng)用結(jié)合

英特爾中國研究院的一個重要研究方向是服務(wù)機器人，研究范圍主要包括魯棒的三維導航定位、人和環(huán)境的視覺感知以及人-機器人交互（包含感知、認知、行為控制的結(jié)合）等領(lǐng)域，致力于為英特爾的合作伙伴提供先進的服務(wù)機器人技術(shù)。

研究方法以特定的目標應(yīng)用領(lǐng)域為出發(fā)點，并以此來推動技術(shù)的研發(fā)和在實際應(yīng)用中的測試。前面提到的助手類應(yīng)用、少兒教育應(yīng)用、老人看護應(yīng)用，是研究重點。

為了進行應(yīng)用測試，英特爾中國研究院建立了實際的機器人硬件原型，圖3是平板機器人原型。左邊是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由一個帶有英特爾Realsense攝像頭的電腦來控制一個全向移動底盤和頭部的轉(zhuǎn)動，其高度可調(diào)，以便適應(yīng)成人與兒童的互動要求。

目前研究院已經(jīng)在視覺感知等領(lǐng)域取得了階段性成果。如圖4中，顯示了利用Realsense攝像頭和SLAM技術(shù)生成家庭環(huán)境地圖，這在后續(xù)就可用來定位導航。研究院還開發(fā)了魯棒的跟蹤技術(shù)，可在多人同時出現(xiàn)的情況下，長時間正確地跟蹤一個特定用戶。在未來還會研發(fā)出更多相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，這些技術(shù)也將服務(wù)于業(yè)界的合作伙伴助力開發(fā)出先進的服務(wù)機器人產(chǎn)品。

推動技術(shù)的研發(fā)與實際應(yīng)用結(jié)合

對于機器人技術(shù)，大家關(guān)心的一個問題是，是否需要采用專用的人工智能芯片。

目前探索的一個方向被稱作混血計算（Hybrid computing），其是指用通用處理器和其他架構(gòu)一起合作來進行計算。不過，還處于早期探索的階段。

一個架構(gòu)是否能成功地應(yīng)用于服務(wù)機器人，需要看性能是否滿足應(yīng)用的需求，功耗等是否合適，這是一個考慮多種因素平衡的選擇。

可以說現(xiàn)在的通用處理器與已有的一些其他計算單元（如向量處理單元、GPU），已經(jīng)可以為服務(wù)機器人提供一個理想的硬件架構(gòu)，尤其是多功能的具有感知、認知功能的服務(wù)機器人。目前機器人主要的瓶頸，還是在應(yīng)用需求的開發(fā)和感知、認知技術(shù)上。當然，未來的架構(gòu)，也會隨著對應(yīng)用的深入開發(fā)而不斷創(chuàng)新。硬件設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)越來越大，需要不斷地適應(yīng)未來發(fā)展的演變。同時也可以考慮用FPGA架構(gòu)來為一些比較專門的應(yīng)用提供加速，這樣在應(yīng)用發(fā)生變化的時候，將具有更多的靈活性。