家庭服务机器人的标准和开发探讨

杨 栋，张建强，曹 鹏，赵 洋，郝庭基

（国家知识产权局专利局 专利审查协作北京中心，北京 100190）

在未来的数字家庭中，不仅有照明、HVAC、门锁监控、电气产品、影音系统等固定设置的家电自动化，还会具有可移动的或更加智能的服务机器人，例如现在已经面市的圆盘式清洁机器人、已经制造出来的厨房机器人，还有正在研究中的保姆机器人和护理机器人等等。

服务机器人具有非常广阔的发展前景，但由于现有的标准、技术都是面向工业机器人，因此服务机器人仍需在标准、安全规范等方面进行进一步的研究。同时，国内的机器人企业在工业机器人上落后于国际机器人巨头，但在具有广阔市场前景的服务机器人领域还可能后来居上，甚至占据先机。

1 数字家庭中的服务机器人

数字家庭是指家庭中的各种家电和其他设备智能地工作，智能地互联，并与家庭中的人产生交互。与数字家庭（Digital Home）相关的概念，包括家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electronic Home，E-home）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（Network Home）、智能家居/家庭/建筑（Intelligent Home/Building）[1]。

家庭自动化是建筑自动化在住宅中的延续，家庭自动化可以包括照明、HVAC（加热、通风和空调）、窗帘控制、电气产品、门和其他系统的安全锁、影音系统、Intercoms（房间之间的通话）的中央控制，还包括Domotics（Domestic Robotics，家用机器人），可以为老人和行动不便的人提供生活帮助。近年来由于人们购买力的提高，智能手机和平板电脑提供的网络互连的简易操作，使得家庭自动化越来越普及[2]。

家用机器人，或称家庭服务机器人是近年来机器人产业的一个重要分支。机器人产业发展的前期直到目前，工业机器人都是绝对的主角。工业机器人是帮助人类完成生产制造加工过程的机器人。而服务机器人则是帮助人类完成生产制造之外过程的机器人。在服务机器人的分类中，既有专门用于医疗、教育等的专用服务机器人，又有用于一般家庭服务的家庭服务机器人[3]。

工业机器人面临的使用环境一般是固定的、确定的，且与人隔绝的；而服务机器人面临的使用环境则是一般的生活工作环境，具有不同场景差别较大、场景中变化因素多、需要动态地与人交互的特点。这就要求服务机器人有更完善的传感器来感知环境，也需要有更高级的决策系统来应对动态、不确定的环境推理[3]。

服务机器人的发展远远快于工业机器人。尽管从2005年起服务机器人的产量有所增加，但工业机器人仍占主导地位。但目前服务机器人的需求正在快速增长。一些可支配收入比较高的发达国家和地区对于服务机器人的需求量比较大，美国是其中之最。当然，这些也是人口老龄化比较严重的国家，因此许多家庭都需要医疗服务机器人来帮助他们照看老人。除了美国之外，对服务机器人需求较大的国家和地区还包括西欧和日本。但是，如今中国正在快步赶上。据研究表明，到2016年时，服务机器人的需求可能（比2013年）翻两番[4]。据估算，全球服务机器人的产值将由2010年的约171亿美元增加到2025年的517亿美元。

2 中国服务机器人标准

目前国际和国内工业机器人市场大都被国际巨头占据，如瑞士ABB、日本发那科、安川电机、德国库卡等，而服务机器人市场虽然方兴未艾，很多国际巨头和科研机构也已经开始谋篇布局。中国的机器人企业直接在成熟的市场上和国际巨头竞争，需要克服的困难很多。然而服务机器人产业具有相当多不同需求的服务场景，各个场景中的任务也各不相同。国内企业如果在一些细分市场策略得当，还是存在很多机会[5]。

对于每一个进入家庭服务机器人的研究者和生产者来说，充分调研清楚现有的国际和国内标准，能够使得自己的研究成果和产品符合市场的规范，避免在市场竞争中走弯路。而充分利用好现有的平台，则可以事半功倍，站在巨人的肩膀上，可以节省自己的研发投入，避免在市场竞争中做无用功。

因为机器人的发展历史上，前期到目前都是工业机器人唱主角，所以现有的国际和国内机器人标准大都是关于工业机器人的。

2.1 现有的中国机器人标准

中国机器人标准的制定方式主要有：1）等效采用相关国际标准；2）国内相关标准委员会组织编撰等方式。在已经发布的49件机器人相关的标准中，已经作废13件，现行33件，未实施3件[6]。

现行33件机器人相关的标准中，由国家质量监督检验检疫总局（原国家技术监督局）发布的有21件，其中以“工业机器人”开头的13件，包括“工业机器人词汇”，性能规范及其实验方法，特性表示，电磁兼容性试验方法和性能评估准则—指南，标称和操作图形用户接口、抓握型夹持器物体搬运词汇和特性表示，坐标系和运动命名原则，机械接口 第1部分：板类，机械接口 第2部分：轴类，末端执行器自动更换系统词汇和特性表示，安全实施规范，性能试验实施规范，用于机器人的中间代码。其他包括以“激光加工机器人”开头的1件，以“弧焊机器人”开头的1件，以“点焊机器人”开头的1件，名称中包含“水下机器人”的1件，以“离线编程式机器人柔性加工系统”开头的2件，以“装配机器人”开头的1件，以“工业环境用机器人”开头的1件。

由公安部发布的有2件，包括“消防机器人第1部分：通用技术条件”，“排爆机器人通用技术条件”。

由电子工业部发布的有3件，包括“装配机器人通用技术条件”，“喷漆机器人通用技术条件”，“工业机器人完好要求和检查评定方法”。

由国家发展与改革委员会发布的有2件，包括“滚动轴承机器人用薄壁密封轴承”和“工业机器人产品验收实施规范”。

由全国工业自动化系统与集成技术委员会发布的有4件，包括“工业机器人验收规则”，“工业机器人型号编制方法”，“搬运机器人通用技术条件”，“弧焊机器人通用技术条件”。

其中全国工业自动化系统与集成技术委员会（China National Technical Committee for Automation Systems and Integration Standardization）是由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会领导的全国性标准化技术工作组织（编号SAC/TC159）。该标委会的工作与国际标准化组织第184技术委员会-ISO/TC184相对应。秘书处设在北京机械工业自动化研究所。

从上面列举的现有的国家标准可以看出，中国目前的机器人标准主要是针对工业机器人，缺少服务机器人专用的标准。

2.2 中国服务机器人的产业规划

2012年4月24日，科技部印发了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》。

从该专项规划中可以看出，我国对于服务机器人未来技术路线的认识，更加强调智能化，更加强调多机器人系统协同工作，以及由此而来的多机器人通信、集体智能，更加强调研制通用的、模块化的机器人制造技术等。

从该专项规划制定的服务机器人的发展目标可以看出，我国未来服务机器人的重点发展目标是公共安全机器人、医疗康复机器人和仿生机器人，相应的机器人测试技术以及开源的机器人软件平台等都列为了核心关键技术。

从《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》可以看出，我国虽然已经确定了服务机器人的发展目标和重点专项，但尚未明确行业主管部门，行业政策和标准研究还存在缺位，这些基础性工作对于中国未来机器人产业的发展极为重要。

3 国际服务机器人标准

3.1 ISO机器人标准

为了将机器人带到国际市场上，机器人制造商必须证明他们已经满足了相关国家的标准，其中ISO标准是很多国家参与制定和采用的标准。ISO（International Organization for Standardization）是国际标准化组织的缩写[8]。同时，在缺乏国际标准时，一个广泛认可的国际标准的发布，能够给机器人公司提供一个商业化的路线图，并鼓舞投资者的信心。

ISO于1983年成立了ISO/TC184/SC2[8]，TC184即第184技术委员会（Technique Committee）。TC184下面包括多个分委会SC（SubCommittee），例如SC2是TC184的二级分会，其过去的名称是“制造环境用机器人”，2006年其名称改为“机器人及机器人装备”。每个SC包括数个工作组WG（Working Group），例如TC184/SC2目前拥有5个工作组：WG1词汇，WG3工业机器人安全，WG7个人护理机器人安全，WG8服务机器人，WG9则由ISO/TC184/SC2和IEC/SC62A共同组成，针对采用机器人技术的医疗设备安全相关标准开展工作[6]。

ISO公布了很多关于工业机器人的标准，例如关于工业机器人安全的标准ISO 10218，ISO 10218规定为了满足安全性要求，当机器人运行的时候机器人和人必须隔离开来，这也导致机器人和人不能无缝地完成同一任务。即使是有人靠近的时候，工业机器人也必须提供足够的安全指示，并降低它的速度、力度或与人保持最小安全距离。

2014年2月，ISO TC184/SC2/WG7公布了最新的机器人标准，是有关服务机器人安全性的标准，编号ISO 13482。ISO 13482由来自12个国家的超过50个提名的专家和观察员团队制定。其面向的机器人是Personal Care Robot（个人服务机器人）。

在设计机器人时，安全应该放在第一位。根据机器人被使用的环境和与人的可能交互，来规范对于这些环境中的机器人的具体设计准则。ISO的安全标准有三个层级，从抽象到具体分别是Type A,Type B,Type C，其中Type A是一般机械，Type B是安全功能或机械群组，Type C是对特定机械类型的要求。ISO13482属于Type C层级。

ISO 13482列出的灾难包括碰撞、丧失动力稳定性等15种：1）充电电池；2）能量存储和供应；3）机器人常规操作的启动和重启；4）静电势；5）机器人外形；6）辐射和排放；7）电磁干扰；8）压力，姿势和惯例；9）机器人移动；10）耐久性不足；11）不正确的自主决策和行动；12）与移动部件的联系；13）人类缺乏对机器人的认识；14）危险的环境条件；15）由于定位和导航引起的错误[9]。

ISO 13482还列出了与机器人控制系统有关的10种安全情形：1）机器人停止；2）操作空间的限制；3）安全相关的速度限制；4）安全相关的环境感知；5）稳定性控制；6）安全相关的力量控制；7）奇异点保护；8）用户接口的设计；9）操作模式；10）手动控制设备[9]。

3.2 IEC标准

IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会）是制定和发布国际电工电子标准的非政府性国际机构。IEC与ISO最大的区别是工作模式的不同。ISO的工作模式是分散型的，技术工作主要由各国承担的技术委员会秘书处管理，ISO中央秘书处负责协商，只有到了国际标准草案（DIS）阶段ISO才予以介入。而IEC采取集中管理模式，即所有的文件从一开始就由IEC中央办公室负责管理。

IEC60355标准将服务机器定义为无人看管器具、连续工作器具、装有遥控设备的器具、电池供电器具，因此依据这些器具要求制定了相应的标准。如IEC 60335-1标准，即《家用和类似用途电器-安全-第I部分-通用要求》（等同于中国国家标准GB4706.1），规定了家用电器的安全标准。

IEC60312-1规定了清洁机器人的自动洗尘性能测试方法，而IEC60312-3则规定了清洁机器人的智能化性能的测试方法，主要包括自动导航覆盖实验和平均速度测试实验。自动导航覆盖实验的目的是在设定的实验房间内，得出机器人覆盖率随时间的变化关系。平均速率测试时通过测量，运用速度运动模式计算出机器人的平移速率[10]。

值得一提的是，2010年我国企业在第74届IEC年会上提出了《家用和类似用途智能移动机器人平台性能评估方法》的提案，2012年在第76届IEC年会上该提案正式获得通过并成立了IEC/TC59/WG16。预计该工作组将历时3年共7个阶段完成该国际标准的制定和发布。该标准提案主要包括如下内容：

1）机器人的测试条件，包括单位制、机器人配置、运行和环境条件等的测试要求；

2）机器人的位置特性，包括位置精度、距离精度位置可重复性等的测试要求；

3）机器人的执行能力，包括移动能力、避障能力、连续运行能力、允许能力、待机功耗等的测试要求；

4）智能性，包括返回基站充电、路径规划等的测试要求。

4 服务机器人的开发

4.1 服务机器人开发的基本任务

服务机器人一般是可自由移动的机器人（Mobile Service Robot），因此服务机器人要实现的基本任务一般包括：1）移动和定位；2）抓取、转移和放置小的物品；3）抓取和操作大型物品，如开门；4）和人交换物品。

为了实现安全标准，服务机器人应做到如下要求：

1）检测接近机器人的人或其他障碍物；2）通过停止动作或者规避动作来避开障碍物；3）机器人的软件中具有周围环境和障碍物的模型；4）机器人的软件中具有自身运动的轨迹和里程模型；5）传送小物品时不会掉落或洒出；6）抓取物品时具有足够高的抓取力量，同时可以在抓住人的身体部位时避免伤害人体[11]。

4.2 服务机器人开发的架构

服务机器人软件平台是一个复杂的平台，面临的计算环境是异构、动态和复杂的环境。在工业机器人领域，大部分的机器人制造商都在产品中附带了自己的开发平台。但也有很多通用的服务机器人平台。

目前比较著名的有微软公司的Microsoft Robotics Studio。该平台可以提供高质量的可视模拟环境，开发人员可以充分测试程序，而不用冒机器人可能从楼梯上摔下来的风险。在Robotics Studio提供的众多工具中，可视化编程语言作为主要工具可以帮助编程新手通过拖放图标快速创建命令程序。例如，工具可以让用户将机器人图标与视频游戏机的操纵杆关联起来，从而可以用操纵杆控制机器人的移动。该系统目前针对教育学习者免费[12]。

OROCOS是Open Robot Control System的缩写，该计划的目的是开发一种通用的、免费的模块化架构，用于机器人控制。OROCOS由4个库组成：实时工具集、运动学与动力学算法集、贝叶斯过滤库和OROCOS组件库。OROCOS组件库提供了一些现成的控制模块，如硬件接口模块、控制模块及模块的管理功能组件[13]。

Skilligent是一个控制系统，允许服务机器人和人的交互，从人那里学习新的技能并在环境中安全地导航。从严格意义上说，Skilligent不属于机器人软件开发平台。因为它提供的是一种对机器人编程的仿真训练，而不是真正意义上编写实际运行在机器人上的程序。Skilligent让一个常规的机器人变成一个能与终端用户交流并能被训练的友好的机器人。系统控制软件的良好的交互性能让用户与机器人之间的交流和协作更自然[14]。

近年来，将中间件技术引入机器人软件平台可以屏蔽底层复杂性，机器人中间件技术已经成为一个研究热点。例如RT-Middleware，是一个建造机器人的软件平台，将模块化的机器人功能元素（RT functional element）组合起来，RT功能元素如伺服电机、传感器、摄像头，或者设备组合如移动平台、机械臂，甚至一些软件算法如图像处理算法等。又如基于UPnP技术的中间件，UPnP是由通用即插即用论坛提出的一套网络协议，协议目标是将家庭网络（数据共享、通信和娱乐）和工作网络中的各种设备无缝地连接，并简化相关网络的设置[15]。

4.3 服务机器人开发的资源

RoboCup（机器人世界杯）是一个世界范围内的机器人比赛。主要目的就是通过提供一个标准的易于评价的比赛平台促进分布式人工智能与智能机器人技术的研究与教育。1996年，RoboCup国际联合会成立，并在日本举行了表演赛，以后每年举办一届。其最终目标是经过50年左右的研究，使机器人足球队能战胜人类足球冠军队[16]。与RoboCup类似的国际机器人比赛还有FIRA，最早由韩国高等技术研究院的金钟焕（Jong-Hwan Kim）教授于1995年提出，并于1996年在韩国举办了第一届国际比赛。

RoboCup除了具有小型组和中型组的机器人足球比赛之外，还具有营救组（RoboCupRescue）、家庭组（RoboCup@Home）、工作组（RoboCup@Work）的比赛。其中营救比赛模拟灾难营救场景，让机器人在灾难现场进行营救。而家庭组比赛则着眼于家庭环境中的服务机器人技术，一系列的标准测试被用来衡量机器人在家庭环境中的能力和性能，重点研究领域是：人机交互和协作，动态环境中的导航和地图，在自然光条件下的计算机视觉和目标识别，物体操纵等等[17]。值得注意的是，RoboCup足球比赛和家庭组等都有对应的仿真比赛，即没有实体机器人参与，而只是在计算机中进行虚拟的比赛。仿真比赛可以使得参赛者不必关注底层硬件，而着重关注上层的软件框架和策略实现。

RoboCup@Home的测试场景包括两个阶段，第1阶段的测试包括：

1）Robo-Zoo。所有参赛的机器人排成一个动物园类型的走廊，观众从中走过。机器人被限定在一定区域内不可离开，在最多一个小时之内进行表演。

2）基本功能。如机器人将一个已知物品和一个未知物品取出，并将已知物品放置在分类区，将未知物品放置在回收区；或根据语音命令来进行；或者从多人中识别出一个人来；行进中避障，有的障碍是可避开的，如椅子，有的障碍是不可避开的，如禁闭的门，此时需要机器人重新规划路线。

3）跟随我。机器人跟随一个陌生人通过一个公共空间。

4）紧急状况，家庭事故。设定的场景是老人独自在家时发生了急诊事故，机器人应当能够检测到故障，如看到或听到老人倒下，或者识别出老人的呼救，机器人应能够联系急救，并采取紧急护理措施。该项目的用时应尽可能地短。

5）开放测试。

第2阶段的任务包括：

1）鸡尾酒会。机器人必须能够识别并记住陌生人，并执行饮食运送任务。

2）一般任务机器人。没有特定的执行动作的顺序，例如不能使用类似状态机的决策机制；语言识别的难度逐渐增加；环境推理；长时间的稳定运行。

3）真实环境。如酒店或者超市。

在RoboCup比赛举行的同时，还有相关学术论文的发表和讨论等活动。

5 小结

虽然国际大公司已经占据了工业机器人的大部分市场，但服务机器人所涉及的应用领域很广泛，相关市场还处于市场培育期，缺乏相关的国际和国内标准。对于刚刚起步但发展快速的家庭服务机器人产业来说，中国企业仍有很多的机遇。

首先，需要发现适当的细分市场和新兴市场，并开发出好的产品，只要能够切实满足市场需求，则产业的发展空间是巨大的，也有望成为未来的国家和国际标准。

其次，需要重视国际国内标准，我国企业生产的服务机器人产品要想走出去，必须符合所在国认可的机器人标准（特别是安全标准），我国企业应继续争取参与国际标准的制定和修订工作，争取将我国企业具有优势的标准写入到国际标准中去，这样就不必为符合国际标准而对自己的产品进行大幅修改。同时也应积极地推动国内标准的制定工作，既可以参考国际标准直接引进，也可以因地制宜地制定具有我国特色、符合我国国情的国内标准。

再次，应重视国际上流行的机器人软件开发框架和平台，积极参与主流的服务机器人竞赛，既可以在巨人的肩膀上借力起飞，也可以借助国际竞赛的知名度来宣传自己的品牌和产品。

[1] 数字家庭[EB/OL].[2014-02-20].http://baike.baidu.com/link?url=YTEYl38b5bPznKF_igGPIWTmxZ0zhmbuAI-IpMPY8-AOX5Q8w S2RU_iBH5OvSUh8.

[2] Home Automation[EB/OL].[2014-02-20].http://en.wikipedia.org/wiki/Home_Automation.

[3] 科技部.“服务机器人科技发展‘十二五’专项规划”解读[J].机器人技术与应用，2012（3）：6-9.

[4] 服务机器人比工业机器人发展更快[J].工业设计，2013（1）：13.

[5] 李晓辉.标准缺乏掣肘国内机器人产业发展[EB/OL].[2014-02-20].http://www.cnstock.com/08chanye/zh/201211/2361 786.htm.

[6] 顾冬雷，王硕，王颖.机器人相关估计国际和国家标准研究[J].机器人技术与应用，2013（5）：21-23.

[7] 服务机器人科技发展“十二五”专项规划[J].机器人技术与应用，2012（3）：1-5.

[8] ISO committee TC184/SC2.Robots and robotic devices[EB/OL].[2014-02-20].http://www.iso.org/iso/standards_development/technical_committees/list_of_iso_technical_committees/iso_techni -cal_committee.htm?commid=54138.

[9]GWAK K W，KANG B H.Upcoming safety standard for non-industrial and non-medical personal care robot[C]//Proc.44th International Symposium on Robotics(ISR).Seoul：IEEE Press，2013：1-2.

[10] 赵爽，吴蒙，陈文龙.国内外家庭服务机器人标准研究[J].家电科技，2014（1）：34-35.

[11]JACOBST，REISER U，HAEGELEM，et al.Development of validation methods for the safety ofmobile service robotswithmanipulator[C]//Proc.7th German Conference on Robotics.Munich，Germany：IEEE Press，2012：46-50.

[12] Microsoft robotics studio[EB/OL].[2014-02-20].www.microsoft.com/robotics/.

[13]OROCOS[EB/OL].[2014-02-20].http://www.orocos.org/.

[14] Skilligent[EB/OL].[2014-02-20].http://www.skilligent.com/.

[15]ANDO N，SUEHIRO T，KITAGAKIK，et al.RT-middleware：distributed component middleware for RT(robot technology)[C]//Proc.2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.[S.l.]：IEEE Press，2005：3933-3938.

[16]RoboCup2014[EB/OL].[2014-02-20].www.robocup2014.org.

[17] RoboCup@Home[EB/OL].[2014-02-20].www.robocupathome.org.