作者：安徽工程大学 潘颢
摘要：新冠肺炎疫情的袭来，“隔离”成为了当下的必须。为了减少人与人之间的直接接触，避免感染的可能性，“无人化生产”、“无人化配送”、“无人化测温”等“零接触”模式悄然兴起。其中，巡逻机器人成为了这场防疫战的“排头兵”，被称为机器人中的“逆行者”。它们不惧病毒，减轻了医护人员的工作强度，降低了医护人员的感染风险，成为科学抗疫的“硬核”力量。文章将从巡逻机器人的应用场景（测温、采样、送药、送餐）、技术实现（机器视觉、目标检测、5G通讯）、发展前景等方面展开综述。
关键词：抗疫、巡逻机器人、机器视觉、5G、发展前景
Abstract：With the outbreak of the COVID-19, "quarantine" has become a necessity now. In order to reduce direct contact between people and avoid the possibility of infection, "no-touch" modes such as "unmanned distribution", "unmanned production", and "unmanned temperature measurement" have quietly emerged. Among them, the patrol robot has become the "vanguard" of this epidemic prevention war, and is known as the "retrograde" among robots. They are not afraid of the virus, reduce the work intensity of medical staff, reduce the risk of infection of medical staff, and become a "hard" force for scientific anti-epidemic. This article will summarize the application scenarios (temperature measurement, sampling, drug delivery, meal delivery), technical implementation (machine vision, target detection, 5G communication) and development prospects of patrol robots.
Keywords:Anti-epidemic(COVID-19); Patrol Robot; Machine Vision; 5G; Development Prospects
一、引言
疫情防控期间，在战疫一线的医院里巡逻机器人默默执行着智能消杀的任务，以高于人工数倍的效率，不停歇地连轴作业。它们不惧病毒，测温、采样、送药、送餐，减轻了医护人员的工作强度，降低了医护人员的感染风险，成为科学抗疫的“硬核”力量。
2020年2月4日，工信部发布了《充分发挥人工智能赋能效用 协力抗击新型冠状病毒感染的肺炎疫情倡议书》，中国掀起了大规模的AI抗疫热潮。通过各类媒体报道，我们可以看到全国各地都在以“机器换人”的模式研发并推广使用各类“巡逻机器人”。2020年2月初，广东省人民医院率先投入使用了“送药送餐巡逻机器人”，武汉市疫情中心的6家医院投入使用了“紫外线消杀巡逻机器人”，全国首个“5G医用测温巡逻机器人”在浙江上岗，除了可以精密测温，还可以进行口罩识别；7月底，浙江大学紫金港校区内出现了“无人快递巡逻机器车”，引发网络热议；五一、十一期间，虽然中国内地的疫情得到了基本控制，但在各类商超、大型商业广场上仍能看到“巡检巡逻机器人”进行7*24小时不间断的“守护”……从清洁消毒、巡检到送餐送快递服务，让大家清晰地认识到巡逻机器人在当下的重要作用。
按照国际机器人联合会的分类标准，当前机器人主要可以分为服务机器人和工业机器人两类。服务机器人很“年轻”，其一般分为特种服务机器人和个人/家庭服务机器人，服务机器人的应用场景十分广泛，主要有运输、清洗、监护、保安、救援等工作。而工业机器人已经广泛应用于汽车及零部件制造、机械加工、电子电气及食品工业等诸多领域,已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。自世界上第一台工业机器人诞生以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。其中，巡逻机器人归属于“服务机器人”。如按照功能属性与应用场景来分类，其又可归属于“特种服务机器人”。
特种服务机器人是应用于专业领域，一般由经过专门培训的人员操作或使用，辅助或代替人执行任务的机器人。通俗地讲，除了以机械臂为主的工业机器人、以扫地、擦窗为主的个人/家庭服务机器人、以迎宾、导购为主的公共服务机器人之外，都是特种服务机器人。如今，它们已广泛应用于各行各业，正悄悄改变着我们的生活。在农业、电力、安防、救援、军用、石油化工等行业，都有特种机器人的身影，它们或是解放人工、提高效率，或是取代人工、保障安全。例如，在安防与救援方面，特种机器人开展安全保卫、巡检救援；在石油化工方面，特种机器人可以开采、勘探、运输和加工；在医疗康复方面，除了在疫情防控中发挥重大作用的医疗辅助机器人，康复养老型机器人未来也将会是照料老人的“私人保姆”。除此之外，随着科技的进步，特种机器人的智能性和实用性也在日益增强，不仅能地面作业，在天空、太空、海底都有它们的身影。例如我国首个火星探测车“天问一号”就是特种服务机器人的一种。
二、巡逻机器人如何“大展身手”
疫情爆发后，众多企业迅速行动，为中国医疗机构提供服务机器人。包含阿里巴巴、百度、擎朗科技、达闼科技、优地科技、猎户星空、京东物流、苏宁物流、美团无人车、优必选、高新兴等数十几家机器人企业在这次抗议期间积极研发、投入使用其“巡逻机器人”。根据功能属性，可分为以下几种：
1、智能巡检
2020年2月，浙江大学医学院附属第一医院投入使用了“全国首个基于5G通信技术的可移动式医用测温巡逻机器人”，依靠机身上搭载的高清视频，它可以无死角观察现场，以红外方式在距离人体10米范围进行精密测温，还可以进行口罩识别，对于体温超过预警值或没有规范佩戴口罩的人员，机器人会现场通过高音播报发出温度告警和提醒。
它在院区的门口、大厅、住院部、无台阶路面等任何有人体测温需求的场点，可以实现自主巡逻，同时还具备远程对讲、循环播报提醒等功能，可实现远程可视化指挥。同时，红外热成像等各类监测数据可通过5G网络同步传送到后台，实现24小时全天候监测。有效节约人力的同时大幅降低了人与人密切接触的风险。
2、物流运输
3月，火神山医院内，“送餐送药巡逻机器人”大展身手，减轻了医务人员的工作量，不仅提升了效率，还最大程度的降低了安全风险。
7月下旬开始，一辆辆闪着“大眼睛”的蓝色迷你长方形小车
——小G每天穿梭在浙大紫金港校区的宿舍区，给学生们送快递上门。据了解，早在2017年，阿里巴巴达摩院自动驾驶实验室就开始研发“无人快递车”，但出于校园内安全保证的考虑，当时并未正式投入使用，现在技术已更加成熟，便正式启用。引进“小G”一方面更方便学生领取较重物品，一方面符合疫情期间“无接触配送”理念。
3、问答问诊
4月，由北京市海淀区上地街道搭建合作平台，上地医院参与研发的上地智能机器人在位于中关村软件园一期的尚东·数字谷投入使用，帮助园区企业员工“寻医问诊”。
5月，百度公司陆续推出“智能问答、问诊巡逻机器人”，依托“百度健康”、“百度翻译”、“百度云语音处理”等生态项目随时随地回答患者的疑问。
4、清洁消杀
优必选机器人，推出了智巡士、安巡士等智能消杀巡逻机器人。酷哇机器人推出环卫清扫消毒机器人，根据路况，环卫清扫消毒机器人可选择无人驾驶或人工驾驶模式，对社区街道、垃圾桶、路沿座椅等进行冲洗消毒。
雷神山医院内，“消毒送物巡逻机器人”在病房走廊稳定运行，机器人装载的消毒箱上部有7个淋浴头，雾化消毒液不断喷出。喷雾消毒结束后，机器人返回准备区，自动更换装有药品、医疗器械等物品的配送箱，配送到多个感染科病房，每个护士站机器人自动停止，医务人员打开配送箱的小柜门，取出所需的医疗用品……
5、无人机巡检
2020年上半年，一则短视频火爆网络。视频中，一架无人机在户外提醒一位老奶奶居家隔离，不要乱跑。实际上，这是该社区的“无人机巡检机器人”，社区工作者在室内通过无人机监测到有人在外逗留，便可直接与路人对话提醒。
后疫情时代，除了上述功能外，“巡逻机器人”未来还有以下几种可能：
1、对于地面运动型巡逻机器人，可将智能巡检、物流运输、环境消杀等功能集成于一体，真正实现可适应各种地形、各种环境、各种需求的“抗疫巡逻机器人”。
2、对于大型晚会、大型户外活动等应用场景，巡逻机器人也可以将“巡检”与“拍摄直播”结合，满足各种实际要求。
3、在适老化改造方面，“巡逻机器人”在养老院也可发挥巨大作用，送餐送药、智能交互问答等是其主要展现功能。
4、对于无人机、地面运动型巡逻机器人，继续强化机器视觉与机器学习，做到智能测温的同时进行人脸识别，等到一定程度，可检测其他生物信息，判断是否感染病毒。
三、巡逻机器人技术实现
上文列举了“巡逻机器人”的多种应用场景，下面将对其核心功能的技术实现进行简单概述。
1、机器视觉
以普通的“安保巡逻机器人”为例，通用 USB 摄像头采集视频图像，通过 Internet 网络 WIFI技术将数字信号传输到客户端。采用编程语言进行编写程序，同时结合OpenCV等函数库对视频中的图像进行目标识别与跟踪。
我们知道，其经典的技术路线是：目标分割（Target Segmentation）、目标检测（Target Recogni-tion）、目标识别（TargetDetection）、目标跟踪（Target Tracking）。再采用 Faster-RCNN（Faster Region-based Convolutional Neural Netw-orks）目标检测识别方法对“危险目标”进行检测。
2、无人驾驶与路径规划
常见的无人驾驶系统，拥有大量的传感器系统，应用在无人车上的传感器设备主要由以下几类组成：激光雷达、电磁波雷达、超声波探测、被动式视觉传感。
对于机器人的路径规划问题，一般主要包括环境建模、路径选择和路径平滑三个步骤：地图建模：这就是 SLAM过程所需要完成的工作，机器人基于自身的理解，建立周围环境的栅格地图，和常人在环境中一样，可以对环境中的各个物体进行认知和理解，常用的是将视觉信息抽象成二维或三维的栅格单元，从而便于机器人的理解。
3、智能避障
当机器人的传感器遇到“阻碍”时，机器人将触发动力装置，进行减速、制动、调整方向等行为。有时，还要接入实时路况，采取人为干预的方式进行避障，最大可能的降低安全风险，保障人与机器人的安全。
4、5G通讯
5G 技术是当前最热门的科技话题。随着5G 在全球迅速覆盖，机器人行业也将有所革新。5G 特有的超大带宽、低时延和海量连接特性，使得机器人的部署方式变得更加的灵活、方便。机器人产业的发展关系着众多行业的未来，在机器人的研发过程中，解决网络延迟问题一直是机器人变革的重要环节。举例来说，机器人在接收指令到完成指令动作过程中，如果时间过长，就会导致机器人动作不连贯，卡顿现象频现。而 5G 技术的出现，这些问题将会被迎刃而解。
5、人工智能与机器学习
在对自然图片处理和一些建模数据处理的过程中，需要借助到机器学习和人工智能相关技术。人工智能的本质，是对人的思维的信息过程的模拟。我们知道，对于人的思维模拟有两种方式，一是结构模拟，仿照人脑的结构机制，制造出符合预期功能的机器；二是功能模拟，即直接从其功能过程进行模拟，暂时不关心人脑的实际结构。现代电子计算机的产生即是机器对人脑思维功能的模拟。
机器学习，则是通过大量的数据集不断训练模型，最终达到“有人的思维”，但这实际上不是真的“人工智能”，而是一种弱人工智能，目前，该技术正处于瓶颈期，仍未达到所谓的“强人工智能”。
四、“机器换人”大步前进
根据国家统计局数据显示，2019年我国特种服务机器人产品的增速为 38.9%，居智能化消费品增速第二位，随着新应用场景的不断涌现，预计增速还将继续保持。根据国际机器人联合会的数据和预测，全球特种服务机器人 2019年总销量约为 36.13 万台，较 2018 年增长 33%，呈现逐年加速之势。据中国电子学会统计，2019年我国智能机器人市场已达到86.8亿美元，约占全球市场份额三分之一，预计到2021年，我国智能机器人市场规模将突破120亿美元。
疫情防控期间，由于“防疫机器人”的研发耗时较长，且在疫情暴发前，各机器人公司开发这种机器人的动力相对不足。因此，在面对突发疫情时，各大企业主要通过改造现有机器人以适应市场需求。比如通过改进巡检、清扫机器人的防护与储放等装置，使其承担起防疫物资运送、远程问诊的任务。此类机器人已在防疫中得到应用，并且呈现出一定的优势，但目前仍存在工作准备时间长、效率不高和作业自主性不足等问题。
除此之外，智能巡逻机器人在实际应用中也存在一些争议，许多技术问题仍需要解决。首先需要解决的是对环境的感知问题。现有机器人的环境感知能力大部分还停留在静态环境，对动态环境感知的实时性和深度还不足。在人机交互能力方面，现有机器人对人的意图、行为、情绪等方面的认知也亟待提高。以防疫机器人为例，这类机器人需要在应用场景多变性、处置机动性和调度灵活性等机器人核心技术方面取得突破，不断提升智慧规划和自主性水平。
2020年的疫情，给我们的生活造成了意想不到的困难，但科技的发展解决了这些问题，让大众真实地体会到了机器人在“少人化”“无人化”场景中的特殊作用，也带来了更多从未预料过的便利和可能。在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中，机器人仍被列入了重点发展名单。虽然疫情的短时“刚需”促进了服务型机器人市场的大爆发，但却让人们看到了“机器换人”的紧迫性和可实施性。
当前，疫情正处于“常态化”发展，在后疫情时代，我们应当思考，未来，巡逻机器人如何更好的在医疗救治、物资保障、城市管理方面做出贡献。同时，我们也要清楚地知道自身的不足：如核心技术领域仍需加强攻克、国家级机器人公共服务平台稀少、机器人在细分领域的应用不够普及、机器人培训教育不够深入等。
五、小结
伴随着人工智能、大数据等前沿技术的不断发展，机器人市场发展迅猛，巡逻机器人的使用将越来越普遍，人工智能技术与现实应用场景更密切的结合成为一种趋势。无论是医院、学校、生活社区、交通枢纽还是工业园区，当机器人进入到这些场景中工作，人们会慢慢习惯巡逻机器人的融入，会看到其产生的服务价值。
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