智能机器人发展与现状

智能机器人正在改变着我们的生活，想象这样一种场景。

也许不知不觉的某一天，我们就会发现类似这样的机器人会真实出现在生活当中。

科技的发展日新月异，智能机器人也突飞猛进，伴随机器人发展而生的机器人操作系统，也是机器人重要的发展动力之一。

智能机器人举例

提到智能机器人，大家脑海里会映射出什么样的情景呢？

是不是会有很多科幻电影中变形金刚、大白机器人、星球大战等场景呢？

智能机器人这个概念，只是一个科幻词汇么？当然不是的，其实在我们身边，已经有越来越多智能机器人出现，我们来看看他们都在哪里？

扫地机器人

先来看一个大家最熟悉的一个类型——扫地机器人。现在的扫地机器人，除了可以完成扫地、拖地这样一些基本功能之外，还搭载了激光雷达、相机、红外等十几种传感器。

一个全新的扫地机器人虽然是第一次来到你家，但是它可能用到 5 分到 10 分钟时间，很快就可以通过它的传感器对你的家庭环境了如指掌，也就是把实际的家庭环境做成了一张地图，这样他就会知道哪里是卧室，哪里是餐厅，哪里是厨房，不同的区域用多大的风力，用多大的水量来去清扫最为合适，它都会智能化地来做判断。

除此之外，它还得知道怎么样去躲避各种障碍物，比如说家里面的宠物、地上摆放的插线板，各种各样的杂物等等。

所以看似非常小的一个扫地机器人，其实已经是一个很智能化的家用设备了，正在潜移默化地改变着我们的生活。

自动化仓储

第二个案例，虽然大部分人在生活中不会直接接触，但却和每一个人息息相关，那就是自动化仓储。

这是京东某个实际部署运营的一套自动化的仓库，在里面可以看到各种各样的机器人，比如工业机械臂、移动机器人等等，这套立体仓库当中大量的货架也是自动化的，这就是一个典型的机器人应用场景。

之前有一个关于京东的新闻报道，里边讲到，从我们下单那刻开始，到商品分拣出来放到快递员手上，只需要20分钟。比如我们要买个手机，下单付款，20分钟之后，这个手机已经从这么庞大的仓库中顺利找到，并且完成了包装、打标、分配等一系列工序。这样，我们在绝大部分城市，基本都可以体验到下单之后，当天或者隔天收货的体验，为什么它可以做到如此高效，就是因为背后这一套由机器人组成的自动化系统，借助大数据的分析，甚至可以做到在你下单之前，平台就知道你将要买什么东西。比如说你会按照一个月的频率买米买面，那平台就可以预测到上个月你买的米应该快吃完了，然后就会在距离你家最近的一个仓库里面备货。 当你下单之后，这袋米可能半个小时送到你手上了。

自动驾驶

第三个案例，那就是当今最为热门的技术之一——自动驾驶。

自动驾驶汽车也是典型的移动机器人系统，为了保证绝对安全的驾驶过程，汽车上装配了非常多的传感器，以及极为复杂的控制算法。

视频中我们看到的是华为自动驾驶系统在实际路面上测试的效果，自动驾驶汽车通过多个相机、雷达、超声波，实时构建周围环境的三维信息，不仅可以动态识别路面上的行人车辆、车道线、交通指示灯等，还可以安全完成超车、会车、跟车、转向等重要功能，同时对突发状况也可以及时处理，比如躲避突然出现的车辆、礼让行人等，最终自动行驶入库，把我们安全顺利的送到目的地。

虽然自动驾驶相关的技术和法律法规还在不断完善中，但是相信有一天我们每个人都可以体验自动驾驶的乐趣，而且这一天不会太远。

智能机器人发展

机器人的发展横跨几十年，经历了三个重要时期。

2000年前，机器人主要应用于工业生产，俗称工业机器人，由示教器操控，帮助工厂释放劳动力，此时的机器人并没有太多智能而言，完全按照人类的命令执行动作，更加关注电气层面驱动器、伺服电机、减速机、控制器等设备，这是机器人的电气时代。

2000年后，计算机和视觉技术逐渐应用，机器人的类型不断丰富，出现了AGV、视觉检测等应用，此时的机器人传感器更加丰富，但是依然缺少自主思考的过程，智能化有限，只能感知局部环境，这是机器人的数字时代，不过这也是机器人大时代的前夜。

2015年之后，随着人工智能技术的快速发展，机器人成为了AI技术的最佳载体，家庭服务机器人、送餐机器人、四足仿生机器狗、自动驾驶汽车等应用呈井喷状爆发，智能机器人时代正式拉开序幕。

2015年之后，智能机器人市场迅速爆发，到2025年，国内人工智能市场有望达到1164亿元，而作为人工智能重要载体的机器人，市场更会达到1463亿元。

行业的快速发展，必将带动大量专业人才的需求，人才缺口也将逐年扩大，2025年，预计国内机器人行业的人才缺口将超过450万，人工智能方面的缺口更会达到1000万。

面对如此严峻的人才需求，国内各高校从2016年起，陆续开设机器人和人工智能专业，为人才的供给提供有力保障。

智能机器人的快速发展，必将对机器人开发提出更高的要求，软件层面最为热点的技术之一就是机器人操作系统，这也是我们课程的主角。

机器人操作系统

对于越来越复杂的智能机器人系统，已经不是一个人或者一个团队可以独立完成的，如何高效开发机器人，是技术层面上非常重要的一个问题，针对这个问题，一群斯坦福大学的有志青年尝试给出一个答案，那就是机器人操作系统。

ROS的诞生

2007年，他们诞生了这样一个想法，我们有没有可能做一款个人服务机器人，帮助我们完成洗衣、做饭、收拾家等一切你不想做的事情，甚至还可以在你无聊的时候，陪你聊天玩耍，最后他们真的做出来了。

当时，他们深知做出这样一款机器人并不容易，机械、电路、软件等都要涉及，而且横跨很多个专业，光靠自己肯定做不到，此时他们诞生了这样一个想法：既然自己做不到，那为什么不联合所有人一起干呢？如果设计一套标准的机器人平台和其中的软件，大家都可以在这个平台上做应用开发，既然应用软件都基于同一平台，应用的分享也很容易实现，这就类似别人开发的苹果手机应用，只要你有苹果手机，同样也可以用。

说干就干，初期的机器人原型是用实验室可以找到的木头和一些零部件组成的，后期有了充足的资金，才得以实现图中这款外观精致、性能强悍的机器人——PR2，Personal Robot 2代。

在这几个图中，我们可以看到PR2机器人已经可以完成叠毛巾、熨烫衣服、打台球、剪头发等一系列复杂的应用功能，以叠毛巾为例，这在当时是轰动机器人圈的重要研究，因为第一次有机器人可以完成柔性物体的处理，虽然效率很低，在100分钟之内只完成了5条毛巾的整理，但是在学术层面，却推动机器人向前走了一大步。

这款机器人中的软件框架就是ROS的原型，所以ROS因这款个人服务机器人而生，很快也从中独立出来，成为一款用于更多机器人的软件系统。

ROS怀揣“提高机器人软件复用率”的目标，促使社区快速发展和繁荣，时至今日，ROS已经广泛用于各种机器人的开发，无论是机械臂、移动机器人、水下机器人，还是人形机器人、复合机器人，统统都可以看到ROS的身影，ROS已经成为机器人领域的普遍标准。

ROS的特点

提高机器人软件复用率，这个目标简单来讲就是不要重新造轮子。

正如一家做汽车的公司，从零制造汽车并不是一个明智的做法，他们通常会采购A家的轮子、B家的引擎、C家的多媒体系统，最后把这些整合到一起做成汽车。同理，我们也可以将ROS社区中已有的各种软件集合到一起，在此之上去实现自己的创意，同时还可以将自己的成果分享给别人，这样大家都可以站在巨人的肩膀上，向前走的更远，一步一步，智能机器人才会有更多沉淀和更长远的进步。

围绕这个核心目标，ROS在自身的设计上也尽量做到了模块化，由通信机制、开发工具、应用功能、生态系统四大部分组成。同时ROS具备多项特点，这里的ROS是ROS1和ROS2的总称， 比如：

• 社区是全球化的，那就可以集合全人类的智慧来推进机器人的智能化发展；
• 这些智慧的结晶都会以各种各样的应用案例在社区中沉淀下来；
• ROS本身也是完全开源的，商业许可证非常宽松；
• 对商业应用功能友好，这就代表着公司可以直接使用ROS开发商业化的机器人产品，缩短了产品的上市时间；
• ROS也可以跨平台使用，Linux、Windows、嵌入式系统都可以跑；
• ROS2中也新增了很多支持工业应用的新特性和新技术，促使ROS在越来越多领域中被使用。

ROS的社区

社区是ROS快速发展的核心动力，什么是社区呢？其实就是ROS相关资源的整合方式，比如wiki说明、问答网站、应用源码、论坛讨论等都算是社区中的元素。

ROS全球社区有几个重要网站：

1. answers.ros.org，这是一个ROS问答网站，大家可以在上边提出任何关于ROS的问题，全球很多开发者都很乐意回答我们的问题；
2. wiki.ros.org，这是ROS的维基百科，记录了ROS教程和各种功能包的使用；
3. discourse.ros.org，这是ROS论坛，关于ROS开发的新鲜事都可以在这里发表和查看，比如ROS的活动、新功能包的发布等等。
4. index.ros.org，是ROS各种资源的一个索引网站；
5. packages.ros.org，是ROS功能包存储的数据库。

这几个网站的使用情况基本就可以代表ROS社区的活跃度了。

上图是近几年ROS社区页面浏览量的增长曲线，从总体趋势上来看，各项增长速度都非常快，wiki作为日常使用最为频繁的网站，使用度无疑是最高的，现在每个月有150万左右的访问量，answers和packages现在差不多，每个月有80万左右，其他两个不多，四项加起来每个月基本有250万左右的访问量，已经是一个活跃度非常棒的社区了。

从访问人数上来看，上边这张图更为清晰，wiki每个月有20到25万人使用，answers每个月有15万人以上使用，四项加起来每个月差不多有40多万的使用人数，这些用户绝大部分都是机器人开发者，可以看到ROS使用人数是越来越多了。

这张图是根据功能包下载次数统计得到的地域排名，基本上可以代表不同国家机器人研发的活跃程度，给大家作为一个参考。

总而言之，通过这些数据，我们可以看到的是ROS发展迅猛，正在助推机器人革命这一波大浪潮，大家每一个人在其中都大有可为。