2019 全球教育机器人发展白皮书 Educational Robots White Paper 2019: The Global Development 北京师范大学智慧学习研究院 互联网教育智能技术及应用国家工程实验室 2019-08-23 于 2019 世界机器人大会机器人教育与创客论坛首发
国家政策 重点研究低成本的自组织网络, 个性化的智能机器人和人机交互系统 高柔性免受攻击的数据网络和先进的 信息安全系统 智能服务机器人 是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备 以服务机器人和 危险作业机器人应用需求为重点, 研究设计方法 制造工艺 智能控制和应用系统集成等共性基础技术 国务院 2006 国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020 年 ) 2017 2018 2019 基础前沿理论 5 10 3 共性技术 8 8 6 关键技术与装备 17 17 16 应用示范 12 15 8 拟安排国拨经费总概算 6 亿元 6.2 亿元 4 亿元 近三年项目数及经费总概算 从机器人基础前沿理论 共性技术 关键技术与装备 应用示范四个层次, 围绕智能机器人基础前沿理论技术 新一代机器人 关键共性技术 工业机器人 服务机器人 特种机器人六个方向部署实施 科技部 智能机器人 重点专项 (2017-2021) 1
国家政策 将 高档数控机床和机器人 作为大力推动的重点领域之一, 提出机器人产业的发展要 围绕汽车 机械 电子 危险品制造 国防军工 化工 轻工等工业 机器人应用以及医疗健康 家庭服务 教育娱乐等服务机器人应用的需 求, 积极研发新产品, 促进机器人标准化 模块化发展, 扩大市场应用 国务院于 2015 年 5 月印发 中国制造 2025 大力发展人工智能新兴产业 包括 智能机器人 攻克智能机器人核心零部件 专用传感器, 完善智能机器人硬件接口标准 软件接口协议标准以及安全使用标准 研制智能工业机器人 智能服务机器人, 实现大规模应用并进入国际市场 国务院于 2017 年 7 月印发 新一代人工智能发展规划 2
国家政策 人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力, 正深刻改变着人们的生产 生活 学习方式, 推动人类社会迎来人机协同 跨界融合 共创分享的智能时代 把握全球人工智能发展态势, 找准突破口和主攻方向, 培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才, 是教育的重要使命 2019 年 5 月, 习近平向国际人工智能与教育大会致贺信 加强智能教学助手 教育机器人 智能学伴 语言文字信息化等关键技术研 究与应用 教育机器人作为机器人应用于教育领域的代表, 将成为智慧学习环 境的重要组成部分 教育部于 2018 年 4 月印发 教育信息化 2.0 行动计划 3
研究问题 2016 2019 1. 教育机器人的应用情境是什么? 2. 教育机器人的学术研究现状? 3. 教育机器人的市场产品如何评测? 4. 教育机器人的产品链分析如何? 市场规模如何? 1. 教育机器人的主要需求有哪些? 2. 教育机器人的学术研究现状? 3. 教育机器人的关键技术和主流设计思路是什么? 4. 教育机器人的产品分析框架及市场规模? 4
教育机器人类型 将所有协助进行教学或学习活动的 机器人教育, 以及具有教育服务智能的 教育服务机器 人, 统称为教育机器人 (Educational Robots) 机器人教育 教育服务机器人 5
一 教育机器人的主要需求
2019 年, 有这样一组真实的数据 项目组对 1032 位教师 1345 位家长和 857 名学生进行问卷调查 发现学生中有超过 85% 的学 生希望拥有一台教育机器人, 而教师中希望拥有一台教育机器人的比例高达 90% 从学生 教师与家长表达的需求内容来看讲, 各类群体都清晰地表达了自己对教育机器人的需求, 如, 学生希望有陪伴自己学习或练习的机器人 学习伙伴, 教师希望有辅助自己完成教学任务的机器人 助教, 家长想有可以替代自己的部分监护职责的机器人 监护人 等 与此同时, 学生 教师和家长都对教育机器人持积极使用的态度 7
教育机器人扮演的 17 种角色 幼儿小学生中学生大学生 机器人 保姆 机器人生活伙伴 机器人生活 助理 成人 幼儿教师小学教师中学教师家长 老人 机器人健康 助理 机器人学习 助理 机器人学习伙伴 机器人学习顾问 机器人教具 ( 玩具 ) 机器人 教师 机器人助教 机器人 助理 老人陪伴员 机器人监护员 机器人安全教育员 机器人社会服务人员 智能家庭管控 智能教室管控 8
教育机器人的短期 中期 长期需求 以人机交互技术 机器视觉技术 情境 感知技术的成熟度作为需求时程的准则 9
教育机器人的 12 类应用情境 教育机器人可以深度融入以家庭和学校为主的各种教育场域, 为不同对象提供丰富的教育服务 10
二 教育机器人的学术研究现状
十大教育机器人重要研究机构 序号研究机构名称国家 / 地区论文篇数论文被引频次实验室研究方向 1 塔夫茨大学美国 9 117 工程教育和外展中心 2 赫特福德大学英国 6 94 自适应系统研究组 3 Cote d'azur 大学 (UCA) 法国 8 89 4 国家科学研究中心 (CNRS) 法国 7 87 法国国家信息与自动化研究所 系统分析和体系结构实验室 开发专为幼儿教育而设计的低成本 适合幼儿发展的机器人建筑工具包 机器人在自闭症治疗以及舞蹈运动疗法中的应用 控制理论及应用数学 信息科学和技术领域 5 索邦大学法国 3 80 机器人与系统研究所动态系统和感知系统的建模 6 佐治亚理工学院 美国 7 61 7 国家研究委员会 (CNR) 意大利 6 47 8 贝尔格莱德大学 塞尔维亚 5 44 9 格拉茨技术大学 奥地利 2 42 10 意大利技术研究院 (IIT) 意大利 7 31 机器人与智能机械研究所 认知科学与技术研究所 Mihajlo Pupin 研究所机器人实验室 互动系统与数据科学研究所 icub Facility Department 医疗机器人与人类增强 自动化和协作机器人 开放式自主学习 ; 神经科学模型 人形机器人 机器人教育 类人机器人研究 12
十大教育机器人重要研究机构 赫特福德大学针对自闭症儿童所研发的教育机器人 KASPAR 意大利技术研究院的 icub 协助儿童学习社交和沟通能力, 达到具体的治疗和 教育目标 ( 例如直接的目光接触 ) icub 的研究人员强调 认知能力的学习, 并将其 作为开源平台, 被全球 20 多个实验室所采用 13
国内机器人重要研究机构 序号 研究机构 近两年牵头科技部 智能机器人 重点研发项目数 知网近五年发文排名前 20 近三年世界机器人大会邀请发言 自动化学会机器人专委会任职 1 中科院沈阳自动化研究所 3 2 北京理工大学 3 3 中国科学院自动化研究所 2 4 哈尔滨工业大学 2 5 天津大学 1 6 河北工业大学 1 7 国防科技大学 1 8 湖南大学 1 9 华南理工大学 1 10 南开大学 1 11 山东大学 1 12 同济大学 1 13 西安交通大学 1 14 重庆大学 1 15 上海交通大学机器人研究所 16 北京航空航天大学机器人研究所 14
教育机器人主要研究热点 15
教育机器人主要研究热点 类团名 教育机器人本体研究机器人教学角色及影响研究机器人教学实践研究 关键词 Artificial intelligence;education;robot LEGO Robot;Humanoid Robot;Computational thinking; Educational Robot;Creativity Social Robot;Engagement;Child-robot interaction;stem; Teaching;Learning;School 教育机器人设计研究 Mobile robots;service robots;autonomous robots;robot design;teleoperation;programming 教育机器人应用情境研究 Imitation;Children;Autism;Human-Robot Interaction 16
教育机器人主要研究热点 17 DOF 1% Charles 1% DARwIn 2% icub 2% irobiq 4% KASPAR 4% Keepon 2% 其他机器人产品 42% NAO 25% 教育机器人主要服务群体 乐高机器人 11% Thymio 2% Robota 2% Robove 系列 2% 实验中主要用到的教育机器人 17
教育机器人主要研究热点 教育机器人应用于 STEM 教育不同适用对象占比 教育机器人应用情境与适用对象交叉分析 教育机器人应用情境 教育机器人应用于身心障碍治疗不同适用对象占比 18
三 教育机器人的关键技术和主流设计思路
教育机器人的关键技术 基础前沿技术 方向 1: 机器人基础前沿技术 方向 2: 新一代机器人平台机制 任务 1-1: 新型结构 / 材料 / 驱动 / 传感 / 控制与仿生艺术 任务 1-2: 智能机器人学习与认知技术 任务 1-3: 人机自然交互与协作共融技术 任务 2-1: 互助协作机器人 任务 2-2: 人体增强型机器人 共性前沿技术 方向 3: 机器人共性关键技术 任务 3-1: 机器人核心零部件任务 3-2: 机器人核心软件任务 3-3: 机器人测试 安全与可靠性技术 产品与系统开发 方向 4: 工业机器人方向 5: 服务机器人方向 6: 特种机器人 任务 4-1: 工业机器人智能作业与系统 任务 5-1: 服务机器人生活辅助技术与系统 任务 6-1: 特殊环境服役机器人环境适应技术与自主作业系统任务 任务 4-2: 新型工业机器人任务 5-2: 服务机器人云端在线服务技术平台任务 6-2: 医疗 / 康复机器人技术与系统 集成与应用示范 任务 4-3: 国产工业机器人在典型行业 / 重点区域应用示范 任务 5-3: 面向助老助残 / 智慧家庭 / 社会服务的典型示范应用 任务 6-3: 面向医疗 / 安全与救援 / 科学工程的机器人应用示范 来源 : 哈尔滨工业大学赵杰教授在 2018 中国人工智能大会上的发言 20
基础前沿理论共性技术关键技术与装备应用示范 2017 1. 机器人新型机构设计理论与技术 2. 机器人智能发育理论 方法与验证 3. 生 - 机智能交互与生机电一体化机器人技术 4. 人机协作型移动作业机器人 5. 助力型外骨骼机器人 1. 机器人系列化高精度谐波减速器产品性能优化 2. 机器人系列化高精度 RV 减速器产品性能优化 3. 工业机器人伺服电机与驱动产品性能优化 4. 工业机器人控制器产品性能优化 5. 机器人操作系统 6. 面向工业机器人生产线的工艺规划仿真与离线编程软件 7. 工业机器人可靠性质量保障技术 8. 工业机器人整机性能测试与评估平台 1. 大型复杂曲面叶片智能磨抛作业机器人技术与系统 2. 大型复杂结构机器人智能激光焊接技术及系统 3. 面向飞机装配的机器人智能钻铆技术与系统 4. 混联机构加工机器人 5. 室外无轨导航重载 AGV 6. 液压重载机械臂 7. 智能护理机器人 8. 截瘫患者助行机器人 9. 服务机器人云服务平台 10. 核电站机器人检修智能作业系统 11. 面向盾构施工的机器人智能作业系统 12. 眼科手术机器人系统 13. 经输尿管肾内介入诊疗机器人系统 14. 口腔及喉部微创手术机器人系统 15. 微创膝关节置换手术机器人系统 16. 实时导航穿刺手术机器人 17. 脑卒中康复机器人系统 1. 面向港口机械超大型构件的机器人制造技术与系统 2. 高铁白车身机器人自动化生产线 3. 面向新能源汽车全铝车身制造机器人生产线 4. 面向炼钢工艺流程的机器人自动化作业系统 5. 面向电子行业制造的机器人自动化生产线 6. 矿热炉冶炼机器人作业系统 7. 喷涂机器人技术及在家具行业的示范应用 8. 面向纺织行业的机器人自动化生产线示范应用 9. 面向敬老院的老人辅助机器人系统典型示范应用 10. 面向边远地区的远程骨创伤手术机器人示范应用 11. 颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人示范应用 12. 微创血管介入手术机器人示范应用 2018 1. 仿灵长类高机动运动机器人 2. 机器人新型复杂变构型机构设计理论与技术 3. 机器人仿生感知与驱动技术 4. 机器人用新型精密减速器 5. 微纳操作机器人技术与系统 6. 基于视觉的机器人环境建模与定位导航 7. 人 机器人智能融合技术 8. 多模态融合的机器人自然交互 9. 互助型冗余灵巧作业机器人 10. 穿戴式外肢体辅助作业机器人 1. 面向机器人应用的激光扫描测距仪 2. 机器人六维力和触觉传感器 3. 面向工业机器人的三维视觉测量单元 4. 面向服务机器人的三维视觉传感器 5. 工业机器人中间件应用平台 6. 工业机器人云平台 7. 工业机器人故障诊断及健康评估系统 8. 工业机器人整机性能提升与验证 1. 个性化图案智能涂装机器人技术与系统 2. 复杂曲面壁板结构搅拌摩擦焊接机器人技术及系统 3. 大型复杂复合材料结构打磨机器人技术及系统 4. 面向酿造工艺流程的机器人智能作业系统 5. 汽车板材机器人激光落料和三维切割系统 6. 全断面掘进机刀盘刀具检测换刀机器人 7. 大型结构件可移动多机器人协同原位加工系统 8. 面向建筑行业典型应用的机器人关键技术与系统 9. 面向半失能老人的辅助机器人技术与系统 10. 智能家居服务机器人技术与系统 11. 双向神经通路的智能上肢假肢 12. 智能动力下肢假肢系统 13. 面向电力行业的作业机器人系统 14. 高海拔环境科考站辅助值守机器人 15. 面向脊柱椎板切除手术的机器人系统 16. 面向人体狭窄腔道的微创手术机器人 17. 面向下肢骨折精准复位手术与康复一体化机器人系统 1. 大型轴类楔横轧制机器人化生产线及其应用示范 2. 面向五金行业制造的国产机器人系统应用示范 3. 面向铸造行业的机器人自动化生产线 4. 面向定制式木工家具制造的机器人自动化生产示范线 5. 卫浴陶瓷制造机器人自动化生产示范线 6. 洁净环境大尺寸玻璃基板搬运机器人系统及应用示范 7. 面向手机 / 笔记本电脑制造的机器人自动化生产线 8. 面向特钢棒材精整作业的机器人系统 9. 面向鞋服行业的机器人自动化生产线 10. 汽车轮毂智能磨抛机器人系统 11. 面向有色金属浇铸过程的机器人作业系统 12. 面向锻造行业机器人自动化生产线 13. 钣金制造机器人智能化生产线及应用示范 14. 面向电商的无人化仓储物流机器人系统及应用示范 15. 面向大型立面维护的作业机器人与应用示范 2019 1. 高性能仿生足式机器人 2. 机器人仿生攀附机理与机构创新设计 3. 靶向药物输送场控微纳机器人 1. 面向服务和工业领域的实用多指灵巧手 2. 机构 / 驱动 / 感知 / 控制一体化机器人关节 3. 机器人环境建模与导航定位专用芯片及软硬件模组 4. 工业机器人高精度在线校准关键技术 5. 基于视觉与电子皮肤的机器人安全控制技术 6. 水下机器人近底精细目标检测与避障控制共性技术 1. 大跨度桥梁检测作业机器人 2. 大直径长引水隧洞水下检测机器人系统 3. 机场跑道道面安全检测机器人 4. 面向国家石油战略储备库安全的储罐检测机器人 5. 涉核装置事故应急处置机器人系统 6. 微器件机器人检测装配一体化系统 7. 畜禽类肉品高效精准机器人自主分割系统 8. 发动机高温合金构件修复及磨抛机器人系统 9. 复杂狭窄舱内结构探测清除作业机器人 10. 近距离放疗微创机器人系统 11. 平衡障碍患者康复机器人 12. 面向消化道等基于实时显微成像 5. 诊疗一体化手术机器人系统 13. 飞秒激光微创手术机器人系统 14. 多器械协同递送血管介入手术机器人 15. 人工耳蜗微创植入机器人系统 16. 人机协同开颅手术机器人系统 1. 协作机器人系统典型应用示范 2. 大场景自主清洁机器人典型应用示范 3. 石化爆燃等危险环境防爆型作业机器人 4. 工业机器人核心零部件技术与应用示范 5. 大型农业机器人智能协同作业系统 6. 主动运动结肠检查机器人 7. 脊髓损伤康复机器人 8. 面向我国工业机器人职业培训的教育机器人系统 近三年 智能机器人 重点研发项目信息
教育机器人的关键技术 自然人机交互 机器学习 文献分析 人机交互 机器视觉 仿生科技 专家访谈 实地走访 情境感知 16 版通过需求倒推, 找到能满 足需求所需要的技术 19 版通过文献分析 专家访 谈 实地走访得到技术 22
教育机器人主流设计思路 应用场景分析是教育机器人设计的起点 智能化是教育机器人设计的着力点 模块化设计是教育机器人本体设计的趋势 教育机器人智能设计中通常采用堆叠的方法 教育机器人有待发展更多的教育适用性智能 23
四 教育机器人的产品分析框架及市场规模
教育机器人产品分析框架 层级 5 真实表情动作 仿生感知 真人智能 文化互动 层级 4 拟人表情动作 多重知觉 自主学习智能 多群互动 层级 3 拟真表情动作 单一知觉 被动学习智能 多人互动 层级 2 自主表情动作 基本信号感知 预置规则 双人互动 层级 1 无自主表情动作 无感知 无智能 无互动 表情动作 感知输入 机器人智能 社会互动 25
40 个国内外产品案例 产品名称 国家 产品名称 国家 产品名称 国家 产品名称 国家 未来教师 中国 和宝贝 中国 NAO 日本 VGo 美国 U05E 优友小智 中国 阿尔法蛋 中国 EMIEW3 日本 Double 2 美国 神经元 中国 三宝幼教机器人 中国 Pepper 日本 Baxter 美国 格物斯坦机器人 中国 布丁豆豆 中国 Robotis STEM 韩国 BUDDY 法国 氪系列积木式机器人 中国 Alpha Ebot 中国 Atti 韩国 Aisoy KiK 西班牙 乐聚 AELOS( 教育版 ) 中国 小 8 机器人 中国 Musio 美国 OVObots 芬兰 百变小强 中国 Luka Hero 中国 Tega 美国 LEGO Mind Storms EV3 丹麦 米兔积木机器人 中国 巴巴腾 A6 型号 中国 Milo 美国 KUBO Coding 丹麦 小度机器人 中国 乐橙育儿机器人小乐 中国 Romibo 美国 AV-1 挪威 公子小白 中国 小 Q2 机器人 中国 Dash & Dot 美国 Cubetto Playset 英国 26
教育机器人产品分析雷达图 27
教育机器人产品分析雷达图 28
教育机器人 7 层产业链条 29
全球教育机器人市场发展建议 系统平台开发商决定 通用型教育服务机器人 系统集成商与渠道商决定 专用型教育服务机器人 专注细分市场, 聚焦专用型机器人 智能系统开发成为核心竞争力 教育机器人即服务 (ERaS) 自然人机交互技术关键 用户为中心以社会伦理规范设计 30
全球教育机器人市场规模到 2023 年可达 841 亿美元 2019-2023 年教育机器人市场规模预估 ( 单位 : 亿美元 ) 项目 / 年度 2019 年 2020 年 2021 年 2022 年 2023 年 终端消费市场 45.45 136.36 363.64 1090.91 3272.72 教育机构市场 17.60 19.00 20.50 22.20 24.00 教育套件市场 20.46 22.83 25.47 28.42 31.71 STEM 玩具套件 30.66 31.94 33.27 34.65 36.10 市场规模总额预估 28.54 52.53 110.72 294.05 841.14 基于全球教育 机器人的相关市场调查报告及相似产品的发展历程, 预估至 2023 年教育机器人市场模 型将达到 841 亿美元 其中教育服务机器人相较于机器人教育市场拥有较大的营收额, 至 2022 年预 估将进一步大幅度增长 31
五 核心观点
核心观点 01 统计发现, 美国 欧洲 ( 英 法 意 ) 是教育机器人学术研究的主要地区, 研究聚焦于教育机 器人的本体 教学角色及影响 教学实践 设计及应用情境五个方面, 机器人对 STEM 语言 教育 身心障碍治疗的价值和对学生能力的培养受到学界更多关注 02 教育用户的多样性决定了其对教育机器人的需求广泛且不同 从应用场域来看, 适用于家庭的 需求明显多于适用于学校的需求 ; 从功能效用来看, 辅助于语言教育和机器人教育的需求占比 较大 ; 从适用对象来看, 面向于学生的需求高于面向其他群体的需求 03 教育机器人的设计应以需求分析为基础, 以智能化为着力点, 既要满足用户的主观需求, 强化 自然人机交互体验, 又要对用户需求保持理性判断, 满足社会大众对教育机器人的伦理要求 33
核心观点 04 人机交互 机器视觉 情境感知是教育机器人研究中需大力发展的三大关键技术 ; 教育机器人 本机智能与云端智能设计的结合将为提升感知与交互能力提供新思路 此外, 教育机器人还应 发展更多的教育适用性, 提高教育服务的胜任力 05 教育机器人的终端消费市场在迅速扩展, 教育机器人产业将迎来快速发展期 专用型产品研发 和推广的思路逐步形成, 将成为系统集成商的蓝海市场 ; 细分领域有望成为未来教育机器人市 场的主要发展方向 06 教育机器人市场将形成服务型生态系统圈 与智能手机发展历程相似, 以教育机器人操作系统 和开放的 SDK 或 API 服务吸引软件开发商的加入, 形成从硬件集成到软件开发再到各种教学服 务的一整套服务体系 34
研究团队 黄荣怀 : 刘德建 : 教授, 北京师范大学智慧学习研究院联席院长, 互联网教育智能技术及应用国家工程实验室主任 教授级高级工程师, 北京师范大学智慧学习研究院联席院长, 网龙网络公司董事长 北京师范大学李艳燕 河北大学肖广德 北京师范大学张香玲 北京师范大学王君秀 北京师范大学任众 北京师范大学高博俊 北京师范大学李京津 北京师范大学曾海军
感 谢 ( 按姓氏拼音顺序 ) Carolyn Penstein Rosé Eugene G. Kowch Li Jiang 白洪瑜常琳陈虹宇陈年兴崔光佐樊磊方海光傅骞高凯高欣峰高颖高宇高媛郭骄阳韩立群胡展黄劲松焦艳丽郐红艳雷田蕊李立文李育浚林伟刘荣刘希未卢莹陆吉健陆际联罗明勇吕晶莹毛澄洁庞建新彭梓涵乔凤天秦瑞史航宋晨孙波孙东孙冬冬谭欢唐鹏威唐瑛陶霖密田云王飞跃王珺王莎莎王爽王同聚王晓丽王兴卓王永忠王镇山王珠珠魏来吴俊杰吴磊吴士坤武春燕向金谢广明徐乾杨晋杨磊杨钊姚有杰袁琳张定文张海波张尧郑勤华郑永和钟柏昌钟秉林周龙平周维 庄榕霞 曾轶群
感 谢
谢谢倾听! 引用信息 : 刘德建, 黄荣怀, 李艳燕, 肖广德, 李京津, 王君秀, 张香玲, 高博俊等.(2019). 全球教育机器人发展白皮书. 北京 : 北京师范大学智慧学习研究院