教育服务机器人(Educational Service Robots)是具有教与学智能的服务机器人,通常被用于进行 STEAM教育、语言学习、特殊人群学习等主题的辅助与管理教学中。区别于机器人教育中常见的产品,教育服务机器人具有固定的结构,一般不支持用户自行拆装。 近年来,在世界各国纷纷颁布机器人和人工智能战略部署的背景下,将人工智能技术和机器人运用于教育领域的实践探索越来越多。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。

本期的智能内参,我们推荐北京师范大学的研究报告《2019全球教育机器人发展白皮书》,探讨教育机器人的创新应用途径,以及如何设计开发能满足各类教育服务对象需求的功能,为未来的教育机器人发展指明可能的趋势。如果想收藏本文的报告(2019全球教育机器人发展白皮书),可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc400”获取。

一、教育机器人发展现状

1、 全球教育机器人主要研究机构

在 WoS 核心合集中,1993 年至 2018 年间,与教育机器人有关的学术文献共计检索到了 3060 篇,最早的研究始于 1966 年,由 R. E. WHALLON 发表在《Phi Delta Kappan》的《ROBOTS IN CLASSROOM, A LOOK ATAMERICAN EDUCATIONAL FACTORY-BERGEN》。其中 2014 年至 2018 年间,与教育机器人有关的研究成果共 1404 篇,相比于 2012 年至 2016 年的文献总量,近 5 年有关教育机器人的研究数量开始急速增多,2017 年文献数量和被引频次达到峰值,2018 年有所回落。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

2014-2018 年教育机器人研究数量变化趋势

根据关键词聚类分析的结果,将教育机器人划分为 5 个类团

1、 教育机器人本体研究这类研究侧重对教育机器人领域的核心组成部分的阐述,如“教育”的本质和目标、“人工智能”技术、“机器人学”。这类研究主要集中在教育机器人的概念、特征、分类与相关的理论解析等方面。

2、 机器人教学角色及影响研究机器人教学角色及影响研究涉及的关键词有两类,一类是以“人形机器人”、“乐高机器人”为代表的机器人类型和角色研究,在这类研究中,有的研究者指出教育机器人通常扮演导师、同学和工具三种角色,也有的研究者认为机器人在教学中主要扮演学习对象、工具和同伴三种角色。

3、 教育机器人设计研究这类研究主要涉及“移动机器人”、“服务机器人”、“机器人设计”、“远程操控”、“编程”等关键词,这类研究侧重机器人类型、设计理念。一方面,依托特定的机器人,通过一定的程序设定或设计改造,使之能实现既定的教学目标或教学功能。另一方面,研究者致力于研发和提高机器人实现教学功能的技术设计。

4、 机器人教学实践研究这类研究的主要研究对象为儿童,研究内容涉及机器人课程设计、教育技术支持、机器人教学、机器人课程实践效果、机器人教学实践场景分析等。

5、 教育机器人应用情境研究机器人的应用情境包括两个方面,一是机器人的教学应用场域研究,排名前三的场域是一般教室、专业场域和个人场域。二是机器人的适用对象研究,K-12 教育主要涉及幼儿、小学生和中学生三类人群;特殊群体适用于各种需要医疗健康帮助的患者,如自闭症儿童;高等教育主要涉及本科生和研究生两类人群。

2、 教育机器人市场产品图谱

从教育服务的对象及可能的应用场域出发,有两大分析框架——产品分析框架和市场分析框架。依据两大分析框架,全球 12 种教育机器人产品类型如下图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

产品分析框架表

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

十二类教育机器人产品应用情境

从市场发展现状来看,首先,教育机器人产品主要集中在家庭和学校场域中使用,如家庭中的智能玩具、儿童娱乐教育同伴、家庭智能助理;学校一般教室与专用教室的远程控制机器人、STEAM 教具;专用教室或培训机构的自闭症特殊教育机器人。其次,部分产品仍处于概念性阶段,如课堂机器人助教、机器人“教师”,这类产品的功能设计仍需要市场的验证。再次,公共场所的教育机器人产品主要涉及安全教育功能。最后,专业培训上的教育机器人发展显示教育机器人应用在各领域的潜力,如工业制造培训、手术医疗培训、复健看护等。

分析来自全球市场的 40 个产品,并依据产品的使用场域及扮演角色 ,可得到目前全球市场上 12 类产品应用情境,如下图所示,

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

十二种产品类型应用情况

根据市场情况的分析,可以得出以下结论:第一,以教育资源为基础,发展有针对性的教育服务功能,是智能机器人占领教育服务市场的致胜法宝。第二,综合应用科学、技术、工程、艺术与数学知识的新型机器人,将会成为更受欢迎的 STEAM 教具。第三,恰当的本体和外观形态是教育机器人获得使用者信赖的基础,也是教育机器人能够胜任日常教育服务活动的基础。第四,机器人的可操控性,影响着其被用户接受的程度。

二、 丰富的角色与广阔的应用

1、 教育机器人的需求内容与实现时程

教育机器人可扮演的 17种角色:机器人“保姆”、机器人生活伙伴、机器人生活“助理”、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。由此可见,教育机器人可深度融入以家庭和学校为主的各种教育场域,为各类用户提供丰富的教育服务。

从需求内容来看,绝大部分集中在学生日常生活和学习中的陪伴与协助,此外,还包括特殊儿童的辅助、幼儿的看护、老人的陪伴、教师和家长的辅助等。以人机交互技术、机器人视觉技术、情境感知技术在内的 3 个关键技术的成熟度作为需求时程定义的准则,可确定各种角色功能中的短期需求、中期需求以及长期需求,如下图所示

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

各类用户群体教育机器人需求

2、 教育机器人的需求分析结论

人们对教育机器人的需求意愿较高85% 的学生和 90% 的教师希望拥有一台教育机器人。学生、教师与家长都清晰地表达了对教育机器人的需求,并对教育机器人使用持积极态度。

英语教育与机器人教育是各学段学生都适用的需求从现在机器人的发展现状看,利用教育机器人辅助学生学习英语,确实有利于发挥教育机器人功能,又能满足部分学生学习英语的需求。伴随人工智能、编程教育、STEAM 教育的兴起,绝大部分的教师和学生都希望掌握与机器人相关的知识,因而多个群体都提出了机器人教育的需求。

适用家庭的需求明显多于适用学校的需求在教育机器人扮演的 17 种角色中,除了机器人社会服务人员只是适用于社会公共场所外,其他角色几乎都具备部分适用家庭场域的特性,也就是说单纯只是适用于学校场域的角色类型非常少,只有机器人助教和智能教室管控两种角色。

与学生进行对话和情感交流的需求较为突出 多个群体都清晰地表达了希望机器人能够成为学生知心伙伴的需求,其中使用了诸如聊天、说心里话、疏解
心理压力、进行心情陪伴、与学生情感交流、对学生进行心理健康辅导、调控情绪、做学生的心灵导师等陈述。

对教育机器人按教学规律实施教学的需求较为突出 辅助学生的学习或教师的教学在所有需求中占据绝对重要位置。在这些需求中,不仅提出教育机器人需要具备强大的知识储备、能对学生进行答疑解惑、实施部分课程的教学等,还对机器人应掌握教学规律提出了要求。

人们的需求是教育机器人未来的发展方向 整体上看,学生、教师和家长提出了较多的需求,其中的少数需求内容已经在部分教育机器人产品上有所体现,
而大部分需求还未能有效实现。学生、教师和家长提出的教育机器人需求,代表了未来教育机器人的发展方向。

三、 专用教育机器人探索之路

1、 教育机器人的关键技术

教育机器人未来发展的三项关键技术:人机交互、机器视觉、情境感知

人机交互人机交互(Human-Robot Interaction)主要是研究人和机器人之间的信息交互或对话,是与认知心理学、人机工程学、语言学、社会学、计算机科学等密切相关的综合交叉学科。人机交互是智能服务机器人时代的前沿性、关键性技术,教育机器人作为智能服务机器人在教育领域的典型应用,其教育服务功能的设计与开发同样离不开人机交互技术。

机器视觉机器视觉(Machine Vision)是利用机器代替人眼来进行各种测量和判断的技术。发展机器视觉技术可以为机器人建造视觉系统,如同人类视觉系统的作用一样,使机器人能以智能和灵活的方式对其周围的环境作出反应。在教育领域中,如何识别教学场景,开发更具教育适应性的机器人,应成为教育机器人厂商重点关注的问题。

情境感知情境感知(Context Awareness)是指在进行决策时,使用当时的各种补充信息对决策进行改进,以确保做出能够支持动态变化的商业和 IT 环境的正确决策。在某些研究领域,情境感知被作为分享、反思、协作的方式。从教育角度出发 , 机器人需要在动态、未知、非结构化的复杂教育环境完成不同类型的教育服务,这就对教育机器人的情境感知技术提出了更高的要求

2、 教育机器人设计现状

教育机器人本体设计与研发还处在初级阶段教育机器人的本体还未形成系统化的设计方案,在架构、总线、通讯、接口、标准等方面都还没有形成规范;
此外,教育机器人的本体设计还未形成与计算机、手机等类似的规模效应;再者,属于基础性研究的内容还只是零星地出现在相对独立的技术环节中,不足以支撑起整个行业的突破性发展。

应用场景分析是教育机器人设计的起点教育机器人的设计与研究有两种发展取向:一种是以科学研究为导向,一种是产品生产为导向。无论是哪种取向的设计与研究,要想教育机器人能进入教育服务的应用实践中,都需要先进行应用场景的分析,根据应用场景中存在的需求,进而确定该场景下需要实现的功能,以及可能的实现方法。

智能化是教育机器人设计的着力点未来 10 年,人工智能将成为最具颠覆性的技术,提升智能类技术的服务体验将是教育机器人设计的着力点。教育机器人的智能化表现为在人机交互、机器视觉、情境感知等技术的支持下,应该具有能动地满足不同人群各种教育需求的属性。

模块化设计是教育机器人本体设计的趋势与计算机、手机等电子设备相比,机器人的本体结构还没有形成规范,更主要的特点是,机构件、硬件的设计需要匹配机器人的外形。采用模块化的方法将教育机器人设计成多个有机的模块,利用必要的通讯协议、接口进行信息和控制命令的传递,比较适用于教育机器人的本体设计。

教育机器人智能设计中通常采用堆叠的方法 一方面,教育机器人的智能本质是人工智能的应用,其中又包含了多种智能成分,而各种智能成分之间还没有形成体系化,堆叠智能是目前来讲比较有效的方法。另一方面,机器人的智能在一定程度上等同于机器人的运算能力,而教育机器人实现智能的运算中包含了太多的运算要求,提升机器人智能的一种途径就是为机器人设计各具 AI 功能的模块,将运算力要求分散到各个模块中,以降低对于主 CPU 运算能力的压力。从一定角度讲,利用分布式多 CPU 的模块化结构,增强机器人运算力的方法,也是一种堆叠智能的方法。

教育机器人有待发展更多的教育适用性智能虽然教育机器人不会代替教师的教学功能,但是若使教育机器人更胜任教育服务,一方面是提升教学效率,另一方面需要在功能上进行突破。在这个过程中,教育机器人需要在教室、家庭这两个最能体现教育服务特性的场景中具备更强更多的功能,展现其可能的应用价值。

四、教育机器人产业现状: 齐头并进的七层链条

1、 教育机器人产业链框架

通过调研教育机器人产业相关的厂商现状,针对教育机器人产业的未来发展趋势,以成熟发展的平板电脑产业链为参考,教育机器人的 7 层产业链框架图,如下图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

教育机器人产业链框架图

教育机器人与工业机器人相比,在形态、构成和功能上更加复杂,加之发展时间较短,仍然处于早期的创业探索阶段,教育机器人的 7 层产业链中的企业并非严格的上下游关系,部分企业同时具备多种角色。

在教育机器人的 7 层产业链框架中,“AI 芯片制造商”提供机器人所需的人工智能芯片,这是实现机器人智能的基础;“硬件制造商”提供组成机器人的主板、控制板、舵机、传感器、通讯模块、底盘移动机构、电源等各种零部件的制造、组装及测试;“系统平台开发商”开发与管理软、硬件资源的系统平台,提供人机互动最重要的自然用户接口(Natural User Interface,简称 NUI);“应用服务提供商”基于系统平台,开发包括教与学课程在内的各种教育服务功能软件,并由“内容供应商”提供教与学过程中所需的内容;“系统集成商”负责将市场需求与软、硬件功能整合成一个最终产品;“渠道商”通过各式实体与虚拟销售渠道,将产品传递到最终消费者或使用者。

2、教育机器人产业链的发展

随着市场需求具体化、技术发展逐渐成熟、生产成本降低,市场会自发形成多样的竞争与合作关系,以满足多变、多样的市场需求,进而也会引发产业链的变化,未来将有可能发展许多产业关系。

依据产业链的发展现状及相似产业的发展历程,由上游至下游可整理出以下 6 项未来产业发展趋势。

教育机器人产业链形成专业分工教育机器人仍处于初始发展阶段,目前多数教育机器人的厂商几乎涉及研发、设计、生产、销售等各产业链环节,如法国的 Aldebaran 推出 NAO。而家庭情绪智能机器人 Pepper,由 Aldebaran 厂商研发设计、鸿海富士康科技生产制造、软银销售宣传,形成产业链逐渐专业分工的趋势。随着服务型机器人市场的逐渐成熟,未来教育机器人的产业链将向专业分工的方向发展。

服务机器人制造技术成熟,加速教育机器人发展中国享有世界工厂的盛名,全球超过 70% 的玩具、50% 的手机,皆来自于中国制造。政策上,“中国制造2025”规划中,更是将机器人列为十大重点发展领域,规划十年期制造发展的目标。未来,随着硬件制造商在伺服舵机、减速器等关键零组件的技术成熟,硬件制造的技术与成本将降低,这意味着,除与形态密切相关的机构件外,机器人的硬件产品差异化将越来越小,深入各领域应用成为发展重心,将加速机器人各种教育应用的发展。

自然人机交互将成为产业关键技术教育机器人相较于应用其他智能设备进行教与学的活动,优势在于自然的人机互动方式,例如肢体动作、语音、图像识别等;以及赋予机器人具有如人类思考的智慧能力。让机器人与机器人或机器人与人之间,可以如人类般自然地感知交互,以降低学习中的使用障碍,在教育领域中有着特殊的重要作用,使自然人机交互成为教育机器人的产业关键技术。

教育专属应用服务程序与内容凸显市场产品价值教育机器人的优势在于自然人机交互的设计,在形成机器人的生态体系后,第三方软件开发商将可运用自然人机互动接口,以机器人的表情动作、感知输入的功能,开发丰富的教与学情境的应用程序服务与内容。未来,无论教育机器人是单独使用还是配合其他移动设备的使用,在服务机器人的市场逐渐普及方面,将吸引更多的第三方开发者加入,而专属于教育机器人的应用服务与内容的供货商将形成庞大的商机。

专业教育机器人成为系统集成商的蓝海市场系统集成商除了探索机器人替代劳力工作的应用外,更有机会研发如师徒制般将传统技艺保留、专业技术培训等专业领域的教学应用。甚至机器人可以融入个人的生活,在生活中以做中学、学中做的方式学习各种生活技能。现今快速变动的市场,系统集成商投入专业场域的教育机器人研发,将有机会成为蓝海市场。

产业链生态系统的竞争。现今在机器人制造、系统平台、第三方应用程序、教育内容趋向成熟发展的同时,唯有通过紧密的合作、结盟,形成完整产业链的生态体系,才能足以建立产业链庞大的竞争优势。因此,对于各产业链的成员而言,除专注于领域中技术、市场的发展,更可参考生态系统的概念发展。

五、 未来千帆竞发的生态系统

综合市场产品、产业链与市场规模的分析与预测,教育机器人未来市场发展预测,如下图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

教育机器人的未来市场发展预测

1、市场规模

依据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,本白皮书提出包括终端消费、教育机构、教育套件与 STEAM 玩具套件市场模型 4 个方面关于教育机器人的市场模型预测。其中,终端消费、教育机构市场模型用以预估教育服务机器人的市场模型;教育套件与 STEAM 玩具套件市场模型用以预估机器人教育的产品市场规模。2019~2023 年 4 个模型的市场规模详细预估,如下图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

2019~2023 年教育机器人市场规模预估(单位:亿美元)

终端消费市场规模预估——至 2023 年将达到 3272 亿美元教育服务机器人方面,产品相似于个人移动计算机及平板计算机的系统结构。参考以上两个产品的发展历程,可以发现:一项新产品从消费市场进入教育市场,平均需要 3 年时间。在平均价格下降到 500 美元的水平下,进入教育市场的前 3 年出货量可累计达到约 600 万台。

教育机构市场规模预估——至 2023 年将达到 24 亿美元 参考美国 2010 年劳动力生产总额报告,服务劳动力从事教育的比率为 17%,课题组预估服务机器人能取代约 8% 的教育劳动力生产总额。据市场调研机构 Markets and Markets 统计,2016 年至 2022 年全球服务机器人将以 15.18% 的年复合增长率增长,服务机器人将形成一个新的劳动力市场。

教育套件市场规模预估——至 2023 年将达到 31 亿美元 从机器人教育方面而言,可编程机器人作为教育套件,市场规模依据 Markets and Markets 报告统计,2018 年可编程机器人市值 18.34 亿美元,Redfield Report 报告指出可编程机器人将以 11.57% 的复和增长率增长。

STEAM 玩具套件市场规模预估——至 2023 年将达到 36 亿美元越来越多的智能玩具以 STEAM 教育作为设计理念,根据 Infiniti Research(2014)报告显示,全球玩具市场未来将以年复合增长率 4.17% 速度增长。Toy Industry Association 的报告显示,拥有 STEAM 教育作用的产品约占所有玩具 3% 的营收。

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 年教育机器人市场规模将达到 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更大的营收额,至 2022 年预估将进一步大幅度增长。此外,根据 Markets and Markets(2016)的预测,预估教育服务机器人市场的服务与内容营收,将占整体市场 78%。

2、 未来市场竞争与合作分析

根据教育服务机器人产品的核心价值,可区分为通用型及专用型两类。例如:儿童娱乐教育同伴、家庭智能助理、智能玩具的产品类型,机器人产品满足教育、娱乐、看护、游戏等多功能服务的核心价值,形成通用型的教育服务机器人。另一方面,课堂助教机器人、特殊教育机器人、医疗手术培训机器人、机器人“教师”、工业制造培训等产品类型,机器人产品针对教育情境提供专属设计的核心价值,形成专用型的教育服务机器人。

通用型教育服务机器人的市场竞争,吸引足够的第三方应用程序开发商加入。一方面,开发供给平台服务应用程序的价值。另一方面,创造更多市场上使用者的需求。当使用者的人数达到一定基数时,平台逐渐形成产业标准,并发展特有的应用程序商店,带动产业链上、下游厂商的发展。此生态系的竞争,相似于笔记本电脑、智能型手机、平板计算机的发展历程。通用型教育服务机器人市场关系发展如图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

通用型教育服务机器人市场关系发展

专用型教育服务机器人市场,将由渠道商与系统集成商扮演重要角色。系统集成商打造独有品牌价值的机器人系列产品,通过渠道商推广,成为市场上消费者的重要选择。由教与学的需求,推动整个产业链内容供应商、应用服务提供商、系统平台开发商、硬件制造商及 AI 芯片制造商等的发展。这个生态系如同教育用平板、电子互动白板、智能教室等教育科技产品的发展,系统集成商将扮演解决方案提供商的角色,满足各式教育机器人品牌商的价值需求。专用型教育服务机器人市场关系发展如下图所示。

全球教育机器人深度报告,一文看尽7层产业链12类产品【附下载】| 智东西内参

专用型教育服务机器人市场关系发展

智东西认为,教育机器人是机器人应用于教育领域的代表,是人工智能、语音识别、人机交互、机器视觉、情境感知等技术应用在教育中应用的典型,以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标。教育机器人未来将成为趋势,当今社会需要具有创新意识、有创造性思维的人才,未来的社会更是如此。 至 2023 年,预测教育机器人市场将超过 3000 亿美元,其中,教育服务机器人市场占比较大,其服务与内容营收占整个市场的 77.5% 以上。教育服务机器人这块新兴的蓝海市场,值得厂商攻关技术瓶颈,投入发展。 教育机器人未来将面向通用型与专用型两类产品发展,并各自发展出独有的产业链生态模式。随着市场专注于细分领域的产品需求挖掘,在统筹布局下,企业可以将视野投向更细分的、更专用型的教育机器人产品市场上,以此进军教育机器人的蓝海市场。

智能内参

权威数据·专业解读 读懂智能行业必看的报告在智东西回复“智能内参”查看全部报告