基于助老服務機器人的智慧養(yǎng)老院系統(tǒng)研究

孫奕敏 王玙璠 艾浩軍

（1.中國人民武裝警察部隊山東總隊訓練基地，山東 濟南 250000；2.武漢大學計算機學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

進入21世紀以來，由于我國執(zhí)行的獨生子女政策產(chǎn)生了一對夫婦需要贍養(yǎng)4位老人的家庭養(yǎng)老問題，老年人的護理不僅需要大量的資金還需要大量的人力，利用智能機器人技術(shù)，開發(fā)具有一定的護理能力的智能機器人幫助老人生活起居成為了解決我國養(yǎng)老問題的良策。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)愈來愈親身地感受到機器人深入生產(chǎn)、生活和社會的堅實步伐。一方面隨著各個國家老齡化越來越嚴重,更多的老人需要照顧，社會保障和服務的需求也更加緊迫，老齡化的家庭結(jié)構(gòu)必然使更多的年青家庭壓力增大，而且生活節(jié)奏的加快和工作的壓力，也使得年輕人沒有更多時間陪伴自己的孩子，隨之醞釀而生的將是廣大的家庭服務機器人市場。另一方面服務機器人將更加廣泛地代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè)，使人類從繁重的、重復單調(diào)的、有害健康和危險的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來。

1 智慧養(yǎng)老院的總體結(jié)構(gòu)

通過智能機器人與服務平臺給養(yǎng)老院老人提供更舒心、便捷的養(yǎng)老服務，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一網(wǎng)、一平臺、三核心技術(shù)、六大應用系統(tǒng)：

（1）一網(wǎng)，指物聯(lián)網(wǎng)，在養(yǎng)老院中建立物聯(lián)網(wǎng)基礎設施，采集養(yǎng)老院的基本數(shù)據(jù)信息，如視頻信息、溫濕度信息、人員地理位置信息等，為信息系統(tǒng)的建設提供強大的基礎數(shù)據(jù)支撐。

（2）一平臺，指養(yǎng)老院基礎設施與服務的智慧化支撐平臺，完成基于多設備接入的智能服務支撐平臺，建設智慧養(yǎng)老院數(shù)據(jù)中心，提供智能養(yǎng)老服務。

（3）三大核心技術(shù)，即機器人自定位與地圖創(chuàng)建技術(shù)、機器人視覺識別的智能人機交互技術(shù)和多網(wǎng)絡、多設備智能融合接入技術(shù)。通過核心技術(shù)攻關(guān)，攻克智能機器人領域自定位導航與智能交互的技術(shù)瓶頸，整合養(yǎng)老院多智能設備資源，實現(xiàn)智慧養(yǎng)老院的智能服務功能。

（4）六大系統(tǒng)，指機器人服務系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能視頻分析系統(tǒng)、網(wǎng)絡展播系統(tǒng)、老人健康管理系統(tǒng)、老人定位與呼叫系統(tǒng)六大應用系統(tǒng)。

圖1 基于助老服務機器人的智慧養(yǎng)老院結(jié)構(gòu)圖

2 智慧養(yǎng)老院中的關(guān)鍵技術(shù)

如圖2所示，我們開發(fā)的助老服務機器人具備了一下四個方面的功能。

圖2 助老服務機器人功能結(jié)構(gòu)圖

2.1 家居助手

老年人隨著年齡的增加，需要能順利的控制各種家電、燈光和音響。智能機器人作為家電控制的助手，能有效幫助老人完成對家電等的控制，同時還省去了老人尋找眾多家電遙控器的煩惱。本系統(tǒng)中，老人通過語音、圖片識別和界面按鈕控制三種方式控制機器人依次完成對兩個智能家居設備的開啟或關(guān)閉。關(guān)鍵在于機器人自主定位、導航、自主避障、語音合成、發(fā)音表達清晰程度等方面的能力。

2.2 吃藥提醒

對于定期服用不同藥的老人，錯吃藥和忘記定時吃藥是兩個比較突出的問題。助老組比賽設定此項目，使用智能機器人協(xié)助老人解決這兩方面的問題。

本系統(tǒng)通過智能機器人的物體識別能力，定時能力提醒老人吃藥，并確保老人吃藥安全。關(guān)鍵在于機器人自主定位、導航、門開關(guān)判定、物體識別、語音合成、發(fā)音表達清晰程度等方面的能力。

2.3 定時健康檢查

老人身體需要定期的體檢，助老機器人則可以完成老人提醒體檢和正常的例行身體檢查。關(guān)鍵在于機器人自主定位、導航、門開關(guān)判定、血氧脈搏檢測、語音合成、發(fā)音表達清晰程度等方面的能力。

2.4 物品小管家

智能機器人用來解決老年人找不到物品的苦惱。關(guān)鍵在于機器人自主定位、導航、物體識別、語音合成、發(fā)音表達清晰程度等方面的能力。

機器人走進人類日常生活，將人類從或繁重、或危險、或單調(diào)的日常勞動中解放出來是人們長期追求的夢想。目前的機器人主要適合于在大型車間等結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)環(huán)境下從事規(guī)范、重復和高精度的操作，難以適應人類的日常生活環(huán)境和任務要求。因此，研究機器人與人之間的行為交互是實現(xiàn)“機器人走進人類日常生活”的關(guān)鍵課題。

機器人與人的行為交互應體現(xiàn)自主性、安全性和友好性等幾個重要特征。自主性避免機器人對服務對象的過分依賴，可以根據(jù)比較抽象的任務要求，結(jié)合環(huán)境變化自動設計和調(diào)整任務序列；安全性是指通過機器人的感知和運動規(guī)劃能力，保證交互過程中人的安全和機器人自身的安全；友好性則體現(xiàn)了人作為服務對象對機器人系統(tǒng)提出的更高要求，即通過自然的，更接近與人與人之間交流的交流方式來實現(xiàn)人機對話。

基于多模態(tài)數(shù)據(jù)識別的人機交互技術(shù)是針對養(yǎng)老院環(huán)境下，利用老人的語音、姿勢和表情信息識別老人的需求和情感狀態(tài)，提供更符合老人習慣的人機交互界面?；诙嗄B(tài)數(shù)據(jù)識別技術(shù)的人機交互技術(shù)的主要過程分為五個部分，如圖3所示：

圖3 多模態(tài)數(shù)據(jù)識別算法框架圖

1）多模態(tài)信號檢測。檢測出多模態(tài)信號，語音信號通過機器人的音頻輸入設備獲得，老人的姿勢與表情數(shù)據(jù)通過機器人自身所攜帶的攝像頭獲得，語音數(shù)據(jù)進行語音識別，判斷老人對機器人操作的指令信號。由于助老服務機器人的服務對象固定，因此可以使用基于學習的算法對特定對象的發(fā)音信息進行強化學習，獲得更高的識別率。機器人的視覺攝像頭獲取服務老人的表情和姿勢視頻，通過視頻中的人臉和手勢來判斷老人的情緒狀態(tài)。

2）多模態(tài)數(shù)據(jù)的特征提取。對于老人的語音數(shù)據(jù)，進行特征提取，主要是在頻域進行相關(guān)的特征提取操作；對于老人的表情和手勢圖像，獲取人臉的形狀信息作為特征，使用主動形狀模型獲得人臉和手勢的標定點位置。

3）相似性度量模型。在提取了語音、手勢和人臉表情特征后，建立特征之間的相似性度量模型，分析特征空間對于識別的重要性與影響，根據(jù)不同的特征建立符合實際情況的相似性度量模型。

4）模式分類算法。利用現(xiàn)有的分類算法對獲取到了算法進行分類，完成簡單的老人語音的識別功能，在此基礎上，進行老人的手勢和表情識別，獲得老人的感情狀態(tài)，進而提供機器人更明確的服務對象信息。

5）智能交互框架。智能交互框架主要完成機器人在理解了老人的表達后，通過語音合成技術(shù)對老人進行反饋，當檢測到老人的表情痛苦和或者不舒服后，立即通過呼叫中心聯(lián)系管理人員進行處理。

3 總結(jié)

利用養(yǎng)老院的室內(nèi)環(huán)境的特點，建立每個房間的環(huán)境的全局柵格地圖，為服務機器人提供了全局環(huán)境信息；其次利用RFID環(huán)境參數(shù)標定的辦法，依據(jù)人工路標用以輔助機器人定位，幫助機器人實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的更新利用養(yǎng)老院的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)機器人和服務器的實時信息交互。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)養(yǎng)老院中不同網(wǎng)絡的互聯(lián)，不同設備的接入，在機器人系統(tǒng)的幫助下，實現(xiàn)老人的實時位置定位、信息呼叫、家人互動、老人健康狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡服務等智能化一體服務。

[1]王震,劉智斌.基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化,2011.

[2]馬靜宜.室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J/OL].http://www.eepw.com.cn/article/264519.htm,2014-10-28.

[3]潘永友.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[M].杭州電子科技大學,2013.

[4]楊錚,吳陳沭,劉云浩.位置計算:無線網(wǎng)絡定位于可定位性[M].北京:清華大學出版社,2014.

[5]苗素貞,彭平.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的社區(qū)養(yǎng)老管理系統(tǒng)的研究[M].廣東技術(shù)師范學院,2014.