老年服務(wù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

羅 堅(jiān)(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000)

?

老年服務(wù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

羅 堅(jiān)
(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000)

摘要：隨著生活水平的顯著提高和醫(yī)療條件的改善，老年服務(wù)機(jī)器人已成為當(dāng)前服務(wù)機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了國(guó)內(nèi)外老年服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)老年服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)：自主移動(dòng)技術(shù)、感知技術(shù)、智能控制技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行了介紹。對(duì)主要存在的問題和解決方案進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：老年機(jī)器人；服務(wù)機(jī)器人

0 引言

調(diào)查顯示，當(dāng)前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家，都面臨著社會(huì)人口老齡化的問題。隨著人們生活水平的顯著提高和醫(yī)療條件的不斷改善，針對(duì)老年人的各種服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)在了我們生活中。面對(duì)空巢的老年家庭和單身的老年居住戶，如何使用家庭服務(wù)機(jī)器人對(duì)患病或有障礙的老年人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練、心理陪護(hù)、生活輔助和日常監(jiān)護(hù)等，已成為當(dāng)前老年服務(wù)機(jī)器人研究的重點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

老年服務(wù)機(jī)器人在傳統(tǒng)服務(wù)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展起來，該類服務(wù)機(jī)器人以老年人為服務(wù)對(duì)象。日本早稻田大學(xué)的教授Shigeki Sugano，開發(fā)的TWENDY-ONE就是為老年人服務(wù)的機(jī)器人。該服務(wù)機(jī)器人可以彎腰拾取物品，雙手可以舉起35kg重物。機(jī)器人全身皮膚柔軟，可以拿捏各種形狀的物體。法國(guó)的機(jī)器人公司Robosoft推出了一個(gè)名為Kompa?的機(jī)器人，主要用于幫助老年人和殘疾人士。機(jī)器人能說會(huì)道，能聽懂對(duì)話，能自主導(dǎo)航。韓國(guó)為老年人推出機(jī)器人伴侶。韓國(guó)開發(fā)了這個(gè)機(jī)器人的目的是給老年人提供一個(gè)玩伴，預(yù)防老年癡呆。

在我國(guó)，老年服務(wù)機(jī)器人的研究起步較晚。但近幾年也有一定的發(fā)展。如中國(guó)哈工大研究的服務(wù)機(jī)器人，能夠識(shí)別藥品和茶杯等物體，會(huì)唱歌。中科院開展了知識(shí)創(chuàng)新工程“千家萬戶機(jī)器人”項(xiàng)目中的“老人服務(wù)機(jī)器人”課題。并在2012年展示了真人大小的“老人服務(wù)機(jī)器人”?？傮w來說，國(guó)內(nèi)老年服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展起步晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距，本且多是以低端產(chǎn)品為主。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自主移動(dòng)技術(shù)自主移動(dòng)技術(shù)是服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)是自主移動(dòng)技術(shù)的重要方面。移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)即導(dǎo)航。當(dāng)前室內(nèi)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)主要包括：RFID導(dǎo)航，磁導(dǎo)航，超聲波和雷達(dá)導(dǎo)航，語(yǔ)音導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等。童峰等設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)機(jī)器人超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)，用于室內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機(jī)器人導(dǎo)航。Berns 等提出了一種基于RFID的導(dǎo)航技術(shù)。胡志軍等設(shè)計(jì)了一種視覺引導(dǎo)助老服務(wù)機(jī)器人。李新德等提出了一種基于一般物體識(shí)別和GPU加速技術(shù)算法的機(jī)器人視覺導(dǎo)航方法，對(duì)服務(wù)機(jī)器人的視覺導(dǎo)航算法進(jìn)行了研究。

2.2 感知技術(shù)

老年服務(wù)機(jī)器人是針對(duì)老齡人的特殊服務(wù)機(jī)器人，它們的感知系統(tǒng)是各種傳感器共同構(gòu)成的一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)。包括壓力傳感器，在老年陪護(hù)機(jī)器人上用來感知觸摸；煙霧和有害氣體傳感器來感知室內(nèi)環(huán)境的情況；光電傳感器，用來感覺室內(nèi)光線強(qiáng)弱；速度傳感器，用來測(cè)量移動(dòng)速度和距離；接近傳感器，用來短距離精確移動(dòng)定位；語(yǔ)音傳感器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，完成語(yǔ)音指令；視覺傳感器，感知室內(nèi)的空間環(huán)境，更好完成物體的識(shí)別，定位和抓取等。當(dāng)前語(yǔ)音傳感技術(shù)和空間視覺傳感技術(shù)在老年服務(wù)機(jī)器人中得以廣泛研究和應(yīng)用，服務(wù)機(jī)器人通過語(yǔ)音和視覺可以完成擬人的環(huán)境感知。老年服務(wù)機(jī)器人是針對(duì)老齡人的特殊服務(wù)機(jī)器人，它們的感知系統(tǒng)是各種傳感器共同構(gòu)成的一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò),感知室內(nèi)的空間環(huán)境，更好完成物體的識(shí)別，定位和抓取等。侯銳等設(shè)計(jì)了一種以引導(dǎo)式語(yǔ)音交互和肢體動(dòng)作為表達(dá)形式的老年陪護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)，采用人性化語(yǔ)音交互、觸覺感知與交互技術(shù)，對(duì)使用者提供個(gè)性化服務(wù)。吳培良等提出了一種動(dòng)態(tài)家庭環(huán)境智能空間服務(wù)機(jī)器人全息建圖方法，用以輔助服務(wù)機(jī)器人的定位。朱博等提出了一種基于“原型"的機(jī)器人開放式室內(nèi)場(chǎng)所感知算法，通過視覺傳感技術(shù)，更好服務(wù)對(duì)象。

2.3 智能決策控制技術(shù)智能決策和控制是指在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器進(jìn)行智能決策和實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)決策控制技術(shù)。老年服務(wù)機(jī)器人的智能決策控制包括了在自主移動(dòng)，精確定位，識(shí)別抓取物體，人機(jī)交互，網(wǎng)絡(luò)控制等過程中的自動(dòng)和智能化的決策和控制。智能決策控制包括了：模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，人工智能控制，仿人控制，混沌控制等。智能決策和控制主要用以解決控制對(duì)象無法精確建模的復(fù)雜控制問題情況，具有非線性等特點(diǎn)。

在導(dǎo)航軌跡控制上，張立勛等研究了基于全局視覺的服務(wù)機(jī)器人滑模軌跡跟蹤控制。薛英花等利用Bayes規(guī)則實(shí)現(xiàn)RFID物品粗定位，用眼注視約束下的基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品的抓取和運(yùn)送等操作。張立勛等提出了一種移動(dòng)臂式服務(wù)機(jī)器人的魯棒補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人對(duì)期望軌跡跟蹤的魯棒控制。徐昱琳等研究了基于雙目視覺的服務(wù)機(jī)器人仿人機(jī)械臂控制,使用三維坐標(biāo)信息控制機(jī)械臂完成特定任務(wù)。

2.4 通信技術(shù)

通信技術(shù)在老年服務(wù)機(jī)器人上的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)，聲音和圖像等數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸，同時(shí)可以接受來自遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的命令和控制。當(dāng)前服務(wù)機(jī)器人的遠(yuǎn)程交互方式包括：基于TCP/ IP的有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信；基于手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的GSM數(shù)據(jù)傳輸；基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的交互通信。王宏杰等研究了基于C/S模型機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制器，開發(fā)了機(jī)器人柔性自動(dòng)化應(yīng)用程序和基于 Web 的遠(yuǎn)程機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。張玲等對(duì) Internet和ZigBee在機(jī)器人遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。劉光偉等研究了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的家用安防機(jī)器人遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。Berns等提出了一種基于Markov的老年監(jiān)護(hù)機(jī)器人的快速定位方法，并采用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和WEB技術(shù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 存在的問題

老年機(jī)器人的向前發(fā)展是未來的一個(gè)必然趨勢(shì)，但是在當(dāng)前其發(fā)展仍存在不少問題。在技術(shù)方面：（1）服務(wù)機(jī)器人連續(xù)工作時(shí)的續(xù)航能力和自主快速充電技術(shù)未得到很好的解決。（2）老年服務(wù)機(jī)器人的情感檢測(cè)方面未得到很好的研究。（3）如何開發(fā)低成本又快速的圖像和視頻處理硬件是將老年服務(wù)機(jī)器人推向產(chǎn)品必須要解決的問題。（4）進(jìn)行多維度老年服務(wù)機(jī)器人手臂控制的研究，將更有利于精確定位和抓取。（5）現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，特別是將老年服務(wù)機(jī)器人與各種終端相連接，將有利于老年服務(wù)機(jī)器人更人性化的發(fā)展。同時(shí)建立以家庭-社區(qū)的監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，將有利于老年服務(wù)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。除了技術(shù)方面的問題外，老年服務(wù)機(jī)器人的研究還面臨著各種非技術(shù)上的問題。如研究人員與用戶間缺乏有效交互，研究出來的成果可能先進(jìn)，但無潛在客戶群體或得不到認(rèn)同。除此外，研究出來的服務(wù)機(jī)器人性價(jià)比差，超出普通人群的消費(fèi)需求。老年服務(wù)機(jī)器人缺乏統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，服務(wù)機(jī)器人之間基本不具備兼容性。

4 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)在不斷進(jìn)步，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求不斷提高，促使針對(duì)老齡人群體的老年服務(wù)機(jī)器人興起和發(fā)展，并最終將形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)。為了更好的發(fā)展老年服務(wù)機(jī)器人，并最終將其運(yùn)用到家庭里面去，研究人員一方面將最新的技術(shù)應(yīng)用到該項(xiàng)目中來，同時(shí)不斷加強(qiáng)與潛在客戶群體的聯(lián)系，最終要研制出智能化，模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、低成本化和輕量化的老年服務(wù)機(jī)器人，將其早日融入到我們社會(huì)中去。解決人口老齡化，提高老年人生活質(zhì)量等一系社會(huì)問題，更好的服務(wù)人類。

參考文獻(xiàn)

[1]Karsten Berns, Syed Atif Mehdi. Use of an Autonomous Mobile Robot for Elderly Care. IEEE computer society. 2010:121-126.

[2] 胡志軍，戴 敏，張 磊，鄭建勇，陸 光，張志勝. 一種視覺引導(dǎo)助老服務(wù)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì).機(jī)電工程.2009,26(4):1-4.

[3] 李新德,張曉,朱博,戴先中.一種基于GOR+GPU算法的機(jī)器人視覺導(dǎo)航方法.機(jī)器人.2012,34(4):466-474.

[4] 侯銳,曹宏,劉加. 老年陪護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 電聲技術(shù).2011,35(5):41-44.

[5] 吳培良,朱玲,張瑋. 動(dòng)態(tài)家庭環(huán)境智能空間服務(wù)機(jī)器人全息建圖方法.科技導(dǎo)報(bào). 2010,28(12):72-78

[6] 朱博,戴先中,李新德. 基于“原型"的機(jī)器人開放式室內(nèi)場(chǎng)所感知算法術(shù). 模式識(shí)別與人工智能. 2012,25(1):1-10.

[7] 張立勛,卜遲武. 基于全局視覺的服務(wù)機(jī)器人滑模軌跡跟蹤控制. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2009,28(1):102-106.

[8] 薛英花,田國(guó)會(huì),周風(fēng)余,李國(guó)棟,尹建芹. 智能空間中的服務(wù)機(jī)器人物品搜尋與操作.高技術(shù)通訊. 2012,22(1):74-81

[9] 張立勛,卜遲武. 移動(dòng)臂式服務(wù)機(jī)器人的魯棒補(bǔ)償控制. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào). 2009,13(1):149-153.

Development Status and Key technology of Service Robot for Elderly

Luo Jian
（Hunan College of Information, Changsha Hunan,410000）

Abstract：As improvement of living standards and medical conditions,elderly service robots have become one of the most important research direction in current service robot researches, and have broad prospect in application.This paper present the developing status of service robots for elderly at home and abroad,and the several key technologies of robots for elderly are introduced, including autonomous mobile technology, sensing technology,intelligent control technology and communication technology.The main existing problems and solutions are summarized.

Keywords：robot for elderly；service robot

*基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目，基于異常步態(tài)行為檢測(cè)識(shí)別的助老機(jī)器人研究應(yīng)用(15C0981）。