基于云計(jì)算的AI家居助老機(jī)器人系統(tǒng)

李和平 易瑜

摘 要 我國老齡化現(xiàn)象已經(jīng)十分嚴(yán)重，獨(dú)居老人越來越多，老人的照料和護(hù)理問題也隨之而來，亟待社會解決。將AI云端融合技術(shù)、輕量級機(jī)械手臂視覺系統(tǒng)和室內(nèi)實(shí)時定位系統(tǒng)SLAM技術(shù)應(yīng)用于家庭助老機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)智慧型家居助老服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用平臺，一方面通過語音互動與老人進(jìn)行交流，排除老人的孤寂心理，另一方面集成遠(yuǎn)程視頻、服務(wù)呼叫等功能，能夠在第一時間快速響應(yīng)，更好地提高老年人的生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 云計(jì)算 助老機(jī)器人 AI 人-機(jī)器人交互

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0016-02

1 前言

根據(jù)聯(lián)合國2019年世界人口調(diào)查數(shù)據(jù)，到2050年，全世界每6人中，就有1人年齡在65歲（16%）以上，這一數(shù)字在2019年為11人（9%）。此外，預(yù)計(jì)80歲或以上人口將增長兩倍，從2019年的1.43億增至2050年的4.26億。截至2018年年底，中國60歲及以上老年人近2.5億，其中失能老人超過4000萬[1]。他們面臨的照護(hù)難題，是社會的痛點(diǎn)。最大的痛點(diǎn)是缺少人手。

當(dāng)前，我國從移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到了超級互聯(lián)網(wǎng)時代，助老機(jī)器人在近年已步入快速發(fā)展軌道，主要實(shí)現(xiàn)康復(fù)、護(hù)理和陪護(hù)功能。康復(fù)機(jī)器人主要針對中風(fēng)和脊神經(jīng)受損的半失能老人，通過收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)給醫(yī)護(hù)人員參考，提高康復(fù)效率，后期研發(fā)出可穿戴康復(fù)的外骨骼機(jī)器人輔助行走。護(hù)理機(jī)器人用于輔助照顧老人生活起居，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)管。隨著AI技術(shù)的進(jìn)步，陪護(hù)機(jī)器人主要應(yīng)用于情感交流和健康管理。很多科技強(qiáng)國都非常重視助老機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如在美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，相關(guān)科研人員一直在對助老機(jī)器人進(jìn)行著探索研究，同時將AI（人工智能）技術(shù)、IOT（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）、云計(jì)算技術(shù)、生物技術(shù)等高科技成果應(yīng)用在助老機(jī)器人上[2] 。隨著護(hù)理員工出現(xiàn)嚴(yán)重短缺，我國機(jī)器人服務(wù)政策相繼出臺，截止2019年，國內(nèi)出現(xiàn)了七十多家服務(wù)機(jī)器人公司，如我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的新型多功能智能服務(wù)機(jī)器人，以陪護(hù)為主幫助監(jiān)管和陪護(hù)老年人，給老年人甚至整個社會帶來了福音。

2 助老機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

AI的專家系統(tǒng)、語音和圖像智能識別已經(jīng)成為助老機(jī)器人不可或缺的技術(shù)，已經(jīng)在醫(yī)護(hù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。助老機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由智能機(jī)器人、云基礎(chǔ)服務(wù)、云計(jì)算服務(wù)以及人-機(jī)器人交互組成，將AI云端融合技術(shù)、基于語音、肢體動作、面部特征的輸入輸出多方式的人機(jī)交互技術(shù)、輕量級機(jī)械手臂結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)精確抓取及助老相關(guān)服務(wù)技術(shù)以及室內(nèi)實(shí)時定位系統(tǒng)SLAM技術(shù)集成于助老機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)智慧型家居助老服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用平臺[3]。其中最為先進(jìn)的ROS（Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng)）融合云計(jì)算、AI技術(shù)，對接訊飛云、圖靈云端優(yōu)質(zhì)的云端實(shí)時識別系統(tǒng)強(qiáng)大運(yùn)算能力以及大量的SDK在線調(diào)用，提升了機(jī)器人AI水平降低了開發(fā)難度。

3 助老機(jī)器人系統(tǒng)平臺

3.1 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、傳感器和智能系統(tǒng)組成。機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)在各種驅(qū)動傳動裝置及控制系統(tǒng)的協(xié)同配合下根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行移動[4] 。而控制策略主要為傳感器控制、觸覺控制、視覺控制、聽覺控制和自適應(yīng)控制。使用的傳感器主要有溫度傳感器，感覺溫度從而作出天氣冷熱的結(jié)論;視覺傳感器感知周邊環(huán)境實(shí)現(xiàn)定位和抓取，用于視覺交互;語音傳感器便于人機(jī)交互感知;觸覺傳感器用來感知觸摸;接近覺傳感器用于短距離定位等，采用多傳感信息融合技術(shù)檢測環(huán)境的精準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與定位，并通過改進(jìn)算法采用最優(yōu)路徑規(guī)劃方式進(jìn)行智能控制[5] 。

智能機(jī)器人通過4G/5G/Wi-Fi 的方式接入互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)采用嵌入式底層控制器、機(jī)載微型電腦、云計(jì)算的分布式體系架構(gòu)，主要是基于人臉識別、場景識別、智能化語音交互、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)。以智能陪護(hù)機(jī)器人為例，機(jī)器人本體上設(shè)置控制模塊，而可穿戴式智能手環(huán)可以實(shí)時采集老人的心率、血壓、語音數(shù)據(jù)等生理信息，同時還可以設(shè)置一鍵急救功能。

建立開源化ROS，ROS輕量級機(jī)械臂結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)具有較高精準(zhǔn)的鎖定目標(biāo)并執(zhí)行任務(wù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。通過反復(fù)的輕量級機(jī)械手臂軟件仿真實(shí)驗(yàn)，熟知路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航技術(shù);并通過AI實(shí)驗(yàn)，掌握人機(jī)交互所需要的技術(shù)指標(biāo)，核心代碼完全開放，為智能機(jī)器人的研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。輕量級機(jī)械手臂在助老機(jī)器人的使用開始普及開來，搭載強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可以精確的完成復(fù)雜的任務(wù)執(zhí)行，為助老服務(wù)提供了執(zhí)行裝置方面的保障。2015年，國內(nèi)越疆科技輕量級智能機(jī)械臂自主研發(fā)成功，更好地實(shí)現(xiàn)了云端控制、視覺識別和人機(jī)交互。

ROS提供全結(jié)點(diǎn)控制，創(chuàng)建地圖，SLAM（定位與地圖構(gòu)建）自動導(dǎo)航、差分PID電機(jī)調(diào)速控制、RQT界面動態(tài)調(diào)試PID參數(shù)、陀螺儀（IMU）姿態(tài)校正里程反饋，引入圖像識別與語音控制，提供了一體化解決方案。SLAM技術(shù)采用多層平面激光分區(qū)掃描構(gòu)建類3D地圖模型，能準(zhǔn)確識別出室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境。

3.2 云基礎(chǔ)服務(wù)

云基礎(chǔ)服務(wù)包含數(shù)據(jù)計(jì)算、資源管理及調(diào)控、數(shù)據(jù)存儲，屬于數(shù)據(jù)服務(wù)層。服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，需要實(shí)現(xiàn)多傳感融合、AI和機(jī)器深度學(xué)習(xí)，在行動過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，用戶需要調(diào)用機(jī)器人的資源，可以通過云基礎(chǔ)服務(wù)實(shí)現(xiàn)。云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)把關(guān)系數(shù)據(jù)庫、彈性計(jì)算設(shè)備、彈性存儲設(shè)備、對象存儲器、負(fù)載均衡器結(jié)合起來，進(jìn)行性能實(shí)時狀態(tài)測試，有限管理機(jī)器人設(shè)備自主操作的相關(guān)海量數(shù)據(jù)，規(guī)劃機(jī)器人本體各項(xiàng)任務(wù)，尤其是基于5G技術(shù)的服務(wù)機(jī)器人數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理方面，云機(jī)器人技術(shù)將進(jìn)行大規(guī)模的部署，不斷提高機(jī)器人的認(rèn)知能力，改善機(jī)器人技術(shù)算法，推動IOT生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

3.3 云計(jì)算服務(wù)

云計(jì)算服務(wù)主要包含云計(jì)算、云交互、云存儲，屬于云服務(wù)層。云計(jì)算的云包括寬帶資源、存儲服務(wù)和計(jì)算服務(wù)等，是大型服務(wù)器集群，大型的云計(jì)算有上百萬臺服務(wù)器。云機(jī)器人助力智慧服務(wù)，云計(jì)算賦能云機(jī)器人，為智能機(jī)器人提供豐富的計(jì)算能力和和資源，機(jī)器人使用云計(jì)算能夠訪問更新的圖像、地圖和對象/產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)自動管理[6]。比如，居家老人的實(shí)時情境照片，通過智能機(jī)器人攝像頭感知獲取以后，上傳到云服務(wù)器，和類似圖片進(jìn)行對比，規(guī)劃出機(jī)器人的最有路徑以自主導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)避障。而其他機(jī)器人可以共享數(shù)據(jù)。

云機(jī)器人既可以助力智慧工廠，也可以提升助老機(jī)器人服務(wù)能力。自主學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力是助老機(jī)器人最大的特點(diǎn)，也是產(chǎn)品研發(fā)的難點(diǎn)。IOT在運(yùn)行過程中的海量數(shù)據(jù)，使服務(wù)機(jī)器人由嵌入式系統(tǒng)發(fā)展為信息物理系統(tǒng)（CPS），更利于進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對比于傳統(tǒng)機(jī)器人，云機(jī)器人的核心計(jì)算功能被移至云端，降低了硬件投資成本，讓機(jī)器人克服了對話的單調(diào)性，能夠更快地進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，提升響應(yīng)效率。

3.4 人-機(jī)器人交互

人-機(jī)器人交互包含感知層、信息層和應(yīng)用層，屬于用戶層。以微信作為人機(jī)交互的平臺，并借助語音云實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。[7] 圖靈的API和訊飛的SDK對語音的識別能力已經(jīng)趨近成熟，不僅可以識別普通話而且支持36種地方性方言，識別速度快，可以達(dá)到2S反饋?zhàn)R別結(jié)果，訊飛目前支持了聲波識別，人臉識別等智能云端服務(wù)，包括大數(shù)據(jù)語言云人機(jī)對話技術(shù)和空間視覺傳感技術(shù)。

助老機(jī)器人的人-機(jī)器人交互方式，主要有語音、視覺和基于肌電信號的交互方式。以科大訊飛為主的語音交互主要是通過云計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)。視覺的交互，主要是面部特征提取和分類、手勢動作指令為主，而人體姿態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和跟蹤比較復(fù)雜。基于肌電信號的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)智能化人機(jī)交互能力，也是非常重要的方面。其中遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能語音系統(tǒng)是人-機(jī)器人交互的關(guān)鍵技術(shù)。家人可以使用手機(jī)控制助老機(jī)器人，通過音視頻控制和遠(yuǎn)程運(yùn)動控制，實(shí)現(xiàn)對老人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能看護(hù)。助老機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)與老人的語音聊天、親情互動，還可以自動感知煤氣、煙霧、空氣質(zhì)量等家居生活環(huán)境，實(shí)時監(jiān)測老人的生命體征。當(dāng)老人發(fā)生危險(xiǎn)，能夠?qū)崟r報(bào)警，得到最好的救護(hù)，讓家人更放心。

4 結(jié)語

我國服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展勢不可擋，存在巨大市場潛力和發(fā)展空間。智能化水平得到了穩(wěn)步提升。目前也存在一些問題，從產(chǎn)業(yè)方面看，機(jī)器人行業(yè)投入大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間短，競爭高度同質(zhì)化;從技術(shù)方面看，續(xù)航能力和情感交互技術(shù)需要加強(qiáng)。

隨著AI技術(shù)不斷成熟，智能機(jī)器人在助老服務(wù)上具有了可操作性，智能機(jī)器人開始應(yīng)用于我國一些發(fā)達(dá)地區(qū)的養(yǎng)老護(hù)理院，對失能失智老人進(jìn)行護(hù)理，并對他們實(shí)現(xiàn)“久病床前”護(hù)理和無感式生命體征監(jiān)護(hù)，同時對其進(jìn)行人臉識別和報(bào)警監(jiān)護(hù)。智能機(jī)器人系統(tǒng)還將與醫(yī)療系統(tǒng)聯(lián)動，組成線上會診平臺，為廣大老年患者提供高品質(zhì)的服務(wù)。不論是社區(qū)、居家老人，還是養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，在保障老人安全的前提下，利用智能機(jī)器人通過AI技術(shù)對老人進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)時同步信息，家屬遠(yuǎn)程也可以了解老人的信息，為實(shí)現(xiàn)智能家居和智慧生活助老提供重要參考。

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