家用智能助老服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘國(guó)君 李俊杰 楊倩怡 周晟妃 楊宇

摘要：近年來(lái)國(guó)家老齡化人口比重日漸增大，國(guó)家一直重視人口老齡化問(wèn)題，也出臺(tái)了不少關(guān)于養(yǎng)老助老的政策。與此同時(shí)人工智能領(lǐng)域也在不斷發(fā)展。這篇文章在近年來(lái)服務(wù)機(jī)器人定位技術(shù)研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)服務(wù)于老年人的機(jī)器，設(shè)計(jì)了智能助老型機(jī)器人的系統(tǒng)，該機(jī)器人可以替代獨(dú)居老人打掃衛(wèi)生，在一定程度上減輕了老人的負(fù)擔(dān)，可以與老人進(jìn)行人機(jī)交互排解孤單，同時(shí)引領(lǐng)老人融入數(shù)字化時(shí)代，還可以對(duì)老人起到安全監(jiān)護(hù)的作用。

關(guān)鍵字：助老、清潔打掃、自動(dòng)控制

引言

如今各式各樣的智能機(jī)器人進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ?，?duì)人類社會(huì)產(chǎn)生著越來(lái)越重要的影響，目前市場(chǎng)上很少有針對(duì)老年人的陪伴型機(jī)器人，且目前提出的語(yǔ)音交互設(shè)計(jì)規(guī)范和原則針對(duì)老年用戶的相對(duì)較少，并沒(méi)有充分考慮老年用戶在生理和心理上不同于其他年齡段用戶的特征，特別是認(rèn)知方面的特征，使得老年人與陪伴機(jī)器人的交互體驗(yàn)欠佳。助老服務(wù)型機(jī)器人市場(chǎng)上有一些，例如杭州市社會(huì)福利中心2016年曾引進(jìn)一批智能養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人，名為“阿鐵”，能夠提醒老年人按時(shí)吃藥等簡(jiǎn)單功能，但用戶的體驗(yàn)感欠佳。總的來(lái)說(shuō)，養(yǎng)老助老服務(wù)市場(chǎng)活力尚未充分激發(fā)，養(yǎng)老服務(wù)發(fā)展的不平衡不充分、有效供給不足、服務(wù)質(zhì)量不高等問(wèn)題依然存在，人民群眾的養(yǎng)老服務(wù)需求尚未得到有效滿足。在此提出了一種助老服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)從人機(jī)交互體驗(yàn)上更傾向于體察人類的情感，擁有更擬人化的形象以達(dá)到更好的助老效果，讓家人放心，讓老人舒心。

1機(jī)器人方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1總體方案設(shè)計(jì)

基于樹(shù)莓派的智能助老服務(wù)機(jī)器人主要由樹(shù)莓派、語(yǔ)音識(shí)別、攝像頭、電機(jī)、電源、顯示屏等部分組成。

智能助老服務(wù)型機(jī)器人最終要實(shí)現(xiàn)兩種模式，即清潔打掃模式，智能陪伴模式，還有一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控模式，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇，兩種模式亦可同時(shí)進(jìn)行。清潔打掃模式時(shí)通常干拖難以將地上的污漬清理干凈，本文所設(shè)計(jì)的智能助老服務(wù)型機(jī)器人采用的是濕拖的方式，能夠達(dá)到更好的清潔效果，在清潔劑中加入一定量的消毒劑成分，還能起到一定的消毒作用。智能陪伴模式下可機(jī)器人可以與老人進(jìn)行語(yǔ)音交流，并且能夠進(jìn)行影音播放等功能，本文所設(shè)計(jì)智能助老服務(wù)型機(jī)器人的語(yǔ)音交互更偏向于老年人，同時(shí)利用語(yǔ)音交互和界面交互來(lái)引導(dǎo)老年人適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代。監(jiān)控模式在機(jī)器人工作期間是全程開(kāi)啟的，以保證家庭安全。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）主要控制板塊設(shè)計(jì)

主控模塊選用樹(shù)莓派4B型。樹(shù)莓派4B具備1.5Ghz運(yùn)行的64位四核處理器，最高支持以60fps速度刷新的4K分辨率的雙顯示屏，高達(dá)4GBRAM（可根據(jù)型號(hào)選擇1GB、2GB、4GB、8GB），2.4/5.0Ghz雙頻無(wú)線LAN，藍(lán)牙5.0/BLE，千兆以太網(wǎng)，USB3.0，和PoE功能。

（2）掃地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃地模塊主要通過(guò)毛刷和吸塵器的配合來(lái)清掃地面，在掃地模塊的框架中主要由兩個(gè)毛刷、一個(gè)垃圾儲(chǔ)存器、一根吸塵管、一個(gè)中小型吸塵口和若干個(gè)電機(jī)組成，采用帶輪傳動(dòng)的方式帶動(dòng)兩個(gè)毛刷相向向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，將周邊灰塵等清掃至中小型吸塵口處，通過(guò)中小型吸塵口將其通過(guò)吸塵管道存儲(chǔ)值垃圾儲(chǔ)存器中，垃圾儲(chǔ)存器可以十分方便的取出并清理其中的垃圾。

（3）拖地模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能助老服務(wù)型機(jī)器人的濕拖模塊是在經(jīng)過(guò)掃地模塊清理垃圾后的二次清理模塊，該模塊主要由噴霧系統(tǒng)和拖地系統(tǒng)組成。拖地系統(tǒng)由自動(dòng)控制水閥、水箱、小型微源水泵及噴霧器組成;拖地系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、拖布等組成。噴霧器置于拖布的前方。當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，噴霧器在前方噴出清潔液，其后方的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)拖布做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，伴隨著移動(dòng)清潔地面，達(dá)到更好的清潔效果。

（4）頭部與手部運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1機(jī)器人外形示意圖

本文所設(shè)計(jì)的智能助老服務(wù)型機(jī)器人的頭部可以進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，身體兩側(cè)的手臂也可以在一定角度內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，如圖所示，更加的擬人化，也使得攝像頭所能拍攝的范圍更加的廣闊。頭部的運(yùn)動(dòng)與手臂的運(yùn)動(dòng)主要由舵機(jī)云臺(tái)與連桿機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)、頭部由一個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)機(jī)械手臂由一個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)控制擺動(dòng)。在機(jī)器人與老人進(jìn)行人機(jī)交互出發(fā)某一特定信號(hào)時(shí)，機(jī)器人的兩個(gè)手臂會(huì)進(jìn)行擺動(dòng);頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)能都更好的幫助攝像頭搜尋服務(wù)目標(biāo)。

（5）移動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能助老服務(wù)型機(jī)器人是一種輪式機(jī)器人，前面有一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個(gè)主動(dòng)輪，通過(guò)使用無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖進(jìn)行調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機(jī)的性能的同時(shí)，克服了直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列問(wèn)題。且控制方法比較簡(jiǎn)單。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是需要防止碰撞障礙物及防止其跌落。本文所設(shè)計(jì)的智能助老服務(wù)型機(jī)器人采用激光雷達(dá)的方式，激光避障的精度、反饋速度、抗干擾能力和有效范圍都要明顯優(yōu)于紅外線傳感器和超聲波傳感器。為了防止掃地機(jī)器人遇到臺(tái)階時(shí)跌落本文所述的智能助老服務(wù)型機(jī)器人在掃地機(jī)器人底部安裝三個(gè)防跌落傳感器。防跌落傳感器是利用超聲波來(lái)進(jìn)行測(cè)距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺(tái)階邊緣時(shí)，防跌落傳感器就會(huì)利用超聲波測(cè)得掃地機(jī)器人與地面之間的距離，當(dāng)超過(guò)限定的距離時(shí)，傳感器就會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器發(fā)布轉(zhuǎn)向命令，改變掃地機(jī)器人前進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。

（6）語(yǔ)音識(shí)別板塊設(shè)計(jì)

采用亞博智能語(yǔ)音識(shí)別模塊IIC聲音傳感器AI開(kāi)發(fā)板LD3320，通過(guò)IIC通訊設(shè)置語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)句和獲取識(shí)別的結(jié)果，十分方便快捷，可以快速的開(kāi)發(fā)人機(jī)交互項(xiàng)目。支持3種識(shí)別模式和掉電保存功能，拓展開(kāi)發(fā)性強(qiáng)。模塊可以添加50個(gè)識(shí)別句，不超過(guò)十個(gè)漢字。支持彎頭杜邦線接口、鱷魚(yú)夾接口、PH2.0防呆接口，兼容多種編程平臺(tái)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)采用python開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，計(jì)劃使用web界面設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。

服務(wù)：當(dāng)用戶站在機(jī)器人面前時(shí)，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)識(shí)別出用戶的身份，例如監(jiān)護(hù)對(duì)象、緊急聯(lián)系人、訪客等，以此來(lái)給與使用者不同的權(quán)限，進(jìn)而提供相應(yīng)服務(wù)。同時(shí)還能與智能家居系統(tǒng)有效結(jié)合，利用智能家居系統(tǒng)獲取水、電、天然氣的使用信息。當(dāng)監(jiān)護(hù)對(duì)象正常離家之后，對(duì)于之后闖入的陌生人會(huì)以文本和圖片的方式通知緊急聯(lián)系人，可以起著防盜的功能。

安全監(jiān)測(cè)：本項(xiàng)目研發(fā)的機(jī)器人將配備有攝像頭，使得老年人的日常生活處于遠(yuǎn)程監(jiān)控之下，當(dāng)老年人摔倒或者走出房屋時(shí)，家用智能助老服務(wù)型機(jī)器人能夠立即將此時(shí)的消息以文本和圖片的方式發(fā)送給用戶綁定的緊急聯(lián)系人，使得緊急聯(lián)系人第一時(shí)間得知息和相關(guān)情況，并做出相應(yīng)的處理。

互動(dòng)：語(yǔ)音交互模塊對(duì)用戶發(fā)出的聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)的錄音，并將錄音轉(zhuǎn)換為文字，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的文字與控制指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系，執(zhí)行上述的控制指令。從而，使得小孩與老人可以與機(jī)器人進(jìn)行語(yǔ)音互動(dòng)，使小孩獨(dú)自玩耍時(shí)，老人獨(dú)處時(shí)不會(huì)感到寂寞。而且，所述模式控制模塊在接收到切換指令后，在音視頻播放模式、動(dòng)作交互模式、WIFI連接模式、情感對(duì)話模式之間來(lái)回進(jìn)行切換。使得機(jī)器人具有多種模式可供選擇，起到了更好的陪伴作用。

多媒體娛樂(lè)：能跟人之間可以通過(guò)自然語(yǔ)言交流，支持人臉識(shí)別、用戶權(quán)限、語(yǔ)音控制設(shè)備、專業(yè)知識(shí)咨詢、云平臺(tái)管控、屋內(nèi)照明與窗簾控制等功能。只需通過(guò)自然語(yǔ)言就能完成很多復(fù)雜的工作，是一套可以完全讓你擺脫雙手的系統(tǒng)，多媒體娛樂(lè)功能不僅可以使整個(gè)音視頻及控制系統(tǒng)更加的簡(jiǎn)潔，也能讓安裝調(diào)試、使用維護(hù)變得容易，并起具有良好的兼容性以及擴(kuò)展性，可廣泛應(yīng)用于各種影視頻系統(tǒng)項(xiàng)目。

清潔打掃：機(jī)器人可以通過(guò)攝像頭和激光雷達(dá)達(dá)到自動(dòng)掃描房屋的結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)設(shè)定定期清掃的時(shí)間，無(wú)需人為的去進(jìn)行管理，就可以自己把房屋打掃干凈，另外，在不需要打掃的房間門口設(shè)置專門的遮擋設(shè)備的話，掃地機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)跳過(guò)這個(gè)房間。機(jī)器人還配備了配備殺菌燈，在清掃房屋的同時(shí)還能夠消滅房屋中的細(xì)菌和螨蟲(chóng)，為自己的家人創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。機(jī)器人具有先進(jìn)的感應(yīng)裝置，遇到阻滯物的時(shí)候能夠自動(dòng)進(jìn)行避讓，防止沖擊、碰撞等對(duì)機(jī)器人造成的傷害。

4結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目是基于樹(shù)莓派進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目最終想要實(shí)現(xiàn)具有服務(wù)、安全監(jiān)測(cè)、互動(dòng)、多媒體娛樂(lè)、清潔打掃五大功能。主要服務(wù)于居家養(yǎng)老的老人，當(dāng)今時(shí)代，居家養(yǎng)老的老人增加，陪伴型機(jī)器人不僅可以達(dá)到陪伴的目的，同時(shí)也可以對(duì)家里的老人進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)發(fā)送到家人的手機(jī)上。并且在家中可以實(shí)現(xiàn)清潔打掃的功能，使老人居家養(yǎng)老更舒適。

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：《家用智能助老服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，編號(hào)：202113898029。

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