智慧圖書館測(cè)溫服務(wù)機(jī)器人研究

劉曉葉

摘? 要： 為了做好圖書館防疫防護(hù)和智能化服務(wù)工作，針對(duì)圖書館人員體溫測(cè)量和環(huán)境維護(hù)常態(tài)化管理的問(wèn)題，在梳理智慧圖書館建設(shè)和智能機(jī)器人技術(shù)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出一種智能測(cè)溫多功能服務(wù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)入館人員無(wú)感動(dòng)態(tài)測(cè)溫管理。該機(jī)器人功能包括自主運(yùn)動(dòng)和定位導(dǎo)航、人臉識(shí)別與測(cè)溫、環(huán)境殺菌消毒等功能。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人; 人臉識(shí)別; 測(cè)溫; 智慧圖書館

中圖分類號(hào)：G250.7? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）09-10-05

Abstract： In order to do a good job in library epidemic prevention and protection and intelligent services， aiming at the problems of library personnel temperature measurement and normal management of environmental maintenance， on the basis of combing the researches on the construction of smart libraries and smart robot technology， a smart temperature measurement and multi-function service robot is proposed to realize the non-sensing dynamic temperature measurement management for the admission personnel. The robot has the functions of autonomous movement and positioning navigation， face recognition and temperature measurement， environmental sterilization and disinfection functions.

Key words： robot; face recognition; temperature measurement; smart library

0 引言

公共場(chǎng)所測(cè)體溫是疫情防控的需要。高校圖書館作為人員密集地，館內(nèi)人員體溫監(jiān)測(cè)和環(huán)境衛(wèi)生的保持是常抓不懈的任務(wù)。目前，圖書館入館人員的測(cè)體溫工作一般集中在入口處通過(guò)紅外感應(yīng)自動(dòng)化測(cè)溫設(shè)備完成，這為圖書館衛(wèi)生防疫筑起了第一道防線。這種方法也存在不足之處，比如易受室外溫度的影響導(dǎo)致測(cè)溫異常，冬季測(cè)量體溫過(guò)低出現(xiàn)測(cè)量失敗，或在夏季受室外酷暑影響，導(dǎo)致體溫過(guò)高報(bào)警。這種方法屬于一次性體溫測(cè)量實(shí)時(shí)報(bào)警裝置，未能對(duì)入館人員進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤和健康管理提醒。

隨著5G技術(shù)的不斷完善和多媒體智能移動(dòng)終端的普及，圖書館有條件探索更加優(yōu)質(zhì)多元的智慧化服務(wù)，以吸引更多的讀者重返圖書館。因此本文提出疫情時(shí)期智慧圖書館建設(shè)背景下人員測(cè)溫和環(huán)境消毒殺菌服務(wù)多功能機(jī)器人的應(yīng)用研究。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 智慧圖書館

在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)推動(dòng)之下，以人工智能所引領(lǐng)的創(chuàng)新型智能社會(huì)逐步發(fā)展起來(lái)。技術(shù)的成熟加快了圖書館的智能化智慧化發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)著圖書館由數(shù)字化到智慧化的轉(zhuǎn)型升級(jí)[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)智慧圖書館的研究已有許多。如王茜和張黎以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，整合環(huán)境、設(shè)備、資源、讀者等各方因素，構(gòu)建起完善的智慧圖書館管理系統(tǒng)模型[3]。黃麗芳設(shè)計(jì)了以微信公眾號(hào)、微信小程序和APP為媒介，構(gòu)建包含讀者模塊和管理員模塊的移動(dòng)圖書館智慧服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)時(shí)挖掘讀者需求，為讀者提供個(gè)性化知識(shí)推送服務(wù)[4]。楊焱和屈義華介紹了廣州南沙圖書館將人臉識(shí)別技術(shù)、人工智能技術(shù)與圖書館業(yè)務(wù)系統(tǒng)的有效融合，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別與圖書管理系統(tǒng)對(duì)接，為讀者提供更全面細(xì)致的個(gè)性化智慧服務(wù)[5]。

1.2 機(jī)器人技術(shù)

近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)也更多地應(yīng)用于智慧圖書館的研究與應(yīng)用實(shí)踐中來(lái)，快速有效地解決圖書館管理和服務(wù)中的一些問(wèn)題，提高讀者服務(wù)滿意度的同時(shí)，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。機(jī)器人是一個(gè)智能化水平非常高的機(jī)械電子裝置，可以模仿人的感官進(jìn)行分析判斷和交互，甚至擁有柔軟、靈活的機(jī)械手進(jìn)行抓取，幫助人們很好的完成部分工作;還可以是隱藏在數(shù)字化環(huán)境中完成特殊任務(wù)的隱形機(jī)器人。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人會(huì)更多的走進(jìn)人們的工作和生活。

在智能聊天機(jī)器人方面，清華大學(xué)率先將人工智能應(yīng)用于圖書館咨詢服務(wù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了智能聊天機(jī)器人“小圖”，并取得了良好的使用效果[6]。隨后清華大學(xué)又開(kāi)發(fā)“小圖”APP和微信服務(wù)，迎合移動(dòng)智能時(shí)代用戶需求，用戶可以利用智能終端在社交網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，快捷方便地與“小圖”交談和查詢信息[7]。在圖書盤點(diǎn)業(yè)務(wù)中，南京大學(xué)圖書館聯(lián)合計(jì)算機(jī)學(xué)院利用RFID技術(shù)中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和射頻相位技，提高了圖書智能盤點(diǎn)的精確度和快捷化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圖書盤點(diǎn)工作的智能化和常態(tài)化[8-9]。樊慧麗、邵波在回顧圖書盤點(diǎn)技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了基于超高頻RFID技術(shù)的智能機(jī)器人圖書盤點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：準(zhǔn)確高效長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，能夠定位導(dǎo)航和自主移動(dòng)，電量不足時(shí)能夠完成自主充電，提高了圖書盤點(diǎn)的效率;但是該機(jī)器人在與館員互動(dòng)交流和協(xié)作、圖書館復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)方面還存一定的不足。未來(lái)發(fā)展要進(jìn)一步加強(qiáng)人工智能與盤點(diǎn)機(jī)器人的深度融合，加強(qiáng)機(jī)器人的交互功能和人機(jī)協(xié)作功能設(shè)計(jì)、探索機(jī)器人的分身之術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)日夜兼行、一機(jī)多用[10]。

在其他設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面：李宇飛等分析了視覺(jué)在機(jī)器人抓取規(guī)劃階段具有重要作用，在建立機(jī)械臂、相機(jī)和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)立體視覺(jué)完成對(duì)空間目標(biāo)的位姿測(cè)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取工作[11]。張軍等基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套低成本、高性能、易維護(hù)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)方案，并針對(duì)該方案設(shè)計(jì)了一套嵌入式硬件平臺(tái)[12]。孫森震等提出一種基于可見(jiàn)光通信與雙目視覺(jué)測(cè)量的高精度室內(nèi)定位方法，并利用該方法研制了一款基于可見(jiàn)光通信與成像的定位模塊，可以為室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人提供厘米級(jí)定位導(dǎo)航服務(wù)[13]。

機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用取得了豐碩的成果，為機(jī)器人技術(shù)在圖書館的設(shè)計(jì)和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也必將加快圖書館智能化智慧化建設(shè)步伐。但是當(dāng)前的機(jī)器人還缺乏足夠的自主性和靈活性，在開(kāi)放性的圖書館環(huán)境中的應(yīng)用還面臨很多挑戰(zhàn)。

2 機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

本研究在5G行業(yè)背景下根據(jù)智慧圖書館發(fā)展建設(shè)愿景的指引，結(jié)合當(dāng)前疫情發(fā)展社會(huì)條件和圖書館實(shí)際工作需要，融合5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和人工智能機(jī)器人技術(shù)，分析設(shè)計(jì)一款高度智能的圖書館室內(nèi)測(cè)溫服務(wù)機(jī)器人。

該機(jī)器人搭載5G傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）平臺(tái)，使用即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)，通過(guò)機(jī)器人搭載的Hokuyo激光雷達(dá)作為核心傳感器采集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)圖書館室內(nèi)定位導(dǎo)航自主移動(dòng)，完成人臉識(shí)別測(cè)溫、環(huán)境消殺等工作任務(wù)。機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

基于機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)，本研究提出一種入館人員體溫檢測(cè)動(dòng)態(tài)管理方法，其工作流程如圖2所示。以入館人員為管理對(duì)象，首先通過(guò)圖書館入口人臉識(shí)別和體溫檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行第一次人員信息記錄和體溫測(cè)量，并將數(shù)據(jù)記錄在服務(wù)器端;入館后人員的管理通過(guò)終端設(shè)備圖書館機(jī)器人和用戶智能終端完成;其中機(jī)器人完成人員測(cè)溫和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果播報(bào)，用戶端可以是智能手機(jī)或者電腦等多媒體移動(dòng)終端，用來(lái)接收服務(wù)器端發(fā)來(lái)的健康信息提醒。該方法在圖書館用戶間進(jìn)行人員體溫檢測(cè)，用戶易于接受，在看書學(xué)習(xí)、行走或與機(jī)器人交談等無(wú)形之中自動(dòng)完成，一旦發(fā)現(xiàn)體溫異常便啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、用戶提醒和跟蹤管理。另外，為了對(duì)長(zhǎng)時(shí)間在館人員的體溫檢測(cè)，設(shè)置循環(huán)測(cè)溫管理服務(wù)，對(duì)用戶入館時(shí)間大于兩小時(shí)將進(jìn)行休息和測(cè)溫提醒。機(jī)器人通過(guò)拓展功能應(yīng)用增加多元知識(shí)服務(wù)和用戶反饋等信息互動(dòng)環(huán)節(jié)，可以讓用戶在輕松愉快的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)體溫檢測(cè)。

3 機(jī)器人功能分析與設(shè)計(jì)

3.1 自主運(yùn)動(dòng)

自主運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人的基本系統(tǒng)功能，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩大部分，是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)載體、信息采集載體和控制載體?？刂葡到y(tǒng)決定著機(jī)器人的所有行為動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的決策和控制中心，保證機(jī)器人對(duì)目標(biāo)任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置組成，用于支撐控制系統(tǒng)硬件和執(zhí)行機(jī)器人動(dòng)作完成。

本研究采用輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，具有全向自主移動(dòng)功能，能實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并具備一定的越障和負(fù)載能力。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主要由底層轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)控制器完成對(duì)前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)的快速定位和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的無(wú)級(jí)、平滑調(diào)速。機(jī)器人的核心控制器采用基于ARM架構(gòu)的開(kāi)源卡片式電腦樹(shù)莓派3B，使用分布式機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）框架在Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。為了保證機(jī)器人能夠更加靈活的運(yùn)動(dòng)，底盤采用麥克納姆全向輪。底盤根據(jù)SLAM導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)中傳送來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制信息（包含角速度和線速度）控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

3.2 室內(nèi)定位和導(dǎo)航

該機(jī)器人要在圖書館開(kāi)放區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)，因此它必須具有良好的室內(nèi)定位和導(dǎo)航功能，能夠?qū)o態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物進(jìn)行識(shí)別，尤其要避免機(jī)器人對(duì)人員因?yàn)榕袛嗖粶?zhǔn)而造成碰撞和傷害。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決地圖構(gòu)建、定位和路徑規(guī)劃三個(gè)方面的問(wèn)題?；竟ぷ髁鞒倘鐖D1定位導(dǎo)航模塊所示。

首先，機(jī)器人在圖書館陌生環(huán)境的任意地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)傳感器感知環(huán)境特征，識(shí)別桌椅、建筑物立柱、墻角等障礙物信息，通過(guò)SLAM技術(shù)核心功能包中基于粒子濾波的gmapping算法，對(duì)激光雷達(dá)信息、里程計(jì)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)這些環(huán)境特征信息對(duì)機(jī)器人位姿和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行校正調(diào)整，同時(shí)提取環(huán)境特征點(diǎn)集并構(gòu)建出室內(nèi)柵格地圖[14-15]。

機(jī)器人完成先驗(yàn)地圖構(gòu)建之后，館員通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置導(dǎo)航目標(biāo)位置，機(jī)器人通過(guò)全局路徑規(guī)劃計(jì)算出最優(yōu)路徑，控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃結(jié)果發(fā)布控制指令給底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)器人收到指令開(kāi)始按計(jì)劃運(yùn)動(dòng);但是，開(kāi)放環(huán)境下機(jī)器人的運(yùn)行途中難免會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物或其他環(huán)境干擾，因此，機(jī)器人不能嚴(yán)格按照全局規(guī)劃路徑運(yùn)行，需要根據(jù)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描結(jié)果和里程計(jì)數(shù)信息，適時(shí)進(jìn)行局部路徑規(guī)劃并調(diào)整路線，同時(shí)將局部調(diào)整信息反饋給控制中心進(jìn)行全局優(yōu)化以盡量實(shí)現(xiàn)全局路線最優(yōu)。

3.3 人臉識(shí)別與測(cè)溫

機(jī)器人運(yùn)行在圖書館公共空間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)溫，必須要避免水杯、電腦等其他熱源對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，要確定被測(cè)對(duì)象為人體，而機(jī)器人完成人體測(cè)溫的最佳部位是人的臉部或頭部，因此，首先需要機(jī)器人完成人臉識(shí)別。本研究采用微軟Kinect-1深度相機(jī)作為機(jī)器人的眼睛，結(jié)合中科視拓SeetaFace2算法來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別。其中Kinect-1深度相機(jī)包含一個(gè)高清攝像頭和光學(xué)攝像頭，通過(guò)結(jié)構(gòu)光投射器向?qū)ο笪锉砻嫱渡淇煽刂频墓怆姟⒐饩€和光面獲取深度數(shù)據(jù)，利用三角測(cè)量原理計(jì)算被測(cè)物的三維空間信息。SeetaFace2算法通過(guò)提取人體臉部特征點(diǎn)準(zhǔn)確地鎖定人的臉部，然后結(jié)合紅外測(cè)溫?cái)z像頭獲取人的體溫;當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到體溫異常的人時(shí)可以在云端保留臉部信息，同時(shí)在邊緣服務(wù)器完成處理并發(fā)送信息給體溫異常人員手機(jī)提醒休息，并通知相應(yīng)工作人員采取健康跟蹤管理。另外，如果檢測(cè)到多人，可以結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)即刻的全畫面多人識(shí)別與測(cè)量。

為了保持圖書館安靜的學(xué)習(xí)環(huán)境，機(jī)器人測(cè)溫語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)采用選擇性開(kāi)啟播報(bào)模式。在公共區(qū)域進(jìn)行多人員動(dòng)態(tài)測(cè)溫時(shí)采用終端APP短信息提醒服務(wù);當(dāng)用戶與機(jī)器人進(jìn)行面對(duì)面交流測(cè)溫模式時(shí)，若發(fā)現(xiàn)被測(cè)人員體溫異常選擇語(yǔ)音即時(shí)播報(bào)和終端APP信息提醒雙重服務(wù)模式，其中語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)科大訊飛API的方式，進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播報(bào)。

3.4 環(huán)境殺菌消毒

在做好人員體溫檢測(cè)的同時(shí)，公共區(qū)域和書庫(kù)的環(huán)境消殺工作也需要同步做好。首先，該機(jī)器人可安裝紫外線消毒燈，對(duì)圖書館書庫(kù)和其他公共區(qū)域進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)巡回消毒殺菌工作。另外，機(jī)器人還可以通過(guò)掛載雙氧水噴霧器對(duì)大廳、樓道、衛(wèi)生間，以及研討間等區(qū)域執(zhí)行全方位深度消殺工作。通過(guò)設(shè)定機(jī)器人程序在封閉環(huán)境中自動(dòng)噴灑霧化的雙氧水消毒液，可深入到人工消毒不能達(dá)到的細(xì)微縫隙，相對(duì)于普通的人工噴灑、擦拭，能更加有效地消除病毒和細(xì)菌。

3.5 拓展功能探析

在機(jī)器人應(yīng)用前端開(kāi)發(fā)室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)機(jī)器人在與用戶的交互過(guò)程中，完成人員測(cè)溫建康管理服務(wù)。智能有趣的設(shè)備和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)給圖書館新用戶留下良好的第一印象。

隨著人工智能的快速發(fā)展，機(jī)器人增加機(jī)械手臂，在執(zhí)行人員測(cè)溫或環(huán)境消殺的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)館內(nèi)散落圖書，可利用機(jī)械手撿取并存放在儲(chǔ)物區(qū)。關(guān)于拓展應(yīng)用，該智能機(jī)器人形同游走于圖書館的邊緣服務(wù)器，連通多種信息資源中心和專家服務(wù)中心，讀者可以通過(guò)機(jī)器人快速流暢的查找資源、視頻交流甚至置身于虛擬的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，與專家在實(shí)際的項(xiàng)目工作環(huán)境中進(jìn)行面對(duì)面的交流。另外，機(jī)器人也可以是一個(gè)行走于讀者行列中的虛擬館員，實(shí)時(shí)搜集和處理讀者信息，拉近讀者與館員之間的距離，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息處理和交換，提高服務(wù)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析設(shè)計(jì)圖書館智能測(cè)溫服務(wù)機(jī)器人，利用人工智能機(jī)器人技術(shù)做好后疫情時(shí)代圖書館的防疫防護(hù)和智能化服務(wù)工作。該機(jī)器人搭載5G傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS平臺(tái)和SLAM自主定位導(dǎo)航技術(shù)，Hokuyo激光雷達(dá)作為核心傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)圖書館室內(nèi)定位導(dǎo)航;采用微軟Kinect-1深度相機(jī)和中科視拓SeetaFace2算法利用紅外測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別和測(cè)溫，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)或客戶端APP進(jìn)行體溫異常提醒。同時(shí)，為降低硬件成本該機(jī)器人融合多元技術(shù)因素，拓寬機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，探索一機(jī)多用、日夜兼行的多模態(tài)工作模式，以充分發(fā)揮機(jī)器人的智能化、智慧化服務(wù)水平。另外，由于該機(jī)器人涉及功能較多，各功能模式的選擇判斷和自由切換及業(yè)務(wù)工作的完美呈現(xiàn)還需要進(jìn)行大量的測(cè)試驗(yàn)證和使用磨合。

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