孫奕敏 王玙璠 艾浩軍
(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)山東總隊(duì)訓(xùn)練基地,山東 濟(jì)南 250000;2.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430072)
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),由于我國(guó)執(zhí)行的獨(dú)生子女政策產(chǎn)生了一對(duì)夫婦需要贍養(yǎng)4位老人的家庭養(yǎng)老問(wèn)題,老年人的護(hù)理不僅需要大量的資金還需要大量的人力,利用智能機(jī)器人技術(shù),開(kāi)發(fā)具有一定的護(hù)理能力的智能機(jī)器人幫助老人生活起居成為了解決我國(guó)養(yǎng)老問(wèn)題的良策。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)愈來(lái)愈親身地感受到機(jī)器人深入生產(chǎn)、生活和社會(huì)的堅(jiān)實(shí)步伐。一方面隨著各個(gè)國(guó)家老齡化越來(lái)越嚴(yán)重,更多的老人需要照顧,社會(huì)保障和服務(wù)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(méi)有更多時(shí)間陪伴自己的孩子,隨之醞釀而生的將是廣大的家庭服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)。另一方面服務(wù)機(jī)器人將更加廣泛地代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè),使人類(lèi)從繁重的、重復(fù)單調(diào)的、有害健康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來(lái)。
通過(guò)智能機(jī)器人與服務(wù)平臺(tái)給養(yǎng)老院老人提供更舒心、便捷的養(yǎng)老服務(wù),系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括一網(wǎng)、一平臺(tái)、三核心技術(shù)、六大應(yīng)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(chǔ)設(shè)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(shè)提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
(2)一平臺(tái),指養(yǎng)老院基礎(chǔ)設(shè)施與服務(wù)的智慧化支撐平臺(tái),完成基于多設(shè)備接入的智能服務(wù)支撐平臺(tái),建設(shè)智慧養(yǎng)老院數(shù)據(jù)中心,提供智能養(yǎng)老服務(wù)。
(3)三大核心技術(shù),即機(jī)器人自定位與地圖創(chuàng)建技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別的智能人機(jī)交互技術(shù)和多網(wǎng)絡(luò)、多設(shè)備智能融合接入技術(shù)。通過(guò)核心技術(shù)攻關(guān),攻克智能機(jī)器人領(lǐng)域自定位導(dǎo)航與智能交互的技術(shù)瓶頸,整合養(yǎng)老院多智能設(shè)備資源,實(shí)現(xiàn)智慧養(yǎng)老院的智能服務(wù)功能。
(4)六大系統(tǒng),指機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能視頻分析系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用系統(tǒng)。
圖1 基于助老服務(wù)機(jī)器人的智慧養(yǎng)老院結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示,我們開(kāi)發(fā)的助老服務(wù)機(jī)器人具備了一下四個(gè)方面的功能。
圖2 助老服務(wù)機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)圖
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(jī)器人作為家電控制的助手,能有效幫助老人完成對(duì)家電等的控制,同時(shí)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(guò)語(yǔ)音、圖片識(shí)別和界面按鈕控制三種方式控制機(jī)器人依次完成對(duì)兩個(gè)智能家居設(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)閉。關(guān)鍵在于機(jī)器人自主定位、導(dǎo)航、自主避障、語(yǔ)音合成、發(fā)音表達(dá)清晰程度等方面的能力。
對(duì)于定期服用不同藥的老人,錯(cuò)吃藥和忘記定時(shí)吃藥是兩個(gè)比較突出的問(wèn)題。助老組比賽設(shè)定此項(xiàng)目,使用智能機(jī)器人協(xié)助老人解決這兩方面的問(wèn)題。
本系統(tǒng)通過(guò)智能機(jī)器人的物體識(shí)別能力,定時(shí)能力提醒老人吃藥,并確保老人吃藥安全。關(guān)鍵在于機(jī)器人自主定位、導(dǎo)航、門(mén)開(kāi)關(guān)判定、物體識(shí)別、語(yǔ)音合成、發(fā)音表達(dá)清晰程度等方面的能力。
老人身體需要定期的體檢,助老機(jī)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(jī)器人自主定位、導(dǎo)航、門(mén)開(kāi)關(guān)判定、血氧脈搏檢測(cè)、語(yǔ)音合成、發(fā)音表達(dá)清晰程度等方面的能力。
智能機(jī)器人用來(lái)解決老年人找不到物品的苦惱。關(guān)鍵在于機(jī)器人自主定位、導(dǎo)航、物體識(shí)別、語(yǔ)音合成、發(fā)音表達(dá)清晰程度等方面的能力。
機(jī)器人走進(jìn)人類(lèi)日常生活,將人類(lèi)從或繁重、或危險(xiǎn)、或單調(diào)的日常勞動(dòng)中解放出來(lái)是人們長(zhǎng)期追求的夢(mèng)想。目前的機(jī)器人主要適合于在大型車(chē)間等結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)環(huán)境下從事規(guī)范、重復(fù)和高精度的操作,難以適應(yīng)人類(lèi)的日常生活環(huán)境和任務(wù)要求。因此,研究機(jī)器人與人之間的行為交互是實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人走進(jìn)人類(lèi)日常生活”的關(guān)鍵課題。
機(jī)器人與人的行為交互應(yīng)體現(xiàn)自主性、安全性和友好性等幾個(gè)重要特征。自主性避免機(jī)器人對(duì)服務(wù)對(duì)象的過(guò)分依賴(lài),可以根據(jù)比較抽象的任務(wù)要求,結(jié)合環(huán)境變化自動(dòng)設(shè)計(jì)和調(diào)整任務(wù)序列;安全性是指通過(guò)機(jī)器人的感知和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力,保證交互過(guò)程中人的安全和機(jī)器人自身的安全;友好性則體現(xiàn)了人作為服務(wù)對(duì)象對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)提出的更高要求,即通過(guò)自然的,更接近與人與人之間交流的交流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)。
基于多模態(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別的人機(jī)交互技術(shù)是針對(duì)養(yǎng)老院環(huán)境下,利用老人的語(yǔ)音、姿勢(shì)和表情信息識(shí)別老人的需求和情感狀態(tài),提供更符合老人習(xí)慣的人機(jī)交互界面?;诙嗄B(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)的人機(jī)交互技術(shù)的主要過(guò)程分為五個(gè)部分,如圖3所示:
圖3 多模態(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別算法框架圖
1)多模態(tài)信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)出多模態(tài)信號(hào),語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)機(jī)器人的音頻輸入設(shè)備獲得,老人的姿勢(shì)與表情數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器人自身所攜帶的攝像頭獲得,語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別,判斷老人對(duì)機(jī)器人操作的指令信號(hào)。由于助老服務(wù)機(jī)器人的服務(wù)對(duì)象固定,因此可以使用基于學(xué)習(xí)的算法對(duì)特定對(duì)象的發(fā)音信息進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí),獲得更高的識(shí)別率。機(jī)器人的視覺(jué)攝像頭獲取服務(wù)老人的表情和姿勢(shì)視頻,通過(guò)視頻中的人臉和手勢(shì)來(lái)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(duì)于老人的語(yǔ)音數(shù)據(jù),進(jìn)行特征提取,主要是在頻域進(jìn)行相關(guān)的特征提取操作;對(duì)于老人的表情和手勢(shì)圖像,獲取人臉的形狀信息作為特征,使用主動(dòng)形狀模型獲得人臉和手勢(shì)的標(biāo)定點(diǎn)位置。
3)相似性度量模型。在提取了語(yǔ)音、手勢(shì)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(duì)于識(shí)別的重要性與影響,根據(jù)不同的特征建立符合實(shí)際情況的相似性度量模型。
4)模式分類(lèi)算法。利用現(xiàn)有的分類(lèi)算法對(duì)獲取到了算法進(jìn)行分類(lèi),完成簡(jiǎn)單的老人語(yǔ)音的識(shí)別功能,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行老人的手勢(shì)和表情識(shí)別,獲得老人的感情狀態(tài),進(jìn)而提供機(jī)器人更明確的服務(wù)對(duì)象信息。
5)智能交互框架。智能交互框架主要完成機(jī)器人在理解了老人的表達(dá)后,通過(guò)語(yǔ)音合成技術(shù)對(duì)老人進(jìn)行反饋,當(dāng)檢測(cè)到老人的表情痛苦和或者不舒服后,立即通過(guò)呼叫中心聯(lián)系管理人員進(jìn)行處理。
利用養(yǎng)老院的室內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn),建立每個(gè)房間的環(huán)境的全局柵格地圖,為服務(wù)機(jī)器人提供了全局環(huán)境信息;其次利用RFID環(huán)境參數(shù)標(biāo)定的辦法,依據(jù)人工路標(biāo)用以輔助機(jī)器人定位,幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的更新利用養(yǎng)老院的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和服務(wù)器的實(shí)時(shí)信息交互。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)養(yǎng)老院中不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),不同設(shè)備的接入,在機(jī)器人系統(tǒng)的幫助下,實(shí)現(xiàn)老人的實(shí)時(shí)位置定位、信息呼叫、家人互動(dòng)、老人健康狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等智能化一體服務(wù)。
[1]王震,劉智斌.基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)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(shì)[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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].杭州電子科技大學(xué),2013.
[4]楊錚,吳陳沭,劉云浩.位置計(jì)算:無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位于可定位性[M].北京:清華大學(xué)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(xué)院,2014.