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）

0 引言

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)。

1 智慧養(yǎng)老院的總體結(jié)構(gòu)

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

2 智慧養(yǎng)老院中的關(guān)鍵技術(shù)

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

2.1 家居助手

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。

2.2 吃藥提醒

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。

2.3 定時(shí)健康檢查

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。

2.4 物品小管家

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)人類日常生活，將人類從或繁重、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，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。

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。基于多模態(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）模式分類算法。利用現(xiàn)有的分類算法對(duì)獲取到了算法進(jìn)行分類，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。

3 總結(jié)

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?；谖锫?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.