吴涛1
1武汉学院信息工程学院
摘要：基于“大数据＋智能科技”的模式，重要意义在于这是智能家居时代产学研生态链上的一次探索。顺应当下“智能硬件＋物联网技术＋电商服务”的用户购买使用习惯及社会发展的大趋势，人工智能助老服务机器人的出现有效解决了人口老龄化造成的社会护理人员不足的问题，同时也在很大程度上提高了老年人生活水平。本文通过研究人工智能助老服务机器人设计的原则，人工智能技术的途径，人口老龄化的快速到来以及家庭结构的巨大变化给我国在老年养老和病痛护理方面施加了重磅压力。智能陪护机器人个性化定制生产模式为依托，旨在满足未来老年人智能化养老服务需求以及个性化需求的意愿基础上解决老龄化社会难题。
关键词：设计评价；服务机器人；人机对话
1 研究背景
近年来，随着全球人口进入老龄化，如何解决老年人的看护问题，已经成为各国政府需要解决的社会问题。陪护机器人是一种半自主或全自主工作的服务机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，具有灵活、智能，性价比高等特点，具有巨大的商业应用前景。
目前国外研制的陪护机器人智能化程度高，人机交互性好，但是价格昂贵，限制了陪护机器人的普及。而国内陪护机器人的研制尚处于起步阶段，已有的陪护机器人功能简单，智能化程度低，尚不能真正实现老年人陪护。因此，需要一款低成本的多功能智能陪护机器人为空巢或养老院中的老人提供专门陪护。
随着中国城市化进程不断推进，多年计划生育政策的实施，很多家庭正面临着一对夫妇赡养四位老人的社会难题，再加上老年人口逐渐增加，人口老龄化的问题逐渐凸显，使得老年人的养老和病痛护理面临很大的压力。人工智能助老服务机器人的出现有效解决了人口老龄化造成的社会护理人员不足的问题，同时也在很大程度上提高了老年人生活水平。本文通过研究人工智能助老服务机器人设计的原则，人工智能技术的途径，人工智能助老服务机器人在实际生活中的应用情况，以期在人工智能助老服务机器人设计领域贡献自己的绵薄之力。纵观整个中国，工业化，城市化，人口老龄化的快速到来以及家庭结构的巨大变化给我国在老年养老和病痛护理方面施加了重磅压力。家用助老服务机器人的出现既是应对当今老龄化社会护理人员不足的刚性需求，也是提高人类生活质量水平的重要保障。本课题结合设计心理学，人机工程学，医学，机器人学，工业设计方法学等跨学科知识，始终贯彻以用户为中心的思想理念，以智能硬件＋物联网技术＋电商服务，家用助老服务机器人为服务媒介；企业个性化定制生产模式为依托，按照"目标对象-问题出发-需求分析-产品设计-方案评估"的系统化流程，旨在满足未来老年人智能化养老服务需求以及个性化需求的意愿基础上解决老龄化社会难题。
2 国内外现状
随着科技的不断进步，新兴智能辅助产品中的服务机器人开始成为居家养老辅助产品的重点研究方向。本文梳理了老龄产品发展成熟的欧洲和日本的服务机器人的发展现状，明晰老年人辅助产品在科技快速发展的背景下变得越来越智能，当功能性变得"无可挑剔"时，人们对其具有的"人情味"提出了更高的要求。机器人需要同时具有两面性-它需要做一些功能性的事情，成为一种实用工具，还需要在社会上被人们所接受以及人们希望拥有的东西。
众所周知，日本是老龄化社会严重的国度。人口老龄化伴随着劳动力严重短缺，如何应对？日本在发展机器人方面一直走在世界前列，素有“机器人王国”之称。在运用机器人应对老龄化方面，日本一直在加紧研究应用。这样场景来自电影《我的机械人老友》，故事已发生在不久的将来。机器人成为人类最好的朋友，但它实际上捕捉到了机器人辅助人类生活的图景。本文详细介绍了日本的几种护理机器人，一个闪亮的白色机器人管家，帮助老人处理日常琐事，并提供健康监控。65 岁以上的人口占日本 1.47 亿总人口的四分之一以上，到 2065 年，预计这一比例将达到 40％。根据日本经济产业省估计，日本的护理机器人市场预计在 2015 年到 2025 年间将增长 20 倍。事实上，政府将其三分之一的预算用于发展护理机器人。护理机器人Robear 是 Toshiharu Mukai 在 2009 年方面 RIBA 和 2011 年的 RIBA-II 之后创造的第三个机器人。Mukai 和他的开发人员在一个名为 Riken 的接受了政府资助的机构创建了这个机器人。Mimamori Eye 是为智能手机定位应用程序，为老人建立了一个安全网络社区。 看护者在应用中注册老人的身体描述和图片; 如果老人走失，应用程序会向 20 公里范围内的所有用户发送警报。 开发这项技术的 Safety Net Linkage 公司也发起了一个专门的热线，以报告失踪和发现的走失老人。护理机器人的缺点虽然智能传感器缺乏机器人令人印象深刻的功能，但对于许多消费者而言，它们可能是目前最好的选择。 美国、英国等国家相对于中国更早进入老龄化社会，老年人产品的设计更加成熟，老年人智能产品服务系统设计研究也尤为突出，其系统更多地体现了人性化、个性化和智能化，更多地为用户情感考虑。美国新型医护协作机器人Moxi上岗，开发商融资1000万美元协助护士工作，协作机器人最大的突破在于它可以直接与人类并肩合作，大大减少了工位所占面积，更重要的是可以充分结合人和机器的优势，彼此取长补短，让机器人辅助人类去完成那些高重复性、高精度的工作，而人类则解决灵活性高、不断优化的工作。据悉，美国研制的新型医护协作机器人Moxi，减轻了护士工作量，保卫白衣天使，助力新冠疫情阻击战。
总之，现有的机器人服务系统研究相对比较薄弱，同时在医疗机构和养老机构的使用较为集中,家庭服务设计相对较少,而对于中国老人多数以居家养老方式为最佳选择,那么家用机器人服务系统应该在社会上可以接受并适合团队的社会结构是关注的重点。我国哈尔滨工业大学机器人研究所研制的新型多功能服务机器人，辅助老年人生活。具有服务、安全监护、人机交互以及多媒体娱乐四大功能。
3 技术领域
本实用新型属于服务机器人技术领域，目的在于提供一种室内环境多功能智能陪护机器人。目的在于提供一种能够在室内环境进行自主导航定位的多功能智能陪护机器人，以实现对空巢老人(含养老院)、留守儿童的陪护工作。本设计为一种新型多功能智能陪护机器人。本实用新型包括机器人控制系统、机械本体。其特征包括：A、所述机器人控制系统由主控系统，智能语音模块及舵机控制模块组成，各模块与主控系统通过CAN总线连接；B、所述机械本体由移动底座，固定于移动底座上方的躯干部分、以及固连在躯干上方的头部和两个6自由度机械臂组成。
4 技术解决方案
此多功能智能陪护机器人，以产品为载体，包括机器人机械本体和置于机器人机械本体内部的控制系统；所述机器人机械本体由移动底座，固定在移动底座上的机器人躯干部分，固连在机器人躯干上的具有两自由度的头部，以及左右两个六自由度的机械臂组成；使得机器人头部可以实现俯仰运动和旋转运动，同时左右两个六自由度机械臂，使得机器人双手可以完成很多复杂的运动。
所述机器人控制系统由主控嵌入式系统，智能语音模块、舵机控制模块组成；各功能模块与主控嵌入式系统之间通过CAN总线相连，便于机器人以后功能的扩展。实用新型提供的机器人躯干、头部均采用标准成衣模特，头部与左右双臂运动均采用舵机控制，控制简单，成本低，便于机器人的普及应用。
本实用新型提供的机器人具有自主导航功能。当确定工作地点之后，用户将房屋的户型参数导入机器人嵌入式控制系统，机器人将自动生成工作环境的全局地图。在接受到主人语言命令后，机器人采用最短路径算法，计算出到达目标位置的最优路径，并利用自身携带的传感器，完成局部路径规划，最终移动到目标位置。
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下面结合附图对本实用新型及其实施方式作进一步的详细说明。
本设计包括机器人机械本体和置于机器人机械本体内部的控制系统。机器人机械本体以成品成衣模特为载体，头部具有装有两个舵机，可以实现俯仰和旋转两个自由度；左右手臂由六自由度机械臂构成，采用舵机控制，控制简单；机器人控制系统由主控嵌入式系统、智能语音模块、舵机控制模块组成。头部和手臂通过语音控制系统的语音指令控制其具有两个自由度的颈部，实现俯仰和旋转运动；控制具有多个自由度的手臂，实现手部动作。移动底座选用轮式驱动机构，也可选用履带式驱动机构；控制系统能够依据预先输入的户型参数进行全局路径规划，并根据移动底座自身携带的传感器进行局部路径规划，使其移动到预定位置。主控嵌入式系统与各控制模块间通过CAN总线连接，便于机器人功能的扩展。头部壳体、肩部壳体以及躯干壳体选用成品成衣模特。
主控嵌入式系统采用ARM单片机实现，与各功能模块之间通过CAN总线相连，构成主从式控制系统。当智能语音模块收到特定指令时，主控系统将分析任务，发出相应指令，控制各功能模块完成具体的动作。
语音模块为非特定中文语音识别模块，目前最多能储存90条语音指令，可以播放90条声音文件，人机对话的指令都由用户实现设定。对话可由语音触发，也可由传感器触发。
移动底座上安装有各类测距传感器和触觉传感器，并通过CAN总线与机器人主控系统相连，完成导航定位任务。在特定的工作地点，例如公寓或老人院，将户型说明及家具位置导入系统之后，机器人将自动生成所在公寓的全局地图，并利用自身携带的传感器完成导航定位任务。
当主人发出“我想喝水”语音指令之后，机器人会做出“收到”的语音响应，同时将信息传输至主控嵌入式系统，主控系统完成任务解析，计算出当前位置到水瓶存放处的最短路径，并控制移动底座以到达指定位置。多路舵机控制器驱动两支机械臂完成装夹倒水的动作后，重新计算路径并驱动移动底座，将水杯送到主人位置。在喝水的过程中，可由关键字触发语音对答系统，与主人进行对话。当主人发出“杯子归位”的指令并将杯子送还给机器人后，主控系统再次规划路线，将杯子放回指定位置。
机器人使用的是大容量7。4V锂电池，机器人的机械臂、颈部舵机及移动底座均由该电池提供7。4V电压；另配5V降压模块，将7。4V电压转换为5V稳定直流电压。主控嵌入式系统、智能语音模块、舵机控制模块均由稳压模块提供5V电压供电。
4。未来展望
助老助残机器人综合应用智能硬件＋物联网技术＋电商服务成功得到示范应用，取得了良好的用户使用反馈。未来助老助残机容人综合应用展示平台将从以下三个方面做出努力。首先，助老助残机器人综合应用展示平台应该进一步扩大示范应用的规模和范围，实现在全国大中城市的散老院/福利院的推广应用；其次，根据推广应用的成效以及反馈意见进行机器人产品的优化完善，做到真正为老人所用；最后，进行助老助残机器人的产业化工作，使在该平台上集成展示使用的助老助残机器人早日进入到我国老年人的日宫生活中去，为广大老年人挺供生活照料及护理，提高老年人的生活自理能力以及生活品质，缓解家庭和社会的压力。
参考文献：
老年人陪护机器人交互设计研究，娄熙纯;高娃，设计，2020-04-30
聊天陪护机器人对话系统设计，王洪光，哈尔滨理工大学，2020-04-01
基于Al的家庭智能陪护机器人的目标跟踪算法研究，杨玉平，价值工程，2019-12-13
世界机器人大会:那些从想象中走来的机器人，张翔宇，机器人产业，2019-09-25
人工智能技术在陪护机器人中的应用策略，崔妍，数字通信世界，2019-09-01
伴侣机器人的道德问题研究，黄立文，湖南科技学院学报，2019-06-01
针对老年人的智能陪护系统研究现状，吴瑞锐;宋宗峰，科技经济导刊，2019-04-05
浅议人工智能机器人技术在老年陪护中的运用，唐业翔，科技风，2018-12-21
依托武汉学院大学生创新训练项目，指导老师王嘉仪、龚鸣敏项目基金号：2019GA066新工科背景下高校新生工程认知及创新能力培养研究。