孙奕敏1 王玙璠2 艾浩军2
（1.中国人民武装警察部队山东总队训练基地，山东 济南 250000；2.武汉大学计算机学院，湖北 武汉 430072）
【摘 要】实现基于助老服务机器人的智慧养老院，其中智慧养老院平台是集各种传感器、RFID标签、RSSI模块读写器、KINECT摄像头、多种网关设备、网络设备等基础硬件设施，同时具有机器人服务系统、环境监测系统、智能视频分析系统、网络展播系统、老人健康管理系统、老人定位与呼叫六大应用系统于一体的养老院基础设施与服务的智慧化支撑平台。
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关键词 助老服务机器人；智慧化平台；智慧养老院
※基金项目：本文部分得到武汉市科技局科技攻关项目（2013010602010217）、湖北省科技支撑计划项目（2014BAA153）支持。
作者简介：孙奕敏（1976.12.26—），女，硕士，讲师，中国人民武装警察部队山东总队训练基地。
王玙璠（1991.12.14—），女，武汉大学，硕士研究生。
艾浩军（1972.10.08—），男，武汉大学，副教授。
0 引言
进入21世纪以来，由于我国执行的独生子女政策产生了一对夫妇需要赡养4位老人的家庭养老问题，老年人的护理不仅需要大量的资金还需要大量的人力，利用智能机器人技术，开发具有一定的护理能力的智能机器人帮助老人生活起居成为了解决我国养老问题的良策。随着机器人技术的发展，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄化越来越严重,更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业，使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。
1 智慧养老院的总体结构
通过智能机器人与服务平台给养老院老人提供更舒心、便捷的养老服务，系统总体结构如图1所示，包括一网、一平台、三核心技术、六大应用系统：
（１）一网，指物联网，在养老院中建立物联网基础设施，采集养老院的基本数据信息，如视频信息、温湿度信息、人员地理位置信息等，为信息系统的建设提供强大的基础数据支撑。
（2）一平台，指养老院基础设施与服务的智慧化支撑平台，完成基于多设备接入的智能服务支撑平台，建设智慧养老院数据中心，提供智能养老服务。
（3）三大核心技术，即机器人自定位与地图创建技术、机器人视觉识别的智能人机交互技术和多网络、多设备智能融合接入技术。通过核心技术攻关，攻克智能机器人领域自定位导航与智能交互的技术瓶颈，整合养老院多智能设备资源，实现智慧养老院的智能服务功能。
（4）六大系统，指机器人服务系统、环境监测系统、智能视频分析系统、网络展播系统、老人健康管理系统、老人定位与呼叫系统六大应用系统。
2 智慧养老院中的关键技术
如图2所示，我们开发的助老服务机器人具备了一下四个方面的功能。
2.1 家居助手
老年人随着年龄的增加，需要能顺利的控制各种家电、灯光和音响。智能机器人作为家电控制的助手，能有效帮助老人完成对家电等的控制，同时还省去了老人寻找众多家电遥控器的烦恼。本系统中，老人通过语音、图片识别和界面按钮控制三种方式控制机器人依次完成对两个智能家居设备的开启或关闭。关键在于机器人自主定位、导航、自主避障、语音合成、发音表达清晰程度等方面的能力。
2.2 吃药提醒
对于定期服用不同药的老人，错吃药和忘记定时吃药是两个比较突出的问题。助老组比赛设定此项目，使用智能机器人协助老人解决这两方面的问题。
本系统通过智能机器人的物体识别能力，定时能力提醒老人吃药，并确保老人吃药安全。关键在于机器人自主定位、导航、门开关判定、物体识别、语音合成、发音表达清晰程度等方面的能力。
2.3 定时健康检查
老人身体需要定期的体检，助老机器人则可以完成老人提醒体检和正常的例行身体检查。关键在于机器人自主定位、导航、门开关判定、血氧脉搏检测、语音合成、发音表达清晰程度等方面的能力。
2.4 物品小管家
智能机器人用来解决老年人找不到物品的苦恼。关键在于机器人自主定位、导航、物体识别、语音合成、发音表达清晰程度等方面的能力。
机器人走进人类日常生活，将人类从或繁重、或危险、或单调的日常劳动中解放出来是人们长期追求的梦想。目前的机器人主要适合于在大型车间等结构化生产环境下从事规范、重复和高精度的操作，难以适应人类的日常生活环境和任务要求。因此，研究机器人与人之间的行为交互是实现“机器人走进人类日常生活”的关键课题。
机器人与人的行为交互应体现自主性、安全性和友好性等几个重要特征。自主性避免机器人对服务对象的过分依赖，可以根据比较抽象的任务要求，结合环境变化自动设计和调整任务序列；安全性是指通过机器人的感知和运动规划能力，保证交互过程中人的安全和机器人自身的安全；友好性则体现了人作为服务对象对机器人系统提出的更高要求，即通过自然的，更接近与人与人之间交流的交流方式来实现人机对话。
基于多模态数据识别的人机交互技术是针对养老院环境下，利用老人的语音、姿势和表情信息识别老人的需求和情感状态，提供更符合老人习惯的人机交互界面。基于多模态数据识别技术的人机交互技术的主要过程分为五个部分，如图3所示：
1）多模态信号检测。检测出多模态信号，语音信号通过机器人的音频输入设备获得，老人的姿势与表情数据通过机器人自身所携带的摄像头获得，语音数据进行语音识别，判断老人对机器人操作的指令信号。由于助老服务机器人的服务对象固定，因此可以使用基于学习的算法对特定对象的发音信息进行强化学习，获得更高的识别率。机器人的视觉摄像头获取服务老人的表情和姿势视频，通过视频中的人脸和手势来判断老人的情绪状态。
2）多模态数据的特征提取。对于老人的语音数据，进行特征提取，主要是在频域进行相关的特征提取操作；对于老人的表情和手势图像，获取人脸的形状信息作为特征，使用主动形状模型获得人脸和手势的标定点位置。
3）相似性度量模型。在提取了语音、手势和人脸表情特征后，建立特征之间的相似性度量模型，分析特征空间对于识别的重要性与影响，根据不同的特征建立符合实际情况的相似性度量模型。
4）模式分类算法。利用现有的分类算法对获取到了算法进行分类，完成简单的老人语音的识别功能，在此基础上，进行老人的手势和表情识别，获得老人的感情状态，进而提供机器人更明确的服务对象信息。
5）智能交互框架。智能交互框架主要完成机器人在理解了老人的表达后，通过语音合成技术对老人进行反馈，当检测到老人的表情痛苦和或者不舒服后，立即通过呼叫中心联系管理人员进行处理。
3 总结
利用养老院的室内环境的特点，建立每个房间的环境的全局栅格地图，为服务机器人提供了全局环境信息；其次利用RFID环境参数标定的办法，依据人工路标用以辅助机器人定位，帮助机器人实现环境参数的更新利用养老院的无线网络，实现机器人和服务器的实时信息交互。基于物联网技术，实现养老院中不同网络的互联，不同设备的接入，在机器人系统的帮助下，实现老人的实时位置定位、信息呼叫、家人互动、老人健康状态监控、网络服务等智能化一体服务。
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参考文献
［１］王震,刘智斌.基于物联网的养老院管理系统设计与实现[J].计算机与现代化,2011.
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［３］潘永友.基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现[M].杭州电子科技大学,2013.
［４］杨铮,吴陈沭,刘云浩.位置计算:无线网络定位于可定位性[M].北京:清华大学出版社,2014.
［５］苗素贞,彭平.基于物联网技术的社区养老管理系统的研究[M].广东技术师范学院,2014.
［责任编辑：汤静］