營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

摘 要：隨著社會(huì)生活水平的日益提高，百姓營(yíng)養(yǎng)與健康的意識(shí)越來越強(qiáng)烈，僅靠人力完成營(yíng)養(yǎng)健康知識(shí)普及、健康咨詢以及咨詢管理是不現(xiàn)實(shí)的。服務(wù)機(jī)器人是促進(jìn)健康管理與服務(wù)水平提高的科學(xué)手段，雖然國(guó)內(nèi)外都很重視服務(wù)機(jī)器人的研究，但基于營(yíng)養(yǎng)健康知識(shí)庫(kù)的服務(wù)機(jī)器人的研究卻很少。因此，從服務(wù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀出發(fā)，介紹營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，并闡述其研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：營(yíng)養(yǎng)健康;咨詢管理;服務(wù)機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0008-03

Abstract： With the improvement of social living standard， people's awareness of nutrition and health is becoming stronger and stronger. It is unrealistic to accomplish the popularization of nutrition and health knowledge， health consultation and consultation management only by human resources. Service robot is a scientific means to promote health management and service level improvement. It is concluded that the research of service robots is very important both at home and abroad， however， there were few studies on service robots based on knowledge base of nutrition and health. From the research status of service robots， the design idea， working principle and key technology of nutrition and health consultation service robot were presented. The research significance and application value of nutrition and health consultation service robot were summarized.

Keywords： nutrition and health;consultation management;service robot

2013年9月28日，國(guó)務(wù)院頒布《關(guān)于促進(jìn)健康服務(wù)業(yè)發(fā)展的若干意見》[1]，指出“到2020年，基本建立覆蓋全生命周期、內(nèi)涵豐富、結(jié)構(gòu)合理的健康服務(wù)業(yè)體系，基本滿足廣大人民群眾的健康服務(wù)需求，健康服務(wù)業(yè)總規(guī)模達(dá)到8萬億元以上”，同時(shí)指出“促進(jìn)健康管理與服務(wù)水平明顯提高，大力開展健康咨詢，咨詢管理等多樣化健康服務(wù)得到較大發(fā)展”。

2014年1月28日，國(guó)務(wù)院頒布了《中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展綱要（2014—2020年）》[2]（以下簡(jiǎn)稱《綱要》），指出我國(guó)食品生產(chǎn)還不能適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)需求，居民營(yíng)養(yǎng)不足與過剩并存，營(yíng)養(yǎng)與健康知識(shí)缺乏，必須引起高度重視。《綱要》還指出，要全面普及膳食營(yíng)養(yǎng)與健康知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)居民食物與營(yíng)養(yǎng)的指導(dǎo)，提高全民營(yíng)養(yǎng)意識(shí)，提倡健康生活方式，樹立科學(xué)飲食理念。因此，要發(fā)揮主流媒體對(duì)食品與營(yíng)養(yǎng)知識(shí)進(jìn)行公益宣傳的主渠道作用，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)知識(shí)傳播的科學(xué)性。

2017年12月14日，我國(guó)工業(yè)與信息化部發(fā)布《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020年）》[3]。其提出，以市場(chǎng)需求為牽引，積極培育人工智能創(chuàng)新產(chǎn)品和服務(wù)，促進(jìn)人工智能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)智能產(chǎn)品在工業(yè)、醫(yī)療、交通、農(nóng)業(yè)、金融、物流、教育、文化以及旅游等領(lǐng)域的集成應(yīng)用;到2020年，智能公共服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景下中文語(yǔ)音識(shí)別平均準(zhǔn)確率達(dá)到96%，用戶對(duì)話意圖識(shí)別準(zhǔn)確率超過90%。

隨著人們物質(zhì)生活的日益豐富和生活水平的不斷提高，民眾營(yíng)養(yǎng)與健康的意識(shí)越來越強(qiáng)烈。然而，該領(lǐng)域的專業(yè)從業(yè)人員數(shù)量相對(duì)不足，僅僅依靠人力普及營(yíng)養(yǎng)與健康知識(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，需要借助科學(xué)的、行之有效的手段。例如，研發(fā)營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人，采用語(yǔ)音技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)等自動(dòng)跟蹤個(gè)人的健康和體質(zhì)狀況，提供趣味化、智能化、個(gè)性化的營(yíng)養(yǎng)和健康咨詢與管理服務(wù)。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics，IFR）定義服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備[4]。

在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，以美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)為代表的西方國(guó)家和以日本、韓國(guó)為代表的亞洲國(guó)家處于領(lǐng)先地位。各國(guó)均有代表性產(chǎn)品，如德國(guó)研制的Care-0-Bot4，是一款助殘助老獨(dú)立生活的看護(hù)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)桌椅擺放、飲料取拿、空調(diào)控制以及報(bào)警呼救等;日本安川電機(jī)公司研制的摩托曼，是一款可以烹飪煎餅的家政機(jī)器人;韓國(guó)研制的Mahru-Z，是一款可以打掃房子、加熱食物以及輔助洗衣等的女仆機(jī)器人。

由此不難發(fā)現(xiàn)，所有的科技強(qiáng)國(guó)都非常重視服務(wù)機(jī)器人的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前全世界有25個(gè)國(guó)家涉足服務(wù)型機(jī)器人開發(fā)。到2020年，歐盟將投入28億歐元用于研發(fā)醫(yī)療、護(hù)理、家務(wù)、農(nóng)業(yè)和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的機(jī)器人。

在我國(guó)，智能服務(wù)機(jī)器人主要應(yīng)用在養(yǎng)老看護(hù)、醫(yī)療保健、情感關(guān)愛、智能教育、家政服務(wù)以及餐飲服務(wù)等方面，如老人助行機(jī)器人、社區(qū)監(jiān)控管理機(jī)器人、掃地機(jī)器人、北京紫光優(yōu)藍(lán)機(jī)器人、上海小i機(jī)器人和天津的阿士奇機(jī)器人等。

提供智能服務(wù)的機(jī)器人是多學(xué)科、多技術(shù)融合的綜合體，涉及相關(guān)專業(yè)知識(shí)庫(kù)、語(yǔ)義分析、人機(jī)對(duì)話、機(jī)器人制造、云計(jì)算以及軟件開發(fā)等多項(xiàng)技術(shù)。在CNKI中，以“營(yíng)養(yǎng)健康”及“機(jī)器人”為主題或關(guān)鍵字，搜索結(jié)果是0條。可見，目前基于營(yíng)養(yǎng)健康知識(shí)庫(kù)的智能服務(wù)機(jī)器人的研究非常少，項(xiàng)目組從事此方面研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 具體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

項(xiàng)目組研發(fā)營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路：構(gòu)建基于云計(jì)算的營(yíng)養(yǎng)健康專業(yè)知識(shí)庫(kù);建立服務(wù)對(duì)象的個(gè)人健康和體質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù);利用語(yǔ)音識(shí)別和人臉識(shí)別技術(shù)識(shí)別服務(wù)對(duì)象，根據(jù)服務(wù)對(duì)象提出的有關(guān)營(yíng)養(yǎng)與健康方面的咨詢問題，與專業(yè)知識(shí)庫(kù)、健康和體質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，提供服務(wù)對(duì)象體質(zhì)評(píng)估與指導(dǎo)、營(yíng)養(yǎng)配餐與咨詢、健康跟蹤與管理等服務(wù)。

2.2 工作原理

服務(wù)對(duì)象首次使用營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人時(shí)，服務(wù)機(jī)器人利用人臉識(shí)別技術(shù)采集服務(wù)對(duì)象人臉特征等信息，再利用語(yǔ)音技術(shù)提出有關(guān)服務(wù)對(duì)象身體狀態(tài)方面的問題，根據(jù)服務(wù)對(duì)象的回答結(jié)果，與人臉特征信息結(jié)合，生成包含服務(wù)對(duì)象人臉特征、身體狀態(tài)等在內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，供本次及后續(xù)服務(wù)使用。從第二次使用服務(wù)機(jī)器人開始，通過人臉識(shí)別技術(shù)提取服務(wù)對(duì)象的數(shù)據(jù)記錄，服務(wù)對(duì)象向服務(wù)機(jī)器人訴說自身有關(guān)體質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)以及健康等方面的問題，服務(wù)機(jī)器人依據(jù)問題中的關(guān)鍵字，與云端的營(yíng)養(yǎng)健康專業(yè)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行匹配，通過語(yǔ)音給出相應(yīng)的體質(zhì)評(píng)估、運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)、營(yíng)養(yǎng)搭配以及健康跟蹤等回復(fù)。具體工作原理如圖1所示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目組研發(fā)的營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人主要運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 知識(shí)庫(kù)技術(shù)。知識(shí)庫(kù)是人工智能（AI）和數(shù)據(jù)庫(kù)（DB）兩項(xiàng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。不同領(lǐng)域有不同的專業(yè)知識(shí)庫(kù)，營(yíng)養(yǎng)健康的專業(yè)知識(shí)庫(kù)具有咨詢性質(zhì)。其中，知識(shí)片（規(guī)則）的選定非常重要，要反映知識(shí)片的模塊性和相互間存在的依賴關(guān)系，體現(xiàn)出知識(shí)體系的完整性。采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可確保知識(shí)片存儲(chǔ)與檢索的高效性。

2.3.2 人臉識(shí)別技術(shù)。人臉識(shí)別是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)，包括人臉圖像采集及檢測(cè)、人臉圖像預(yù)處理、人臉圖像特征提取和人臉圖像匹配與識(shí)別。通過安裝在服務(wù)機(jī)器人身上的攝像頭采集人臉的原始圖像，對(duì)其進(jìn)行灰度校正、噪聲過濾等預(yù)處理，然后使用人臉識(shí)別系統(tǒng)完成特征提取，將特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的特征模板進(jìn)行搜索匹配，當(dāng)相似度超過設(shè)定的閾值時(shí)，輸出得到的匹配結(jié)果。

2.3.3 語(yǔ)義分析技術(shù)。語(yǔ)義分析技術(shù)是自我概念的特殊句式，是一個(gè)主—謂—表結(jié)構(gòu)的邏輯判斷句式。主語(yǔ)位置上的“我”要換成與“我”有關(guān)的更具體的事件和行為，表語(yǔ)位置上的詞能根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合營(yíng)養(yǎng)健康專業(yè)領(lǐng)域的語(yǔ)言特征和專業(yè)詞匯，建立營(yíng)養(yǎng)健康專業(yè)詞匯庫(kù)和語(yǔ)料庫(kù)，分析專業(yè)概念間的語(yǔ)義關(guān)系，從而建立專業(yè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。

2.3.4 人機(jī)對(duì)話技術(shù)。服務(wù)對(duì)象與機(jī)器人之間采用人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行提問和回答。在語(yǔ)義分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合語(yǔ)音和人臉識(shí)別服務(wù)對(duì)象，建立服務(wù)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，將語(yǔ)義與知識(shí)庫(kù)條目進(jìn)行匹配，從而為服務(wù)對(duì)象提供個(gè)性化且針對(duì)性強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)健康服務(wù)。

2.3.5 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是管理數(shù)據(jù)的方法，而專業(yè)知識(shí)庫(kù)和服務(wù)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)都用到了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。通過分析設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，合理組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、保障數(shù)據(jù)安全和高效地檢索、處理數(shù)據(jù)。

2.3.6 云計(jì)算技術(shù)。云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動(dòng)態(tài)、易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)的超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、高可擴(kuò)展性和動(dòng)態(tài)分配資源的特性，可解決機(jī)器人存儲(chǔ)和計(jì)算能力不足的問題。

2.3.7 機(jī)器人開發(fā)技術(shù)。Microsoft Robotics Developer Studio、OROCOS、OpenJAUS以及CLARAty等是目前流行的開源機(jī)器人軟件開發(fā)平臺(tái)。項(xiàng)目組進(jìn)行對(duì)比研究后，選擇適合研發(fā)營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人的平臺(tái)，降低開發(fā)難度，提高開發(fā)效率，確保開發(fā)的系統(tǒng)健壯高效。

3 結(jié)語(yǔ)

健康是人類永恒的主題。服務(wù)機(jī)器人作為新一代智能產(chǎn)品，被視作21世紀(jì)高技術(shù)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重要組成部分，是2015年5月8日國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《中國(guó)制造2025》[5]規(guī)劃綱要中列出的十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。項(xiàng)目組研發(fā)的營(yíng)養(yǎng)健康咨詢服務(wù)機(jī)器人，是一款基于營(yíng)養(yǎng)健康知識(shí)庫(kù)的機(jī)器人，契合了人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康服務(wù)的迫切需求，可以解決因?qū)I(yè)從業(yè)人員相對(duì)不足、人們得不到及時(shí)專業(yè)的營(yíng)養(yǎng)健康咨詢及管理服務(wù)等一系列問題。下一步將在營(yíng)養(yǎng)健康專業(yè)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建、存儲(chǔ)和檢索，利用語(yǔ)音識(shí)別和人臉識(shí)別技術(shù)建立和識(shí)別服務(wù)對(duì)象，人機(jī)對(duì)話中關(guān)鍵字的選取等技術(shù)問題方面進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

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