家用智能助老服務型機器人的設計與實現

鐘國君 李俊杰 楊倩怡 周晟妃 楊宇

摘要：近年來國家老齡化人口比重日漸增大，國家一直重視人口老齡化問題，也出臺了不少關于養老助老的政策。與此同時人工智能領域也在不斷發展。這篇文章在近年來服務機器人定位技術研究和發展狀況的基礎上，為實現服務于老年人的機器，設計了智能助老型機器人的系統，該機器人可以替代獨居老人打掃衛生，在一定程度上減輕了老人的負擔，可以與老人進行人機交互排解孤單，同時引領老人融入數字化時代，還可以對老人起到安全監護的作用。

關鍵字：助老、清潔打掃、自動控制

引言

如今各式各樣的智能機器人進入人們日常生活，對人類社會產生著越來越重要的影響，目前市場上很少有針對老年人的陪伴型機器人，且目前提出的語音交互設計規范和原則針對老年用戶的相對較少，并沒有充分考慮老年用戶在生理和心理上不同于其他年齡段用戶的特征，特別是認知方面的特征，使得老年人與陪伴機器人的交互體驗欠佳。助老服務型機器人市場上有一些，例如杭州市社會福利中心2016年曾引進一批智能養老服務機器人，名為“阿鐵”，能夠提醒老年人按時吃藥等簡單功能，但用戶的體驗感欠佳。總的來說，養老助老服務市場活力尚未充分激發，養老服務發展的不平衡不充分、有效供給不足、服務質量不高等問題依然存在，人民群眾的養老服務需求尚未得到有效滿足。在此提出了一種助老服務型機器人的設計方案，設計從人機交互體驗上更傾向于體察人類的情感，擁有更擬人化的形象以達到更好的助老效果，讓家人放心，讓老人舒心。

1機器人方案及結構設計

1.1總體方案設計

基于樹莓派的智能助老服務機器人主要由樹莓派、語音識別、攝像頭、電機、電源、顯示屏等部分組成。

智能助老服務型機器人最終要實現兩種模式，即清潔打掃模式，智能陪伴模式，還有一個獨立的監控模式，用戶可以根據需求進行選擇，兩種模式亦可同時進行。清潔打掃模式時通常干拖難以將地上的污漬清理干凈，本文所設計的智能助老服務型機器人采用的是濕拖的方式，能夠達到更好的清潔效果，在清潔劑中加入一定量的消毒劑成分，還能起到一定的消毒作用。智能陪伴模式下可機器人可以與老人進行語音交流，并且能夠進行影音播放等功能，本文所設計智能助老服務型機器人的語音交互更偏向于老年人，同時利用語音交互和界面交互來引導老年人適應數字化時代。監控模式在機器人工作期間是全程開啟的，以保證家庭安全。

2系統硬件設計

（1）主要控制板塊設計

主控模塊選用樹莓派4B型。樹莓派4B具備1.5Ghz運行的64位四核處理器，最高支持以60fps速度刷新的4K分辨率的雙顯示屏，高達4GBRAM（可根據型號選擇1GB、2GB、4GB、8GB），2.4/5.0Ghz雙頻無線LAN，藍牙5.0/BLE，千兆以太網，USB3.0，和PoE功能。

（2）掃地模塊結構設計

掃地模塊主要通過毛刷和吸塵器的配合來清掃地面，在掃地模塊的框架中主要由兩個毛刷、一個垃圾儲存器、一根吸塵管、一個中小型吸塵口和若干個電機組成，采用帶輪傳動的方式帶動兩個毛刷相向向內轉動，將周邊灰塵等清掃至中小型吸塵口處，通過中小型吸塵口將其通過吸塵管道存儲值垃圾儲存器中，垃圾儲存器可以十分方便的取出并清理其中的垃圾。

（3）拖地模塊結構設計

所設計的智能助老服務型機器人的濕拖模塊是在經過掃地模塊清理垃圾后的二次清理模塊，該模塊主要由噴霧系統和拖地系統組成。拖地系統由自動控制水閥、水箱、小型微源水泵及噴霧器組成;拖地系統主要由電動機、拖布等組成。噴霧器置于拖布的前方。當處于工作狀態時，噴霧器在前方噴出清潔液，其后方的電動機帶動拖布做旋轉運動，伴隨著移動清潔地面，達到更好的清潔效果。

（4）頭部與手部運動模塊結構設計

圖1機器人外形示意圖

本文所設計的智能助老服務型機器人的頭部可以進行一定角度的轉動，身體兩側的手臂也可以在一定角度內進行擺動，如圖所示，更加的擬人化，也使得攝像頭所能拍攝的范圍更加的廣闊。頭部的運動與手臂的運動主要由舵機云臺與連桿機構的配合實現、頭部由一個獨立的舵機控制其轉動，兩個機械手臂由一個獨立的舵機控制擺動。在機器人與老人進行人機交互出發某一特定信號時，機器人的兩個手臂會進行擺動;頭部的轉動能都更好的幫助攝像頭搜尋服務目標。

（5）移動模塊的結構設計

智能助老服務型機器人是一種輪式機器人，前面有一個從動轉向輪，兩側各有一個主動輪，通過使用無刷直流電機進行控制，采用電子換向，脈寬調制脈沖進行調速，在進一步提高直流電機的性能的同時，克服了直流電機傳統機械換向帶來的一系列問題。且控制方法比較簡單。在機器人運動是需要防止碰撞障礙物及防止其跌落。本文所設計的智能助老服務型機器人采用激光雷達的方式，激光避障的精度、反饋速度、抗干擾能力和有效范圍都要明顯優于紅外線傳感器和超聲波傳感器。為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落本文所述的智能助老服務型機器人在掃地機器人底部安裝三個防跌落傳感器。防跌落傳感器是利用超聲波來進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器就會利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離，當超過限定的距離時，傳感器就會向控制器發送信號，控制器發布轉向命令，改變掃地機器人前進方向，從而實現防止跌落的目的。

（6）語音識別板塊設計

采用亞博智能語音識別模塊IIC聲音傳感器AI開發板LD3320，通過IIC通訊設置語音識別語句和獲取識別的結果，十分方便快捷，可以快速的開發人機交互項目。支持3種識別模式和掉電保存功能，拓展開發性強。模塊可以添加50個識別句，不超過十個漢字。支持彎頭杜邦線接口、鱷魚夾接口、PH2.0防呆接口，兼容多種編程平臺。

3系統軟件設計

系統軟件設計的主程序設計采用python開發語言，計劃使用web界面設計，對機器人進行控制。

服務：當用戶站在機器人面前時，機器人會主動識別出用戶的身份，例如監護對象、緊急聯系人、訪客等，以此來給與使用者不同的權限，進而提供相應服務。同時還能與智能家居系統有效結合，利用智能家居系統獲取水、電、天然氣的使用信息。當監護對象正常離家之后，對于之后闖入的陌生人會以文本和圖片的方式通知緊急聯系人，可以起著防盜的功能。

安全監測：本項目研發的機器人將配備有攝像頭，使得老年人的日常生活處于遠程監控之下，當老年人摔倒或者走出房屋時，家用智能助老服務型機器人能夠立即將此時的消息以文本和圖片的方式發送給用戶綁定的緊急聯系人，使得緊急聯系人第一時間得知息和相關情況，并做出相應的處理。

互動：語音交互模塊對用戶發出的聲音進行實時的錄音，并將錄音轉換為文字，通過預先設置的文字與控制指令的對應關系，執行上述的控制指令。從而，使得小孩與老人可以與機器人進行語音互動，使小孩獨自玩耍時，老人獨處時不會感到寂寞。而且，所述模式控制模塊在接收到切換指令后，在音視頻播放模式、動作交互模式、WIFI連接模式、情感對話模式之間來回進行切換。使得機器人具有多種模式可供選擇，起到了更好的陪伴作用。

多媒體娛樂：能跟人之間可以通過自然語言交流，支持人臉識別、用戶權限、語音控制設備、專業知識咨詢、云平臺管控、屋內照明與窗簾控制等功能。只需通過自然語言就能完成很多復雜的工作，是一套可以完全讓你擺脫雙手的系統，多媒體娛樂功能不僅可以使整個音視頻及控制系統更加的簡潔，也能讓安裝調試、使用維護變得容易，并起具有良好的兼容性以及擴展性，可廣泛應用于各種影視頻系統項目。

清潔打掃：機器人可以通過攝像頭和激光雷達達到自動掃描房屋的結構，并自動設定定期清掃的時間，無需人為的去進行管理，就可以自己把房屋打掃干凈，另外，在不需要打掃的房間門口設置專門的遮擋設備的話，掃地機器人就會自動跳過這個房間。機器人還配備了配備殺菌燈，在清掃房屋的同時還能夠消滅房屋中的細菌和螨蟲，為自己的家人創造一個優質的生活環境。機器人具有先進的感應裝置，遇到阻滯物的時候能夠自動進行避讓，防止沖擊、碰撞等對機器人造成的傷害。

4結束語

本項目是基于樹莓派進行相關的設計，項目最終想要實現具有服務、安全監測、互動、多媒體娛樂、清潔打掃五大功能。主要服務于居家養老的老人，當今時代，居家養老的老人增加，陪伴型機器人不僅可以達到陪伴的目的，同時也可以對家里的老人進行安全監測發送到家人的手機上。并且在家中可以實現清潔打掃的功能，使老人居家養老更舒適。

天津市大學生創新創業訓練計劃項目：《家用智能助老服務型機器人的設計與實現》，編號：202113898029。

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