助老陪伴機器人情感慰藉系統的設計研究

摘要：我國老齡化趨勢日益明顯，老年人的情感需求迅速上升。與此同時，人工智能技術的迅猛發展為社會帶來了深遠的變革，為解決老年人的情感需求問題提供了新的可能。基于此，文章首先設計了一種新型的助老陪伴機器人情感慰藉系統框架。然后，從機器人與計算機連接、智能語音交互、人物聲音模型訓練以及機器人動作設計四個方面，詳述各模塊原理；從技術實現的角度來看，該系統依托于Yanshee機器人、Gpt-sovists和LIAMA模型。通過在敬老院等場所的實際測試，其有效性得到了驗證：超過 75% 的老年人報告獲得情緒改善，約 80% 的老年人對系統功能表示滿意。

關鍵詞：輔助陪伴機器人；情感慰藉；人工智能

中圖分類號：TP18" "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0035-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在過去的幾十年里，人工智能技術的迅猛發展為社會帶來了深遠的變革，也正在深刻地影響著人們的生產和生活。人工智能不僅在數據處理、決策制定和自動化方面表現出色，而且在模擬人類思維和行為方面也取得了突破性進展。機器人作為人工智能的最佳載體，其技術也隨著人工智能的發展不斷取得突破。在人-機器人交互領域中，機器人可以通過模擬人類的交流方式，使用語音識別技術融入人類的語音交流中，使得人與機器之間的互動變得簡單而自然[1]。智能陪伴機器人作為一種新型的社交工具，已經在多個領域中展現出其巨大的應用潛力：在老年人護理領域中，它能實時關注老年人的生活狀況，提供健康提醒與生活協助；在兒童教育領域中，它能通過趣味互動的方式激發孩子的學習興趣，助力知識的啟蒙與積累；而在心理輔導領域中，智能陪伴機器人憑借對情緒的敏銳感知，能夠為用戶提供及時的心理支持與疏導。

在我國，老齡化程度正在不斷加深，而老年人的情感需求也在急劇上升[2]。孤獨、缺乏陪伴和缺乏情感支持是許多老年人面臨的普遍問題，這些問題不僅影響著他們的心理健康，還可能導致一系列生理健康問題。因此，如何為老年人提供情感慰藉、改善他們的生活質量，已經成為社會和科技發展的重要研究課題。可以預見的是，依托人工智能技術，以智能陪伴機器人的形態，針對老年人的情感需求構建合適的、具身的情感慰藉系統，在助于老年人緩解孤獨、減少焦慮，并提供一種新的陪伴方式。智能陪伴機器人能夠通過語音對話、表情識別等方式與老年人進行互動，滿足其情感交流的需求；同時，這些機器人不僅能夠提供日常生活中的實用幫助，還能在情感層面給予老年人關懷和陪伴，有助于緩解老年人的心理壓力，促進其愉悅的心情。因此，本文針對上述設想，探討了一種助老陪伴機器人的情感慰藉系統的設計與應用過程。

1 研究現狀

縱觀國內外，已有許多學者開展了助老陪伴機器人的探索，該方向的研究圍繞如何讓機器人更好地為老年人提供合適的陪伴服務。德國弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute） [3]發明的 Care-o-bot 機器人，能夠在日常生活中為老年人提供幫助（例如：給植物澆水、開關電視機，在緊急情況下還能呼叫救援服務等） ，使得老年人的生活更加便捷與安全。Vercelli等[4]提出，針對出生率低以及老齡化逐漸加劇的情況，可以讓老年服務機器人作為新的老年陪護解決方案，設計了相關功能，包括協助老年人生活起居、協助護工人員處理日常事務、檢測老年人的行為以及身體健康狀況等，并對醫療保健系統引入機器人技術的可行性進行了分析。

另外，Yang等[5]提出了一種將穩態驅動理論和來自環境的人類刺激應用于機器人的混合系統，以解決老年人護理日益增長的需求。該系統的實驗表明，機器人可以通過人類的反饋進行強化學習，最終人類對服務的滿意度達94%，并且能夠進一步服務和滿足老年人的要求。而Oh等[6]則研究了各種類型的陪伴機器人，根據文獻綜述和商業型機器人開發了5款機器人的設計概念，并進行了相關實驗。Lee[7]等人則對機器人與老年人的交互方式進行了相關開發；他們將老年用戶的主要需求進行分組，設計了機器人的功能元等構件，并對多名老年人進行了可用性測試，獲得用戶的積極反應和良好的接受度。

沈陽航空航天大學的石承睿等[8]設計了一款基于語音定位導航系統的老年人陪伴機器人。該機器人以樹莓派為控制核心，搭配語音模塊等各種功能模塊，能夠讓老年人通過語音控制機器人，使機器人根據聲音快速定位并移動至相應位置。這一設計理念是陪伴機器人的一項重大突破，能夠有效解決老年人行動不便、普通語音操作難度大等問題，滿足市場需求。而江蘇師范大學的李函青等[9]提出了一種基于FAST法和QFD的養老陪伴機器人設計方法。該設計方法將FAST與QFD兩種理論相結合，通過特征轉換設計老年陪伴機器人的功能，進而產出陪伴機器人的最佳設計方案。通過對該方法的運用，能夠有效提高機器人為老年人提供的陪伴服務質量。

此外，河北工業大學的李潔等[10]針對情感慰藉對機器人的萌形態進行了研究，通過提取被試的fEMG、EDA、HRV等信息，對機器人的萌形態進行了相關實驗，并構建了機器人萌體驗與用戶生理指標的關系模型。北京化工大學的李紫妍[11]通過對寵物的觀察、Kano分析等，設計了一款基于情感共生理念的寵物犬樣式的陪伴型機器人，探索實現了陪伴機器人的合適形態與陪伴方式。而沈陽工業大學的王征等[12]則針對老年病人吃藥的問題設計了六足移動機器人，有效解決了行動不便的老年病人的安全問題。華南理工大學的陳章韶[13]設計了面向助老服務的智能家居系統，基于云—邊—端架構的框架，能夠讓用戶遠程與智能家居系統進行交互，為老年人營造一個便捷、安全、個性化的居家環境。

盡管目前國內外在助老陪伴機器人方面的研究已取得了一定的進展，但基于智能陪伴機器人的高效、成熟和功能完善的老年人情感慰藉系統仍存在不足，有待進一步研究和探索。

2 系統設計

本文介紹了一種助老陪伴機器人的情感慰藉系統的可行方案（其示意圖見圖1） 。該系統針對老年人這一特殊群體的需求，設計了人性化的功能，旨在為老年人提供多種個性化服務。所依托的智能機器人形態為雙足類人機器人，以樹莓派主板為核心，全身上下由多組舵機構成；其提供的具體個性化服務主要涉及：1） 雜技舞蹈表演：通過獨特的展示形式，為老年人帶來別樣的趣味體驗；2） 音樂戲曲展示：用豐富多樣的音樂戲曲內容，豐富老年人的精神生活；3） 深度式情感陪伴：給予老年人貼心且深入的情感關懷。

與小米音箱等同類產品相比，本文提出的情感慰藉系統具備以下顯著優勢：1） 借助聲音模型庫中的聲音，機器人能夠模擬人聲，以此為老年人提供情緒價值，并讓老年人通過感知親人的聲音獲得更有效的情感慰藉；2） 本系統采用雙足類人機器人，可通過相應的程序代碼對機器人舵機進行精密控制，進而為老年人呈現精彩的藝術表演，在視覺上給老年人帶來愉悅享受；3） 上述機器人能夠與LIAMA模型實現對接，憑借該模型強大的語言處理能力，完成與老年人之間的深度聊天，為老年人提供更專業化、更貼合需求的情感陪伴，進而切實滿足老年人在情感交流方面的期望。

2.1 Yanshee 機器人

Yanshee 機器人（見圖2） 是優必選科技公司研發的一款具備豐富功能與廣泛應用場景的雙足類人機器人。該機器人內置高性能處理器，能夠靈活處理各項復雜指令，確保機器人的相關任務完成度；同時，它配備觸覺、聽覺、視覺等多種傳感器，并且具有靈活的關節與驅動系統，全身上下由多個舵機構成，能夠完成雜技、舞蹈等高難度動作的表演。正因 Yanshee 機器人各項優異的配置，使其在教育、家庭陪伴、娛樂活動、智慧醫療等領域得到了廣泛的認可與應用。

2.2 系統框架

系統框架如圖3所示，Yanshee 機器人在整個系統中扮演著至關重要的角色（人—機器人交互接口） ；它主要是通過各類先進的傳感器以及機器人內部強大的處理器來實現其功能。下面分別從機器人、人機交互接口與本地計算機三方面進行論述。

機器人主要通過傳感器實現其感知能力。本項目中，機器人所使用的傳感器具有如下重要功能：1） 語音采集模塊能夠敏銳地捕捉周圍環境中的聲音信息，將老年人的話語或其他聲音信號準確地收集起來，為后續的處理和反饋提供基礎數據；2） 語音播報模塊可以清晰地播放各種語音信息，無論是溫馨的問候語，還是對老年人問題的回答，都能通過這個模塊傳達給老年人；3） 動作模塊可以控制機器人做出各種動作，例如，在進行雜技舞蹈表演時，該模塊能夠精確地控制機器人的舵機，展現出精彩的動作表演，為老年人帶來視覺上的享受；4） 音樂播放模塊能夠播放各種類型的音樂，為老年人營造出舒適的氛圍，豐富他們的精神生活；5） 機器人內置的處理器則承擔著對數據進行初步打包的重要任務，起到了數據中轉站的關鍵作用；6） 傳感器與處理器之間相互配合、相輔相成，共同實現了精準語音反饋、雜技舞蹈表演以及音樂播放等各項功能。

在人機交互接口中，Yanshee機器人主要通過語音采集模塊和語音播報模塊實現與人類用戶的交互。其中，語音采集模塊負責收集人的聲音數據，經機器人內部處理后，通過語音播報模塊反饋給用戶。

在本地計算機方面，本項目通過利用TCP/IP協議與Socket技術實現通信，并對接LIAMA模型以及進行聲音模型的訓練。通過與LIAMA模型的對接，機器人能夠理解老年人的交流意圖并進行深度聊天，為老年人提供更專業化的情感陪伴；而聲音模型的訓練則可以讓機器人模擬其親人的音色，為老年人提供更有效的情感慰藉。另外，機器人與本地計算機之間主要通過穩定的互聯網絡進行通信，以確保數據的快速傳輸和交互，使得整個系統能夠高效、穩定地運行。

3 模塊說明

本系統的軟件實驗環境如表1所示，分別展示了Yanshee機器人、遠程服務器的軟件/模塊信息。系統實現涉及機器人內置的Linux系統以及VNC viewer、WinSCP等軟件，實現機器人的語音聊天、舞蹈展示、戲曲表演等多項功能。

3.1 機器人與計算機連接

為了連通整個系統，需要先連接好Yanshee機器人與VNCviewer，其連接方式如下：首先，通過手持設備（如手機、平板等） 上的App與Yanshee機器人進行交互，獲取機器人的IP地址；然后，進入VNCviewer界面，輸入該機器人的IP地址，即可完成本地計算機與機器人的連接。機器人與計算機連接的流程如圖4所示。在Yanshee機器人的Linux頁面中進入編程平臺，即可開始對Yanshee機器人進行二次開發。為了在Yanshee機器人與本地計算機之間傳輸數據，需要利用計算機上的WinSCP軟件，其操作方式如下：根據獲取的機器人IP地址，在WinSCP的界面中輸入該主機號（IP地址） 等，連接成功后頁面會分別顯示本地計算機文件庫與機器人文件庫。這樣，基于TCP/IP協議及Socket技術，可以將相應的音樂文件、動作文件、聲音模型文件置入機器人文件夾中。需要注意的是，音樂文件路徑為home/pi/documents/music，動作文件路徑為home/pi/documents/motion，路徑必須設置正確，以便于后續機器人的相應開發。

3.2 智能語音交互

在完成 Yanshee 機器人智能語音交互之前，需要先在本地計算機上下載并部署LIAMA模型。當用戶與機器人發生交互時，機器人中的語音采集模塊會識別相應的語音，并將用戶的語音轉為文字，形成一個文本文件，通過TCP/IP協議傳輸至本地計算機。本地計算機在接收到文件后，會將問題傳輸至本地部署的LIAMA模型中。接下來，模型將結合相關算法給出合適的回答，并將相應的文字轉成文本文件，傳輸至人物模型調用板塊，代碼在識別后會自動調用所訓練的人物模型，形成一個MP3文件并通過網絡通信傳回至機器人，而機器人則通過調用MP3文件使用人物模型對應的聲音進行回答，最終完成與用戶的交互。智能語音交互的流程如圖5所示。

3.3 人物聲音模型訓練

在本地計算機中，基于TCP/IP協議及Socket技術與WinSCP，分別實現了仿人語音模型的訓練、本地計算機與機器人內置處理器網絡通信、模型文件傳輸等功能。其中，模型訓練的具體操作步驟包括：1） 打開GPT-sovits啟動器，進入WEBUI界面。首先進行前置工作，將相應的音頻文件進行UVR5處理，獲得純粹的人聲。2） 將處理好的音頻進行語音切分。切分后的文件默認保存至路徑output/slicer_opt。在文件夾找到對應切片文件后，在ASR模塊進行語音匹配。在模塊中填入基礎參數，例如：ASR模型：達摩ASR；ASR語言設置：zh；數據精度類型：float32（參數較多，這里僅列舉部分） 。GPT會將相關文件掃描并進行語言配對，配對完成后進入1-GPT-SOVITS-TTS頁面，設置相應變量名、填寫相關參數后即可進行模型訓練，采用GPT-sovits的默認算法。3） 模型訓練好后，會生成自定義命名的ckpt、pth文件；基于TCP/IP協議及Socket技術，Yanshee機器人會根據老年人的需求向本地計算機端口傳輸相應的文本文件。在接收到文件之后，本地計算機會提取其中的文字，調用模型后向機器人原路返回一個MP3格式文件，機器人調用相關文件即可與老年人進行語音交流。

3.4 機器人動作設計

在Yanshee機器人的內置系統中，基于YanAPI庫、Python語言和BLOCKLY可視化編程工具，本系統能夠精密控制機器人的全身舵機，進而實現雜技、舞蹈、京劇等多種面向老年人的動作文件的設計。具體的動作設計方式如下：定義BLOCKLY中的舵機命令，排版組合成一個命令模塊，系統識別命令行后生成對應的Python語言，隨后調用YanAPI庫中的YanAPI.start_play_motion（）函數，基于TCP/IP協議及Socket技術，實現對機器人數據的傳輸，進而使Yanshee機器人遵循YanAPI命令執行相應的舵機轉動工作。通過對舵機轉動的各項組合與編排，形成多樣的機器人動作。

4 結束語

本文設計并實現了一種新型的助老陪伴機器人情感慰藉系統，并介紹了其中重要模塊的原理及實現技術。該系統作為一個針對老年人服務場景所設計的人工智能應用，其有效性得到了驗證，達到了設計目標。具體來說，通過在敬老院等場所的實際測試（如圖6） ，測試結果良好：超過75%的老年人報告獲得情緒改善，約80%的老年人對系統功能表示滿意。

在未來，隨著多模態大模型與機器人技術的深度融合，將為助老陪伴機器人的情感慰藉系統完善提供新途徑。可以設想，機器人將從語音、文本、圖像、視頻等多模態數據中綜合感知老年人的情感狀態，并有針對性地進行情感慰藉，進而完成與老年人的交互，從而實現更好的效果。然而，現實中仍存在多模態數據對齊、老年人口音問題等挑戰，有待進一步研究解決。

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【通聯編輯：唐一東】