助老助残机器人综合应用展示平台——展示全方位科技养老

陈殿生 叶强 胡木华 王田苗

（北京航空航天大学机器人研究所， 北京， 100191）

全方位科技养老，就是要构建一个便于老年人生活的智能空间，使老人能够以最便捷的方式进行日常生活，如自动提示老人起床，窗帘和灯光智能开关，外出活动有陪护机器人或者助行系统，身上佩戴无线移动传感器对身体状态进行监护，网络化的监护环境可以实现动态定位和自动报警等等。助老助残机器人综合应用展示平台从老年人生活服务、医疗保健、交流学习、安全监护四个方面的需求出发，充分考虑老人的生理与心理特点，创造适合老人居住的舒适、便利、安全、健康的居住环境，尽可能地提高其生活自理能力与生活质量，减轻家庭和社会的负担。

1.老人日常生活需求分析

2011年国家统计局数字显示：全国60岁及以上老年人口已达1.8499亿，占总人口的比重达13.7%，与2010年第六次全国人口普查相比，上升了0.4个百分点。全国65岁及以上老年人口达1.2288亿，占总人口的比重达9.1%，与2010年第六次全国人口普查相比，上升了0.23个百分点[1]。由此可以看出，我国老龄化现象已经十分严重，老人的照料和护理问题也随之而来，亟待社会解决。

图1 2007—2011年老年人口规模变动情况（万人，%）

为了更好地通过科技手段满足老年人的需求，实现对老年人的生活照料和护理，需要对老年人进行分类，以明确各类老人的基本需求。按照国际通行标准分析，吃饭、穿衣、上下床、上厕所、室内走动、洗澡6项指标，一到两项“做不了”的，定义为“轻度失能”，三到四项“做不了”的定义为“中度失能”，五到六项“做不了”的定义为“重度失能”[2]。参考此标准，现有的老年人根据其自理能力的情况可以分为三类：

第一类是完全能自理的老人，也可叫做休闲老人。这类老人通常指通过直接观察或者生活自理能力评估，属于“生活自理能力正常”、日常生活无需他人照顾的老人。

第二类是介助老人，相当于部分自理的老人，这类老人通过观察或生活自理能力评估，属于“生活自理能力轻度和/或中度失能”、日常活动需要他人部分具体帮助或指导的老人。这类老人常借助扶手、拐杖、轮椅和升降设施等生活。

第三类是介护老人，相当于完全不能自理的老人，这类老人通过观察或生活自理能力评估，属于“生活自理能力重度失能”、全部日常生活需要他人代为操持的老人[3]。

不同类型的老人的需求有所差异。全自理老人主要需求是安全监护、医疗保健和精神慰藉；介助老人主要需求是出行、用餐、使用卫浴空间、安全监护、康复训练、医疗保健、精神慰藉和其他生活辅助；介护老人主要需求是如厕、防止压疮、用餐、清洁和安全监护。通过对不同类型的老人的生活需求分析可知，老年人的需求主要分为生活服务、医疗保健、交流学习、安全监护四个方面，其中生活服务主要是针对生活不便、自理力弱的老人提供基本的生活服务；医疗保健主要是为老人提供健康指导和康复训练；交流学习主要是为老人提供精神陪护和心理关怀；安全监护则是为老人提供安全监护和应急处理。

图2 老年人需求分析

因此助老助残机器人综合应用展示平台应从老年人生活服务、医疗保健、交流学习、安全监护四个方面的需求出发，充分考虑老年人的生理与心理特点，创造适合老年人居住的舒适、便利、安全、健康的居住环境，并结合艺术设计、人机工程等因素进行助老助残机器人综合展示平台总体方案设计，解决各个类型的老年人日常生活中的各种问题，满足他们的各种需要，尽可能地提高他们的生活自理能力，提高老年人的生活质量，减轻家庭和社会的负担。

2.助老助残机器人综合展示应用平台构建与应用示范

北京航空航天大学、清华大学、复旦大学、中国科学院自动化所、东南大学、哈尔滨工程大学、华中科技大学、国家康复辅具研究中心等高校和研究院所具有良好的科研资源、平台以及科研能力，吉林大学具有良好的艺术设计和人机工程方面的优势，北京市海淀区四季青镇敬老院和上海市第一社会福利院有良好助老助残机器人综合应用展示平台的使用环境和条件，将他们各自的优势行之有效的结合在一起，对助老助残机器人综合应用展示平台的研发有着积极的促进作用，能极大地提高平台的示范应用效果。

助老助残机器人综合展示平台主要是对敬老院/福利院的监控中心、老人居室、康体中心、室外智能环境进行了改造或重新构建，使老人居室具有护理陪护、智能空间、学习娱乐、远程通信的功能；康体中心具有肢体训练、康复治疗、中医按摩、视频监控的功能；室外智能环境具有视频监控、无线传感、动态定位、无线通信的功能。

图3 助老助残机器人综合展示平台整体构架

老人生活在一个智能空间中，可以对居室内的智能家电、陪护机器人等装备进行方便的集中控制，如到达老人的起床时间，会自动提示，窗帘和灯光自动打开，自动播放喜欢的音乐，看看新闻节目，必要时可以借助陪护机器人，心情愉快地开始一天的生活。白天可以外出活动，需要的话可以使用助行系统出行，如到康体中心进行一些有益的健康训练和按摩，解除病痛或改善身体机能，获得健康服务。可以到室外散步，聊天和下棋，身上佩戴有无线移动传感器，进行身体生理状态的监护，网络化的监护环境可以实现动态定位和自动报警，还有视频和声音协同进行监护功能，所有信息返回到监护中心；监护中心进行各种信息的汇集、分析和处理，进行各系统的总体协调。还可以进行历史数据的查询、分析和统计。意外情况可以及时通知医务室或者社区医院，进行应急救援。老人可以通过集中控制，清洁地板、看喜欢的电视节目，使用视频电话与家人朋友通话。老人休息后，陪护机器人和监护系统还在继续工作，监护老人的身体状况，通过声音监护系统监控老人身体掉落报警。

经过各个院校和敬老院/福利院的共同努力，成功建立了依托北京市海淀区四季青镇敬老院和上海市第一社会福利院的国内第一个助老助残机器人产品综合应用展示平台，集中展示7个课题的助老/助残机器人高技术成果和产品。

图4 助老助残机器人综合展示平台示范应用

图5 北京市海淀区四季青镇敬老院助老助残机器人综合应用展示平台

图6 上海市第一社会福利院助老助残机器人综合应用展示平台

3.助老助残机器人综合应用展示平台主要功能

助老助残机器人综合展示平台是以北京市海淀区四季青镇敬老院和上海市第一社会福利院为基础，对其环境进行部分改造，并将相关的助老助残机器人和设备集成、安装调试，并进行示范应用。助老助残机器人综合展示平台主要设计研制了床椅一体化机器人、智能居室系统、老人身体状况与安全实时监控系统、康复训练机器人、陪护机器人等。针对老年人的特殊需求，将助老助残机器人综合展示平台分为生活服务、医疗保健、交互学习、安全监控四大功能模块。

3.1 生活服务

生活服务模块主要是有两部分组成，第一部分是床椅一体化机器人，第二部分是智能居室系统。这两部分能极大地满足老人大部分的生活需求。

床椅一体化机器人针对卧床老人或腿部不便人士的自理生活需求，利用模块化机构构型设计、床椅的分离等多模式人机交互技术，是一套可变形的多功能床椅一体化系统。该系统具有抬背、曲腿的多功能护理床的基本功能；具有床椅互换、自动分离与对接的功能，同时扶手系统采用可旋转功能，可以在轮椅状态时提供支撑及控制功能，解决了在床和移动器具之间自理转移的难题；具有大小便处理功能：在座椅下部设置电动的大小便升降机构，轻松解决卧床人士如厕的问题；具有网络信息交互系统：实现吃药提醒、远程视频交流以及生理参数监控检测功能。该床椅一体化系统集多功能护理床、智能电动轮椅、大小便处理装置和信息系统于一体，可大大减轻护理人员的负担，同时还扩大了被护理者的活动范围和独立生活能力。

图7 床椅一体化机器人

围绕智能居室系统构建问题，科研人员对其体系结构与设计进行了全方位的研究。首先从艺术设计学和人机工程学的角度，根据老人的喜好，改造现有的老人居室环境，具有很好的舒适度。再根据实际的居室环境，建立居室内的无线传感网络和高速信息网，设置一定数量的人工标志，提供智能居室的网络服务和生活辅助服务，实现智能居室系统简单易操作及智能服务，从而构建起智能居室系统。根据智能居室的任务需要及功能设计的要求，将该系统分为6个子系统：智能照明子系统、智能窗帘子系统、智能影音子系统、智能环境控制子系统、智能安全保护子系统、智能控制子系统。

图8 智能居室系统图

3.2 安全监护

针对体质差、行动不便的老年人，以提供身体参数检测和安全监护为目标，研究敬老院/福利院中老人身体状况与安全实时监控技术，完成对老人生理参数的检测和监控、检测信息融合及生理参数危险估计、人员定位、无线数据通信等功能。

在敬老院/福利院的室内居室、走廊以及室外环境构建符合IEEE802.15.4标准的无线传感器网络和局域网。利用ZigBee技术的无线传感器网络采用对等的拓扑网络结构，实现多跳组网，保证网络的结构灵活、通信的稳定快速。路由节点与网关无线基站系统通过无线方式实现数据传输。基站系统通过局域网络形成高速网络与监控中心相连。整个系统充分利用光纤环网资源，将智能声音传感监控集成其中，通过声音信号实现对特殊环境的监控。

老人身体状况与安全实时监控系统包含多种类型的节点，如定位节点、跌倒检测节点、生理参数检测节点等。定位节点基于RSSI技术实现了较高精度的定位效果。跌倒检测节点和生理参数检测节点除了具有上述定位功能外，还具有其他的传感器信息，其中跌倒检测节点提供跌倒检测信息和手动求助报警功能，生理参数检测节点提供检测老人体温、血压、心率等生理参数的功能。所有节点均基于人体工程学原理，进行机构优化设计、材料的轻型化选型，实现装置的便携性和易用性。

图9 无线定位系统基本结构

图10 身体状况与安全实时监控系统老人实际使用

网络化智能监控系统将全面网络化监控的理念引入敬老院助老助残环境中，实现了集视频监控、机器监控、人员定位、生理监测、设备管理等功能于一身的、安全可行的集成监控，并可以将数据接入互联网，实现信息更加广泛的共享。这样，监控人员在监控室中就可以获得比传统视频监控系统更加丰富的信息，并且方便地进行信息关联，从而实现对人员进行更好的监护和服务。

图11 监控系统硬件结构图

3.3 生活保健

由东南大学、华中科技大学、中国科学院合肥智能机械研究所等共同进行网络化多个老人/残障者远程肢体康复训练机器人的设计研发，主要完成网络化多患者远程康复训练机器人的多种异构式本体机构设计、安全型流变式无源电机设计、康复训练生理信息检测、远程测控、多通道信息双向传输等关键技术研究；研制成功网络化多患者远程肢体（上、下肢）康复训练机器人产品样机，并构建临床应用示范系统，实现产品的临床实验和示范应用。

图12 网络化多个老人/残障者远程肢体康复训练机器人

由哈尔滨工程大学研制的多功能助行康复机器人，突破了助行康复机器人关键技术，实现辅助行走、辅助起坐、自主移动和下肢康复训练功能，满足在敬老院/福利院示范应用要求；适用于腰部和手臂力量较差的体弱老年人助行和康复训练，满足其日常生活需求和辅助康复治疗。

图13 多功能助行康复机器人

由山东康泰实业有限公司和山东建筑大学合作研发的中医按摩机器人，成功集多种按摩手法，实现了10种典型中医按摩手法操作，可利用视觉技术实现对穴位位置的判定和对患者身体的跟踪，并根据实时监测的生理信号（心跳、血压等）和按摩力大小，调整按摩频率、幅度、速度，从而保障患者安全[4]。

图14 中医按摩机器人

3.4 交流学习

由北京凯艺玩具有限责任公司、清华大学、北京航空航天大学、大连交通大学、哈尔滨工程大学、沈阳新松机器人自动化股份有限公司等合作研发的陪护机器人是实现老年人交流学习的一种十分有效的手段。助老助残机器人综合应用展示平台上示范应用的适合老人需求的陪护机器人分为中端陪护机器人和多功能高端陪护机器人两种。

适合老年人需求的中端陪护机器人选用符合老年人心理的仿真宠物外观造型，实现逼真的动物仿生造型和动作表现，与真实动物之间具有高度仿真相似；采用基于欠驱动结构的仿生关节，实现低成本的机器人控制模块、语音交互模块、触觉感知模块、运动模块、通信和信息交互模块；具有丰富的人性化语音交互内容、多种娱乐形式、日常生活提醒等功能，能够通过USB通信接口连接到用户电脑，对机器人进行内容更新。

多功能高端陪护机器人具有高仿真度的人形外观，能够实现简单的位置移动，在敬老院的公共区域与众多老人进行语音交互，具有基于语音的说话人身份识别能力，并可为老人提供血压、脉搏、体温等生理状态的检测与报告，为不同老人建立数据库档案，了解和学习老人的身体状况和心理需求，进而根据不同老人的情况提供个性化服务；构建界面友好的高端陪护机器人远程网络交互控制平台，老人可通过网络与家人或朋友进行音视频情感交流，减轻内心孤独感觉；敬老院医疗中心的医生通过陪护机器人可与老人进行音视频交互、老人生理参数的无线传输，并提供医疗咨询与帮助，紧急情况下可及时报警或通知亲人。

图15 中端陪护机器人

图16 高端陪护机器人

4.未来展望

助老助残机器人综合应用展示平台已经在北京市海淀区四季青镇敬老院和上海市第一社会福利院成功得到示范应用，取得了良好的用户使用反馈。未来助老助残机器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敬老院/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常生活中去，为广大老年人提供生活照料及护理，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。

[1]全国老龄工作委员会办公室. 2011年度中国老龄事业发展统计公报.http://www.cncaprc.gov.cn/tongji/19195.jhtml

[2]http://baike.baidu.com/view/4267601.htm

[3]陈卓颐.实用养老机构管理：天津大学出版社，2009.

[4]高焕兵，鲁守银，王涛，等. 中医按摩机器人研制与开发. 机器人，2011，33（5）：553-562.