家用智能助老服务型机器人的设计与实现

钟国君 李俊杰 杨倩怡 周晟妃 杨宇

摘要：近年来国家老龄化人口比重日渐增大，国家一直重视人口老龄化问题，也出台了不少关于养老助老的政策。与此同时人工智能领域也在不断发展。这篇文章在近年来服务机器人定位技术研究和发展状况的基础上，为实现服务于老年人的机器，设计了智能助老型机器人的系统，该机器人可以替代独居老人打扫卫生，在一定程度上减轻了老人的负担，可以与老人进行人机交互排解孤单，同时引领老人融入数字化时代，还可以对老人起到安全监护的作用。

关键字：助老、清洁打扫、自动控制

引言

如今各式各样的智能机器人进入人们日常生活，对人类社会产生着越来越重要的影响，目前市场上很少有针对老年人的陪伴型机器人，且目前提出的语音交互设计规范和原则针对老年用户的相对较少，并没有充分考虑老年用户在生理和心理上不同于其他年龄段用户的特征，特别是认知方面的特征，使得老年人与陪伴机器人的交互体验欠佳。助老服务型机器人市场上有一些，例如杭州市社会福利中心2016年曾引进一批智能养老服务机器人，名为“阿铁”，能够提醒老年人按时吃药等简单功能，但用户的体验感欠佳。总的来说，养老助老服务市场活力尚未充分激发，养老服务发展的不平衡不充分、有效供给不足、服务质量不高等问题依然存在，人民群众的养老服务需求尚未得到有效满足。在此提出了一种助老服务型机器人的设计方案，设计从人机交互体验上更倾向于体察人类的情感，拥有更拟人化的形象以达到更好的助老效果，让家人放心，让老人舒心。

1机器人方案及结构设计

1.1总体方案设计

基于树莓派的智能助老服务机器人主要由树莓派、语音识别、摄像头、电机、电源、显示屏等部分组成。

智能助老服务型机器人最终要实现两种模式，即清洁打扫模式，智能陪伴模式，还有一个独立的监控模式，用户可以根据需求进行选择，两种模式亦可同时进行。清洁打扫模式时通常干拖难以将地上的污渍清理干净，本文所设计的智能助老服务型机器人采用的是湿拖的方式，能够达到更好的清洁效果，在清洁剂中加入一定量的消毒剂成分，还能起到一定的消毒作用。智能陪伴模式下可机器人可以与老人进行语音交流，并且能够进行影音播放等功能，本文所设计智能助老服务型机器人的语音交互更偏向于老年人，同时利用语音交互和界面交互来引导老年人适应数字化时代。监控模式在机器人工作期间是全程开启的，以保证家庭安全。

2系统硬件设计

（1）主要控制板块设计

主控模块选用树莓派4B型。树莓派4B具备1.5Ghz运行的64位四核处理器，最高支持以60fps速度刷新的4K分辨率的双显示屏，高达4GBRAM（可根据型号选择1GB、2GB、4GB、8GB），2.4/5.0Ghz双频无线LAN，蓝牙5.0/BLE，千兆以太网，USB3.0，和PoE功能。

（2）扫地模块结构设计

扫地模块主要通过毛刷和吸尘器的配合来清扫地面，在扫地模块的框架中主要由两个毛刷、一个垃圾储存器、一根吸尘管、一个中小型吸尘口和若干个电机组成，采用带轮传动的方式带动两个毛刷相向向内转动，将周边灰尘等清扫至中小型吸尘口处，通过中小型吸尘口将其通过吸尘管道存储值垃圾储存器中，垃圾储存器可以十分方便的取出并清理其中的垃圾。

（3）拖地模块结构设计

所设计的智能助老服务型机器人的湿拖模块是在经过扫地模块清理垃圾后的二次清理模块，该模块主要由喷雾系统和拖地系统组成。拖地系统由自动控制水阀、水箱、小型微源水泵及喷雾器组成;拖地系统主要由电动机、拖布等组成。喷雾器置于拖布的前方。当处于工作状态时，喷雾器在前方喷出清洁液，其后方的电动机带动拖布做旋转运动，伴随着移动清洁地面，达到更好的清洁效果。

（4）头部与手部运动模块结构设计

图1机器人外形示意图

本文所设计的智能助老服务型机器人的头部可以进行一定角度的转动，身体两侧的手臂也可以在一定角度内进行摆动，如图所示，更加的拟人化，也使得摄像头所能拍摄的范围更加的广阔。头部的运动与手臂的运动主要由舵机云台与连杆机构的配合实现、头部由一个独立的舵机控制其转动，两个机械手臂由一个独立的舵机控制摆动。在机器人与老人进行人机交互出发某一特定信号时，机器人的两个手臂会进行摆动;头部的转动能都更好的帮助摄像头搜寻服务目标。

（5）移动模块的结构设计

智能助老服务型机器人是一种轮式机器人，前面有一个从动转向轮，两侧各有一个主动轮，通过使用无刷直流电机进行控制，采用电子换向，脉宽调制脉冲进行调速，在进一步提高直流电机的性能的同时，克服了直流电机传统机械换向带来的一系列问题。且控制方法比较简单。在机器人运动是需要防止碰撞障碍物及防止其跌落。本文所设计的智能助老服务型机器人采用激光雷达的方式，激光避障的精度、反馈速度、抗干扰能力和有效范围都要明显优于红外线传感器和超声波传感器。为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落本文所述的智能助老服务型机器人在扫地机器人底部安装三个防跌落传感器。防跌落传感器是利用超声波来进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器就会利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离，当超过限定的距离时，传感器就会向控制器发送信号，控制器发布转向命令，改变扫地机器人前进方向，從而实现防止跌落的目的。

（6）语音识别板块设计

采用亚博智能语音识别模块IIC声音传感器AI开发板LD3320，通过IIC通讯设置语音识别语句和获取识别的结果，十分方便快捷，可以快速的开发人机交互项目。支持3种识别模式和掉电保存功能，拓展开发性强。模块可以添加50个识别句，不超过十个汉字。支持弯头杜邦线接口、鳄鱼夹接口、PH2.0防呆接口，兼容多种编程平台。

3系统软件设计

系统软件设计的主程序设计采用python开发语言，计划使用web界面设计，对机器人进行控制。

服务：当用户站在机器人面前时，机器人会主动识别出用户的身份，例如监护对象、紧急联系人、访客等，以此来给与使用者不同的权限，进而提供相应服务。同时还能与智能家居系统有效结合，利用智能家居系统获取水、电、天然气的使用信息。当监护对象正常离家之后，对于之后闯入的陌生人会以文本和图片的方式通知紧急联系人，可以起着防盗的功能。

安全监测：本项目研发的机器人将配备有摄像头，使得老年人的日常生活处于远程监控之下，当老年人摔倒或者走出房屋时，家用智能助老服务型机器人能够立即将此时的消息以文本和图片的方式发送给用户绑定的紧急联系人，使得紧急联系人第一时间得知息和相关情况，并做出相应的处理。

互动：语音交互模块对用户发出的声音进行实时的录音，并将录音转换为文字，通过预先设置的文字与控制指令的对应关系，执行上述的控制指令。从而，使得小孩与老人可以与机器人进行语音互动，使小孩独自玩耍时，老人独处时不会感到寂寞。而且，所述模式控制模块在接收到切换指令后，在音视频播放模式、动作交互模式、WIFI连接模式、情感对话模式之间来回进行切换。使得机器人具有多种模式可供选择，起到了更好的陪伴作用。

多媒体娱乐：能跟人之间可以通过自然语言交流，支持人脸识别、用户权限、语音控制设备、专业知识咨询、云平台管控、屋内照明与窗帘控制等功能。只需通过自然语言就能完成很多复杂的工作，是一套可以完全让你摆脱双手的系统，多媒体娱乐功能不仅可以使整个音视频及控制系统更加的简洁，也能让安装调试、使用维护变得容易，并起具有良好的兼容性以及扩展性，可广泛应用于各种影视频系统项目。

清洁打扫：机器人可以通过摄像头和激光雷达达到自动扫描房屋的结构，并自动设定定期清扫的时间，无需人为的去进行管理，就可以自己把房屋打扫干净，另外，在不需要打扫的房间门口设置专门的遮挡设备的话，扫地机器人就会自动跳过这个房间。机器人还配备了配备杀菌灯，在清扫房屋的同时还能够消灭房屋中的细菌和螨虫，为自己的家人创造一个优质的生活环境。机器人具有先进的感应装置，遇到阻滞物的时候能够自动进行避让，防止冲击、碰撞等对机器人造成的伤害。

4结束语

本项目是基于树莓派进行相关的设计，项目最终想要实现具有服务、安全监测、互动、多媒体娱乐、清洁打扫五大功能。主要服务于居家养老的老人，当今时代，居家养老的老人增加，陪伴型机器人不仅可以达到陪伴的目的，同时也可以对家里的老人进行安全监测发送到家人的手机上。并且在家中可以实现清洁打扫的功能，使老人居家养老更舒适。

天津市大学生创新创业训练计划项目：《家用智能助老服务型机器人的设计与实现》，编号：202113898029。

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