智能伴老机器人设计研究

李艳　高倩　宋瑞波

中图分类号：TB242 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）12-0071-03

引言

当前，我国人口老龄化正处于加速过程之中。2019年我国65岁及以上人口占比达12.6%;2022年这一占比将超过14%，进入深度老龄化社会;2033年左右将超20%，进入超级老龄化社会;之后将快速上升至2060年的35%左右。不斷加深的老龄化将持续扩大社会养老在资金、物资和人力方面已有的缺口，同时不断下降的劳动力占比也难以保证向养老行业投入更多的人力，这已经成为我国当下及未来发展将要面临的严重社会问题。现阶段居家养老、社区养老和社会养老还保持在7：2：1的比例，日益突出的“空巢”现象使得老人只限于“居于家”，但是缺少应有的陪伴和照料。因此，亟待在深入研究老年人的身心特点和实际需求的基础上，找到新技术尤其是物联网、大数据、人工智能、机器视觉等与养老产品的契合点，研发出适用的智能家居养老、伴老的服务类设备、设施，为老年人提供更好的家居照护和生活辅助，丰富和满足他们的精神需求和情感需要，提高其独立生活的能力。

一、智能伴老机器人进入普通家庭的可能性分析

随着科技的飞速发展，无论是家庭、社区还是养老机构，引入智能化的生活辅助类产品将会有效地缓解困局，国内阿里、小米、百度、联想等企业早已试水“智能居家养老”这个万亿级的赛道，逐渐推进养老进入全场景智能空间。然而，长期以来，老年人在高科技面前都是弱势群体，社会整体科技的快速进步有时反而成为影响他们正常生活的障碍，而智能伴老机器人有望成为引导老年人享受现代科技、提高晚年生活品质的有效载体。

目前智能机器人技术获得快速发展，机器人不是作为机械手或是人形机械而存在，而是由使用场景决定。各类服务机器人陆续进入人们的工作、生活并为人们带来了便利，如扫地机器人、教育机器人、娱乐机器人等，还有在公共场所为人们提供服务的机器人，例如疫情期间在公众场所进行测温、消毒的公共服务机器人等。随着网络化、信息化、数据化、智能化成为产品和服务的发展趋势，加快对智能化服务机器人的研发也成为各国应对人口老龄化一项重要举措。高度智能化、运动灵活度高、功能全面强劲的机器人价格高，使用和维护成本高，距离进入普通家庭还有一段时日，但具有控制中枢、通讯、沟通功能和特定机械动力特性，以陪伴功能为主的机器人已经完全具备进入普通老年人生活的社会（S）、经济（E）和技术（T）条件。

（一）智能化老年服务机器人发展概况：美国、日本、法国、英国、德国等较早开展对老年人服务型机器人的研究，一些智能服务机器人开始为老年人提供日常照护和服务。

老龄化严重的日本机器人技术领先全球，它同时也是世界上最早将服务机器人应用于养老领域的国家。日本智能伴（养）老机器人的外观多将拟人、仿生作为造型特征，例如，以沟通交流和情感陪护为主要功能的Paro采用了小海豹似的造型，“卡哇伊”风格的形态容易讨得老年人的欢心。AR保姆型机器人“Pepper”具有拟人形态，能洗衣、拖地、送餐等，能进行情感识别，并用肢体动作和面部表情对用户做出反馈。憨态可掬的Ro-bear是一款护理机器人，它可以对老年人实现助行、搬运等机械功能，机械臂和躯体装配了传感器，与人接触便可获取其心跳、血压等体质数据，便于在服务过程中及时感知老年人的反应并对动作进行调整，提升舒适性和安全性。

美国在助老机器人方面的研究和应用也位居世界前列。麻省理工学院研发的Jibo机器人主要用于家庭陪伴，能根据照护对象的情感做出相应的回馈。卡耐基梅隆大学的Herb机器人能准确识别周围物体或环境，搬运和转移老年人。

德国的Care-o-bot3是一款能做家务、可助行的机器人。通过语音沟通，对老年人进行精神慰藉，了解老年人的需求和困难所在，并为他们提供某些服务。

法国的Buddy是一款能自由移动和控制家用电器的机器人，同时具有社交陪伴和家庭安防功能，另外，还具有吃药提醒、管理日程、查询天气、分享照片和视频的功能。

目前，我国市场上专门针对老年人需求的服务机器人极少，已有的伴老服务机器人的功能还较为简单，一般侧重在通讯联系、语音聊天、心理抚慰等方面。其中，中瑞福宁公司开发的P-Care综合服务机器人内部配备AI模块，具有深度学习和决策系统，能完成更复杂的操作。能够依据不同的人物变换使用不同的机械手爪，对碗、刀叉勺筷、手机等实现抓取和握持，功能相对较为强大。其他如“想家宝”公司名为“养老小管家”的远程陪护机器人以及心理机器人“静静”等主要以陪伴为主。

从以上调研、分析可见，智能化老年服务机器人的发展趋势总体向好，但在技术、功能、外观、用户体验等方面，还需要不断提升和改进。

（二）智能伴老机器人在智能家居系统中的作用分析：人工智能技术的推广，使得智能机器人将会更加普遍地走入寻常百姓家庭。智能机器人作是所有家庭设备交互的中枢和智能运算的终端。在未来家居场景中，将会有包括智能机器人在内的若干种智能设备，它们集成在一个智能居家服务系统中进行管理和协调，智能机器人将可以完成现有智能家居系统中“天猫精灵”“ECHO”“小爱”“小优”“小新”等智能音箱的功能，成为智能家居环境中人机交互的关键设备以及系统控制的中枢。

二、老年人的生理、心理、生活方式特征分析

老年群体是社会中一个较为特殊的群体。一方面，老年阶段的生理、心理以及生活方式都与以往发生了较大的改变，生理上的退行性变化使得他们的心理极为敏感，对正常生活产生较大的影响;另一方面，因为积累了丰富的人生经验，他们对自己的生活也有较为固化的标准和要求，既希望在生活上能够独立自主，不必依赖他人的帮助和扶持，但在情感上又对家人的陪伴和关怀充满期待和渴望。

（一）老年人生理特征分析：老年人身体各系统功能逐渐衰退，形体衰老退化，活动不便，行动缓慢。感知觉普遍衰退，对外界信息的接收能力减弱。身体容易患各种疾病，健康水平降低，图1所示是老年人身体常发的退行性变化，而表1为针对老年人这些生理性的变化在设计伴老机器人时应考虑采取的措施。

（二）老年人心理特征分析：“仁者乐山，智者乐水”“从心所欲不逾矩”，这是人到老年最好的生活状态，但是对大多数老年人而言却是一种奢望。身体机能的退行性变化影响着他们的心理状况，不断减弱的活动能力和学习能力也日益削弱他们的自信。部分老人被多种疾病牵绊纠缠，容易陷入悲观焦躁的情绪，时常自怨自艾，郁郁寡欢，独居老人进行自我调节的难度更大，抑郁情绪市场挥之不去甚至发展为老年抑郁症。脑组织退化使得老年人的记忆力不断衰减，他们时常会遗忘近期发生的事情但却对很久之前的事情印象深刻，并喜欢向别人诉说。针对老年人特有的心理特征，伴老机器人的陪伴作用显得更为重要，宜采用人工智能，配合音频、视频等方式提供陪护关怀、娱乐体验、培养兴趣、开拓视野等服务，开展全方位心理调节和情绪照护。

（三）老年人生活方式分析：老年人的生活方式和生活形态与其他

人群相比有较大差异，漫长而独特的生活经历使得他们形成了稳定的生活习惯和生活品味。科技的发展和社会的进步使得新技术、新思想、新事物不断涌现，老年人和外部社会之间的鸿沟日益扩大，部分思维模式和生活态度积极的老年人们开始学习新的思想和技能，努力跟上时代的步伐，如学习使用智能手机及App来进行社交、娱乐、学习等。部分老人会在家中使用扫地机器人、智能音箱甚至智能家居等方便生活，这类老人通常具备良好的经济条件和教育背景;但是大部分老人仍被主、客观条件隔绝在智能生活之外，出门只使用纸币，使用的手机也多为老人机。近两年新冠疫情的爆发，在各种隔离措施下，很多老年人体会到了远离现代科技的艰难，与世隔绝或是被世界抛弃的感觉也不断增强。因此，作为高科技产品的智能伴老机器人应该能够切实从老年人的需求出发，以高度人性化平衡科技带来的压迫感，能过通过合理的功能架构，让老年人与现代社会接轨，引导和监督他们过健康、有规律的生活，把更多的资源引入他们的生活，为他们创造更加安全、便利、舒适的生活环境，拓展他们的生活空间。

三、智能伴老机器人设计研究

对伴老智能机器人进行研发的过程中，要始终坚持“以用户为中心”的设计理念，深入老年人的生活，全面观察和深入了解老年人的需求，感知他们的“痛点”，合理想象和构建使用场景，遵循“形式追随功能”的原则来确定伴老机器人的功能、外观形态和操作方式等。

（一）伴老机器人功能设计分析：通过对老年人生活中常见的场景进行梳理归类，结合老年人特征分析，从三个方面架构伴老机器人的功能。一是为老年人提供人性化的贴身服务，侧重在信息咨询和情感陪护，提供天气、健康、音视频娱乐、人工智能语音聊天、服药提醒、图片传输播放以及人际音频、视频聊天等服务;二是作为智慧家庭控制中枢，管理和操控家中其他智慧家电、设施和其他智能健康管理仪器设备（如电子血压计、数码体脂计、电子体温计等）的运行，实现数据传输，完成和手机App同样的家居管理功能;三是实现与社会化养老平台、其他社会化助老服务平台或是其他相关平台之间的互联互通，将老年人的健康、情绪、家居变动等相关信息上传，便于第三方进行健康和活动情况的监控，将以上各类平台的资源和服务引入老年人的生活，为他们提供便利。当有危急情况发生时，也可以将报警求救信息同时发送到子女、社区管理平台和公共服务平台，为老人特别是独居老人的安全增加保障。充分考虑老年人的认知和学习特点，机器人要尽量采用便捷的交互方式，减少人机之间基于硬件界面的互动，并予以充分的提示性设置。首选语音指令进行信息输入，机器人则通过语音、表情以及屏幕界面进行反馈。从技术、经济、用户等角度综合考量，当下较为经济适用的伴老机器人功能架构可如图2所示。

（二）智能伴老机器人技术需求分析：智能伴老机器人与老年人朝夕相处，亲密接触，由于服务对象的特殊性，它们所面对的任务和情况更为复杂，因此对其进行设计时应对其智能性、灵活度、安全性、易用性、稳定性提出更高要求，所涉及到的技术主要包括导航和定位技术、视觉技术与图像处理、智能语音识别技术、AI深度学习算法以及多传感器信息融合等。

（三）伴老机器人外观设计分析：智能伴老机器人要具有亲和愉悦的视觉感受，形态、色彩、材质设计应尽量清新柔和，减少高科技产品固有的生硬、冷漠感，使用户易于接受。大多数老年人喜欢儿童和小动物，它们可爱呆萌的形象、温柔天真的性情是老人孤寂沉郁的心情良好的抚慰剂，因此，伴老机器人整体造型可以参考小动物或是儿童的体态，以大面积舒展圆润的曲面营造安全感。材质要考虑安全性、环保性和实用性，抗摔、耐磨，并能与家居环境的风格契合，同时凸显品质感。色彩可以考虑大面积的浅色调，如乳白、蛋青、浅灰、淡黄等，适当添加其他醒目色彩用以突出重要功能指示部件，区分操作界面，便于指引老年人操作。伴老服务机器人的硬件和触摸屏幕界面的交互设计也要简单、直观，宜采用较大面积、具有明显指示性的、具有拟物风格为主的图标表示相关功能。用户下达指令后，机器人通过相应的语音、面部表情（屏幕显示）或是肢体动作等方式进行反馈，在人机之间实现有效沟通。图3、4所示的伴老机器人采用类似小动物的整体造型，圆圆的脑袋，胖胖的身体，柔和讨喜的小耳朵，屏幕可以显示呆萌可爱的大眼睛和小嘴巴做出的表情。既能够可以自主跟随主人行进，又方便骑坐，当老年人外出购物时，腹腔内部空间可用来载物。胸口藏有小抽屉药盒，能定时提醒主人吃药，提醒语音结束后药盒自动弹出，吃完药后需依靠人手推回，从而有效地起到提醒和监督服药的功能。

智能伴老机器人的适宜使用环境是室内、外环境，但以室内为主，因此设计时可以从与整个家居环境契合的角度考虑材质及质感肌理，体现高品质的质感。外壳主材质选用工程塑料，通过表面喷涂达到亚光、磨砂的质感，营造安全、柔和、舒适的触感体验，图5为伴老机器人的使用场景示意。

（四）伴老机器人人机特性分析及尺寸确定：进入老年阶段，人的体态普遍与青壮年时发生较大改变，身高变矮、体态发胖、腰背伛偻，肌肉力度也不断减弱。在设计伴老机器人时要充分考虑老年人的体质变化，可以依据《北京地区老年人人体尺寸测量》中列出的主要人体尺寸来确定伴老机器人的尺寸，使之符合老年人的操作需求，同时还能与家居环境和谐，见图6。考虑到机器人的随行功能，整体尺寸不宜过大，总高度不宜超过120厘米。带有显示屏的头部可以俯仰和转动从而满足老年人在不同位置时视觉的需求。

（五）伴老机器人人机交互方式设计：伴老机器人在不久的未来或许可以代替动物和人，与人建立起陪伴关系。老年人与机器人之间日常互动频次高，从他们学习和记忆的特点出发，人机之间的交互方式应简明自然，清晰易懂。交互方式应该以语音交互为首选，触摸屏作为补充。触摸屏界面设计要显示直观，多采用图标而不是文字来表情达意，图标要与背景对比鲜明，保证显示效果。机器人可以通过语音、震动、信号灯、屏面表情、屏面图文信息等多种方式实现与服务对象的沟通，从而建立亲密关系，如图7、8所示。

四、围绕智能伴老机器人为核心搭建智能家居养老服务体系

随着互联网与各行各业的融合，新产品通常表现为“硬件+软件+第三方服务”俱全的综合解决方案，集成产品、数據、服务、物流的平台化管理成为新趋势。近年来，为有效应对人口老龄化带来的问题，我国正在加快建设智能化、信息化、互联化的智慧养老服务平台，进一步为老年人提供更安全、高效、便捷、智能的综合性、系统化的养老服务。同时借助网络通信技术、互联网技术、云计算等能够智能居家养老系统与社会或政府主导的大型社会化智慧服务平台之间的互联互通，为老年人的生活导入更多的资源。老年人在日常生活中，只需和自己朝夕相处的机器人沟通交流，不必再学习操控其他设备和平台，就能方便地触达更为广阔的外部世界，提升生活的品质，获得与外部世界的连接感和安全感，充分享受科技进步带来的成果，见图9。

结语

科技的发展使得老年人有条件拥有更好的智能化和服务型产品，智能伴老机器人是目前SET条件下最适合老年人使用的智能产品之一。未来，更加高端的服务型智能机器人和以其为核心的智能家居系统不仅能提升普通老年人的生活品质，更会为残障、瘫痪、失能、失忆老人送去科技的福音。