智能伴老機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

李艷　高倩　宋瑞波

中圖分類號(hào)：TB242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2021）12-0071-03

引言

當(dāng)前，我國(guó)人口老齡化正處于加速過程之中。2019年我國(guó)65歲及以上人口占比達(dá)12.6%;2022年這一占比將超過14%，進(jìn)入深度老齡化社會(huì);2033年左右將超20%，進(jìn)入超級(jí)老齡化社會(huì);之后將快速上升至2060年的35%左右。不斷加深的老齡化將持續(xù)擴(kuò)大社會(huì)養(yǎng)老在資金、物資和人力方面已有的缺口，同時(shí)不斷下降的勞動(dòng)力占比也難以保證向養(yǎng)老行業(yè)投入更多的人力，這已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)下及未來(lái)發(fā)展將要面臨的嚴(yán)重社會(huì)問題?，F(xiàn)階段居家養(yǎng)老、社區(qū)養(yǎng)老和社會(huì)養(yǎng)老還保持在7：2：1的比例，日益突出的“空巢”現(xiàn)象使得老人只限于“居于家”，但是缺少應(yīng)有的陪伴和照料。因此，亟待在深入研究老年人的身心特點(diǎn)和實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，找到新技術(shù)尤其是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器視覺等與養(yǎng)老產(chǎn)品的契合點(diǎn)，研發(fā)出適用的智能家居養(yǎng)老、伴老的服務(wù)類設(shè)備、設(shè)施，為老年人提供更好的家居照護(hù)和生活輔助，豐富和滿足他們的精神需求和情感需要，提高其獨(dú)立生活的能力。

一、智能伴老機(jī)器人進(jìn)入普通家庭的可能性分析

隨著科技的飛速發(fā)展，無(wú)論是家庭、社區(qū)還是養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，引入智能化的生活輔助類產(chǎn)品將會(huì)有效地緩解困局，國(guó)內(nèi)阿里、小米、百度、聯(lián)想等企業(yè)早已試水“智能居家養(yǎng)老”這個(gè)萬(wàn)億級(jí)的賽道，逐漸推進(jìn)養(yǎng)老進(jìn)入全場(chǎng)景智能空間。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，老年人在高科技面前都是弱勢(shì)群體，社會(huì)整體科技的快速進(jìn)步有時(shí)反而成為影響他們正常生活的障礙，而智能伴老機(jī)器人有望成為引導(dǎo)老年人享受現(xiàn)代科技、提高晚年生活品質(zhì)的有效載體。

目前智能機(jī)器人技術(shù)獲得快速發(fā)展，機(jī)器人不是作為機(jī)械手或是人形機(jī)械而存在，而是由使用場(chǎng)景決定。各類服務(wù)機(jī)器人陸續(xù)進(jìn)入人們的工作、生活并為人們帶來(lái)了便利，如掃地機(jī)器人、教育機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等，還有在公共場(chǎng)所為人們提供服務(wù)的機(jī)器人，例如疫情期間在公眾場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)溫、消毒的公共服務(wù)機(jī)器人等。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、數(shù)據(jù)化、智能化成為產(chǎn)品和服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，加快對(duì)智能化服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)也成為各國(guó)應(yīng)對(duì)人口老齡化一項(xiàng)重要舉措。高度智能化、運(yùn)動(dòng)靈活度高、功能全面強(qiáng)勁的機(jī)器人價(jià)格高，使用和維護(hù)成本高，距離進(jìn)入普通家庭還有一段時(shí)日，但具有控制中樞、通訊、溝通功能和特定機(jī)械動(dòng)力特性，以陪伴功能為主的機(jī)器人已經(jīng)完全具備進(jìn)入普通老年人生活的社會(huì)（S）、經(jīng)濟(jì)（E）和技術(shù)（T）條件。

（一）智能化老年服務(wù)機(jī)器人發(fā)展概況：美國(guó)、日本、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等較早開展對(duì)老年人服務(wù)型機(jī)器人的研究，一些智能服務(wù)機(jī)器人開始為老年人提供日常照護(hù)和服務(wù)。

老齡化嚴(yán)重的日本機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)先全球，它同時(shí)也是世界上最早將服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用于養(yǎng)老領(lǐng)域的國(guó)家。日本智能伴（養(yǎng)）老機(jī)器人的外觀多將擬人、仿生作為造型特征，例如，以溝通交流和情感陪護(hù)為主要功能的Paro采用了小海豹似的造型，“卡哇伊”風(fēng)格的形態(tài)容易討得老年人的歡心。AR保姆型機(jī)器人“Pepper”具有擬人形態(tài)，能洗衣、拖地、送餐等，能進(jìn)行情感識(shí)別，并用肢體動(dòng)作和面部表情對(duì)用戶做出反饋。憨態(tài)可掬的Ro-bear是一款護(hù)理機(jī)器人，它可以對(duì)老年人實(shí)現(xiàn)助行、搬運(yùn)等機(jī)械功能，機(jī)械臂和軀體裝配了傳感器，與人接觸便可獲取其心跳、血壓等體質(zhì)數(shù)據(jù)，便于在服務(wù)過程中及時(shí)感知老年人的反應(yīng)并對(duì)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，提升舒適性和安全性。

美國(guó)在助老機(jī)器人方面的研究和應(yīng)用也位居世界前列。麻省理工學(xué)院研發(fā)的Jibo機(jī)器人主要用于家庭陪伴，能根據(jù)照護(hù)對(duì)象的情感做出相應(yīng)的回饋。卡耐基梅隆大學(xué)的Herb機(jī)器人能準(zhǔn)確識(shí)別周圍物體或環(huán)境，搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移老年人。

德國(guó)的Care-o-bot3是一款能做家務(wù)、可助行的機(jī)器人。通過語(yǔ)音溝通，對(duì)老年人進(jìn)行精神慰藉，了解老年人的需求和困難所在，并為他們提供某些服務(wù)。

法國(guó)的Buddy是一款能自由移動(dòng)和控制家用電器的機(jī)器人，同時(shí)具有社交陪伴和家庭安防功能，另外，還具有吃藥提醒、管理日程、查詢天氣、分享照片和視頻的功能。

目前，我國(guó)市場(chǎng)上專門針對(duì)老年人需求的服務(wù)機(jī)器人極少，已有的伴老服務(wù)機(jī)器人的功能還較為簡(jiǎn)單，一般側(cè)重在通訊聯(lián)系、語(yǔ)音聊天、心理?yè)嵛康确矫?。其中，中瑞福寧公司開發(fā)的P-Care綜合服務(wù)機(jī)器人內(nèi)部配備AI模塊，具有深度學(xué)習(xí)和決策系統(tǒng)，能完成更復(fù)雜的操作。能夠依據(jù)不同的人物變換使用不同的機(jī)械手爪，對(duì)碗、刀叉勺筷、手機(jī)等實(shí)現(xiàn)抓取和握持，功能相對(duì)較為強(qiáng)大。其他如“想家寶”公司名為“養(yǎng)老小管家”的遠(yuǎn)程陪護(hù)機(jī)器人以及心理機(jī)器人“靜靜”等主要以陪伴為主。

從以上調(diào)研、分析可見，智能化老年服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)總體向好，但在技術(shù)、功能、外觀、用戶體驗(yàn)等方面，還需要不斷提升和改進(jìn)。

（二）智能伴老機(jī)器人在智能家居系統(tǒng)中的作用分析：人工智能技術(shù)的推廣，使得智能機(jī)器人將會(huì)更加普遍地走入尋常百姓家庭。智能機(jī)器人作是所有家庭設(shè)備交互的中樞和智能運(yùn)算的終端。在未來(lái)家居場(chǎng)景中，將會(huì)有包括智能機(jī)器人在內(nèi)的若干種智能設(shè)備，它們集成在一個(gè)智能居家服務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，智能機(jī)器人將可以完成現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)中“天貓精靈”“ECHO”“小愛”“小優(yōu)”“小新”等智能音箱的功能，成為智能家居環(huán)境中人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備以及系統(tǒng)控制的中樞。

二、老年人的生理、心理、生活方式特征分析

老年群體是社會(huì)中一個(gè)較為特殊的群體。一方面，老年階段的生理、心理以及生活方式都與以往發(fā)生了較大的改變，生理上的退行性變化使得他們的心理極為敏感，對(duì)正常生活產(chǎn)生較大的影響;另一方面，因?yàn)榉e累了豐富的人生經(jīng)驗(yàn)，他們對(duì)自己的生活也有較為固化的標(biāo)準(zhǔn)和要求，既希望在生活上能夠獨(dú)立自主，不必依賴他人的幫助和扶持，但在情感上又對(duì)家人的陪伴和關(guān)懷充滿期待和渴望。

（一）老年人生理特征分析：老年人身體各系統(tǒng)功能逐漸衰退，形體衰老退化，活動(dòng)不便，行動(dòng)緩慢。感知覺普遍衰退，對(duì)外界信息的接收能力減弱。身體容易患各種疾病，健康水平降低，圖1所示是老年人身體常發(fā)的退行性變化，而表1為針對(duì)老年人這些生理性的變化在設(shè)計(jì)伴老機(jī)器人時(shí)應(yīng)考慮采取的措施。

（二）老年人心理特征分析：“仁者樂山，智者樂水”“從心所欲不逾矩”，這是人到老年最好的生活狀態(tài)，但是對(duì)大多數(shù)老年人而言卻是一種奢望。身體機(jī)能的退行性變化影響著他們的心理狀況，不斷減弱的活動(dòng)能力和學(xué)習(xí)能力也日益削弱他們的自信。部分老人被多種疾病牽絆糾纏，容易陷入悲觀焦躁的情緒，時(shí)常自怨自艾，郁郁寡歡，獨(dú)居老人進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的難度更大，抑郁情緒市場(chǎng)揮之不去甚至發(fā)展為老年抑郁癥。腦組織退化使得老年人的記憶力不斷衰減，他們時(shí)常會(huì)遺忘近期發(fā)生的事情但卻對(duì)很久之前的事情印象深刻，并喜歡向別人訴說。針對(duì)老年人特有的心理特征，伴老機(jī)器人的陪伴作用顯得更為重要，宜采用人工智能，配合音頻、視頻等方式提供陪護(hù)關(guān)懷、娛樂體驗(yàn)、培養(yǎng)興趣、開拓視野等服務(wù)，開展全方位心理調(diào)節(jié)和情緒照護(hù)。

（三）老年人生活方式分析：老年人的生活方式和生活形態(tài)與其他

人群相比有較大差異，漫長(zhǎng)而獨(dú)特的生活經(jīng)歷使得他們形成了穩(wěn)定的生活習(xí)慣和生活品味?？萍嫉陌l(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步使得新技術(shù)、新思想、新事物不斷涌現(xiàn)，老年人和外部社會(huì)之間的鴻溝日益擴(kuò)大，部分思維模式和生活態(tài)度積極的老年人們開始學(xué)習(xí)新的思想和技能，努力跟上時(shí)代的步伐，如學(xué)習(xí)使用智能手機(jī)及App來(lái)進(jìn)行社交、娛樂、學(xué)習(xí)等。部分老人會(huì)在家中使用掃地機(jī)器人、智能音箱甚至智能家居等方便生活，這類老人通常具備良好的經(jīng)濟(jì)條件和教育背景;但是大部分老人仍被主、客觀條件隔絕在智能生活之外，出門只使用紙幣，使用的手機(jī)也多為老人機(jī)。近兩年新冠疫情的爆發(fā)，在各種隔離措施下，很多老年人體會(huì)到了遠(yuǎn)離現(xiàn)代科技的艱難，與世隔絕或是被世界拋棄的感覺也不斷增強(qiáng)。因此，作為高科技產(chǎn)品的智能伴老機(jī)器人應(yīng)該能夠切實(shí)從老年人的需求出發(fā)，以高度人性化平衡科技帶來(lái)的壓迫感，能過通過合理的功能架構(gòu)，讓老年人與現(xiàn)代社會(huì)接軌，引導(dǎo)和監(jiān)督他們過健康、有規(guī)律的生活，把更多的資源引入他們的生活，為他們創(chuàng)造更加安全、便利、舒適的生活環(huán)境，拓展他們的生活空間。

三、智能伴老機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

對(duì)伴老智能機(jī)器人進(jìn)行研發(fā)的過程中，要始終堅(jiān)持“以用戶為中心”的設(shè)計(jì)理念，深入老年人的生活，全面觀察和深入了解老年人的需求，感知他們的“痛點(diǎn)”，合理想象和構(gòu)建使用場(chǎng)景，遵循“形式追隨功能”的原則來(lái)確定伴老機(jī)器人的功能、外觀形態(tài)和操作方式等。

（一）伴老機(jī)器人功能設(shè)計(jì)分析：通過對(duì)老年人生活中常見的場(chǎng)景進(jìn)行梳理歸類，結(jié)合老年人特征分析，從三個(gè)方面架構(gòu)伴老機(jī)器人的功能。一是為老年人提供人性化的貼身服務(wù)，側(cè)重在信息咨詢和情感陪護(hù)，提供天氣、健康、音視頻娛樂、人工智能語(yǔ)音聊天、服藥提醒、圖片傳輸播放以及人際音頻、視頻聊天等服務(wù);二是作為智慧家庭控制中樞，管理和操控家中其他智慧家電、設(shè)施和其他智能健康管理儀器設(shè)備（如電子血壓計(jì)、數(shù)碼體脂計(jì)、電子體溫計(jì)等）的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成和手機(jī)App同樣的家居管理功能;三是實(shí)現(xiàn)與社會(huì)化養(yǎng)老平臺(tái)、其他社會(huì)化助老服務(wù)平臺(tái)或是其他相關(guān)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通，將老年人的健康、情緒、家居變動(dòng)等相關(guān)信息上傳，便于第三方進(jìn)行健康和活動(dòng)情況的監(jiān)控，將以上各類平臺(tái)的資源和服務(wù)引入老年人的生活，為他們提供便利。當(dāng)有危急情況發(fā)生時(shí)，也可以將報(bào)警求救信息同時(shí)發(fā)送到子女、社區(qū)管理平臺(tái)和公共服務(wù)平臺(tái)，為老人特別是獨(dú)居老人的安全增加保障。充分考慮老年人的認(rèn)知和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，機(jī)器人要盡量采用便捷的交互方式，減少人機(jī)之間基于硬件界面的互動(dòng)，并予以充分的提示性設(shè)置。首選語(yǔ)音指令進(jìn)行信息輸入，機(jī)器人則通過語(yǔ)音、表情以及屏幕界面進(jìn)行反饋。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、用戶等角度綜合考量，當(dāng)下較為經(jīng)濟(jì)適用的伴老機(jī)器人功能架構(gòu)可如圖2所示。

（二）智能伴老機(jī)器人技術(shù)需求分析：智能伴老機(jī)器人與老年人朝夕相處，親密接觸，由于服務(wù)對(duì)象的特殊性，它們所面對(duì)的任務(wù)和情況更為復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其智能性、靈活度、安全性、易用性、穩(wěn)定性提出更高要求，所涉及到的技術(shù)主要包括導(dǎo)航和定位技術(shù)、視覺技術(shù)與圖像處理、智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、AI深度學(xué)習(xí)算法以及多傳感器信息融合等。

（三）伴老機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)分析：智能伴老機(jī)器人要具有親和愉悅的視覺感受，形態(tài)、色彩、材質(zhì)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量清新柔和，減少高科技產(chǎn)品固有的生硬、冷漠感，使用戶易于接受。大多數(shù)老年人喜歡兒童和小動(dòng)物，它們可愛呆萌的形象、溫柔天真的性情是老人孤寂沉郁的心情良好的撫慰劑，因此，伴老機(jī)器人整體造型可以參考小動(dòng)物或是兒童的體態(tài)，以大面積舒展圓潤(rùn)的曲面營(yíng)造安全感。材質(zhì)要考慮安全性、環(huán)保性和實(shí)用性，抗摔、耐磨，并能與家居環(huán)境的風(fēng)格契合，同時(shí)凸顯品質(zhì)感。色彩可以考慮大面積的淺色調(diào)，如乳白、蛋青、淺灰、淡黃等，適當(dāng)添加其他醒目色彩用以突出重要功能指示部件，區(qū)分操作界面，便于指引老年人操作。伴老服務(wù)機(jī)器人的硬件和觸摸屏幕界面的交互設(shè)計(jì)也要簡(jiǎn)單、直觀，宜采用較大面積、具有明顯指示性的、具有擬物風(fēng)格為主的圖標(biāo)表示相關(guān)功能。用戶下達(dá)指令后，機(jī)器人通過相應(yīng)的語(yǔ)音、面部表情（屏幕顯示）或是肢體動(dòng)作等方式進(jìn)行反饋，在人機(jī)之間實(shí)現(xiàn)有效溝通。圖3、4所示的伴老機(jī)器人采用類似小動(dòng)物的整體造型，圓圓的腦袋，胖胖的身體，柔和討喜的小耳朵，屏幕可以顯示呆萌可愛的大眼睛和小嘴巴做出的表情。既能夠可以自主跟隨主人行進(jìn)，又方便騎坐，當(dāng)老年人外出購(gòu)物時(shí)，腹腔內(nèi)部空間可用來(lái)載物。胸口藏有小抽屜藥盒，能定時(shí)提醒主人吃藥，提醒語(yǔ)音結(jié)束后藥盒自動(dòng)彈出，吃完藥后需依靠人手推回，從而有效地起到提醒和監(jiān)督服藥的功能。

智能伴老機(jī)器人的適宜使用環(huán)境是室內(nèi)、外環(huán)境，但以室內(nèi)為主，因此設(shè)計(jì)時(shí)可以從與整個(gè)家居環(huán)境契合的角度考慮材質(zhì)及質(zhì)感肌理，體現(xiàn)高品質(zhì)的質(zhì)感。外殼主材質(zhì)選用工程塑料，通過表面噴涂達(dá)到亞光、磨砂的質(zhì)感，營(yíng)造安全、柔和、舒適的觸感體驗(yàn)，圖5為伴老機(jī)器人的使用場(chǎng)景示意。

（四）伴老機(jī)器人人機(jī)特性分析及尺寸確定：進(jìn)入老年階段，人的體態(tài)普遍與青壯年時(shí)發(fā)生較大改變，身高變矮、體態(tài)發(fā)胖、腰背傴僂，肌肉力度也不斷減弱。在設(shè)計(jì)伴老機(jī)器人時(shí)要充分考慮老年人的體質(zhì)變化，可以依據(jù)《北京地區(qū)老年人人體尺寸測(cè)量》中列出的主要人體尺寸來(lái)確定伴老機(jī)器人的尺寸，使之符合老年人的操作需求，同時(shí)還能與家居環(huán)境和諧，見圖6?？紤]到機(jī)器人的隨行功能，整體尺寸不宜過大，總高度不宜超過120厘米。帶有顯示屏的頭部可以俯仰和轉(zhuǎn)動(dòng)從而滿足老年人在不同位置時(shí)視覺的需求。

（五）伴老機(jī)器人人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)：伴老機(jī)器人在不久的未來(lái)或許可以代替動(dòng)物和人，與人建立起陪伴關(guān)系。老年人與機(jī)器人之間日?；?dòng)頻次高，從他們學(xué)習(xí)和記憶的特點(diǎn)出發(fā)，人機(jī)之間的交互方式應(yīng)簡(jiǎn)明自然，清晰易懂。交互方式應(yīng)該以語(yǔ)音交互為首選，觸摸屏作為補(bǔ)充。觸摸屏界面設(shè)計(jì)要顯示直觀，多采用圖標(biāo)而不是文字來(lái)表情達(dá)意，圖標(biāo)要與背景對(duì)比鮮明，保證顯示效果。機(jī)器人可以通過語(yǔ)音、震動(dòng)、信號(hào)燈、屏面表情、屏面圖文信息等多種方式實(shí)現(xiàn)與服務(wù)對(duì)象的溝通，從而建立親密關(guān)系，如圖7、8所示。

四、圍繞智能伴老機(jī)器人為核心搭建智能家居養(yǎng)老服務(wù)體系

隨著互聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)的融合，新產(chǎn)品通常表現(xiàn)為“硬件+軟件+第三方服務(wù)”俱全的綜合解決方案，集成產(chǎn)品、數(shù)據(jù)、服務(wù)、物流的平臺(tái)化管理成為新趨勢(shì)。近年來(lái)，為有效應(yīng)對(duì)人口老齡化帶來(lái)的問題，我國(guó)正在加快建設(shè)智能化、信息化、互聯(lián)化的智慧養(yǎng)老服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)一步為老年人提供更安全、高效、便捷、智能的綜合性、系統(tǒng)化的養(yǎng)老服務(wù)。同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等能夠智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)與社會(huì)或政府主導(dǎo)的大型社會(huì)化智慧服務(wù)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通，為老年人的生活導(dǎo)入更多的資源。老年人在日常生活中，只需和自己朝夕相處的機(jī)器人溝通交流，不必再學(xué)習(xí)操控其他設(shè)備和平臺(tái)，就能方便地觸達(dá)更為廣闊的外部世界，提升生活的品質(zhì)，獲得與外部世界的連接感和安全感，充分享受科技進(jìn)步帶來(lái)的成果，見圖9。

結(jié)語(yǔ)

科技的發(fā)展使得老年人有條件擁有更好的智能化和服務(wù)型產(chǎn)品，智能伴老機(jī)器人是目前SET條件下最適合老年人使用的智能產(chǎn)品之一。未來(lái)，更加高端的服務(wù)型智能機(jī)器人和以其為核心的智能家居系統(tǒng)不僅能提升普通老年人的生活品質(zhì)，更會(huì)為殘障、癱瘓、失能、失憶老人送去科技的福音。