李劍，李輝

1.國家康復輔具研究中心 科研管理部，北京 100176；2.中國礦業(yè)大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京100083

仿人機器人在殘障人生活起居中的應用分析

李劍1，李輝2

1.國家康復輔具研究中心 科研管理部，北京 100176；2.中國礦業(yè)大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京100083

本文在仿人機器人與殘障人的基礎上，進一步從應用需求、應用可行性、應用范圍、應用現(xiàn)狀、應用前景、發(fā)展趨勢等方面，分析研究了仿人機器人在殘障人生活起居中的應用可能性、必要性、科學性及未來發(fā)展趨勢。

仿人機器人；殘障人；機器人；康復訓練；仿生設計

0 前言

殘障人是社會的弱勢群體，其日常生活起居直接影響著生存質(zhì)量[1]。隨著機器人領域的進一步拓展和應用推廣以及對人的極大關注，把先進的仿人機器人技術應用于殘障人生活起居已不再是一種空想和妄想。仿真機器人是現(xiàn)代科學技術服務于人類的實驗性推廣，也是順應時代需求的大膽創(chuàng)新與探索。仿人機器人具有類人的形態(tài)，它不僅可以輔助或替代殘障者完成日常生活中的相關工作，而且通過高度仿真的多感官情感及精神的交流，極大地開發(fā)了殘障人的精神世界，這對于康復訓練及生活、生存質(zhì)量的提高是極為有利的。

1 仿人機器人

1.1 仿人機器人的概念

仿人機器人的概念最早由日本早稻田大學的加藤一郎教授所提出，他指出，仿人機器人應同時或分別具備3個條件：① 具備腦、手、腳3要素的個體；② 具有非接觸（用眼、耳接受遠方信息）和接觸的傳感器；③ 具有平衡覺傳感器和固有覺傳感器[2]。著名仿人機器人研究學者Kajita對仿人機器人進行了更加簡單的定義，即仿人機器人就是外形像人的機器人。

綜合來說，仿人機器人是對于人體形態(tài)、行動、思維以及其他非物質(zhì)方面的模仿與設計，它同時或分別具備人的形態(tài)，是仿生設計在機器人領域的應用與開發(fā)。仿人機器人集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術等多門科學于一體，具有真正意義上的“人”的外形和特征，代表著一個國家的科技發(fā)展水平和實力[3]。

1.2 仿人機器人的特點

與傳統(tǒng)機器人（工業(yè)機械臂、智能輪椅、智能假肢、爬行機器人等）相比，仿人機器人在外觀上更接近于人，具有極大的親和力、感染力及行動靈活性與多樣性，更易于人機信息的交流與傳遞[4]。仿人機器人是高科技與高情感相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅在功能上實現(xiàn)了智能化，而且試圖通過思維和外在形態(tài)上的高度仿真來實現(xiàn)更高層次的人工智能，如人工思維、人工情感等仿真機器人與傳統(tǒng)機器人的比較，見表1。

表1 仿人機器人與傳統(tǒng)機器人比較

1.3 仿人機器人的作用與意義

仿生機器人可以代替人類完成部分工作或任務，并可以在很多方面擴展人類的能力。在助老、助殘、養(yǎng)老、服務、醫(yī)療、娛樂等多個領域，仿生機器人都具有極大的應用潛力[5]。

仿人機器人集現(xiàn)代科學技術與人工智能為一體，通過類人的形態(tài)、四肢或思維來實現(xiàn)相關的人類活動，極大的開發(fā)和解放了人類的精神情感世界。同時，仿人機器人對于人體的研究也進一步促進了人類對于自身的了解。仿人機器人的研究意義是重大的，它不僅是人創(chuàng)造物的過程，而且是物實現(xiàn)于“人”的過程。仿人機器人的意見，見圖1。

圖1 仿人機器人的意義

2 殘障人

2.1 殘障人的概念

殘障者是社會上具有特殊困難的弱勢群體，包括老年人、殘疾人、傷病人。根據(jù)ISO和IEC的定義，“殘障”是指人體機能或組織的問題，如功能異?；騿适В@可能是暫時性的，如由于受傷引起的或永久性的，可能隨著時間的推移而有所變化，特別是年老引起的功能退化更加明顯[6]。

2.2 殘障人的特點

由于相關生理功能的殘缺或衰退，殘障者在心理和生理上具有很大的特殊性（表2）。同時，由于殘障部位、殘障程度以及個人文化背景、性格特點、所處環(huán)境等方面的差異，殘障者的需求具有極大的個體差異性[7-8]。

表2 殘障人生理、心理特點

2.3 殘障人的生活起居

殘障人的生活起居不同與正常人，無論是活動范圍，還是活動頻率和活動強度，都明顯小于正常人。很多看似簡單的動作或工作，對于殘障人來說都是一種極大的挑戰(zhàn)和困難[9]。

3 仿人機器人在殘障人生活起居中的應用分析

3.1 應用需求分析

根據(jù)2006年第2次全國殘疾人抽樣普查的結(jié)果，我國殘疾人總數(shù)為8296萬（圖2左），占總?cè)丝诘?.34%。其中，需要康復服務的殘疾人數(shù)占殘疾人總數(shù)的72.28%，正在等待康復服務的殘疾人占殘疾人總數(shù)53.28%[10]。同時，隨著老齡化社會的到來（如圖2右）以及各種傷病、自然災害的發(fā)生，殘障人的比例和數(shù)量在逐年上升。面對如此龐大的殘障人群，如何使他們更好的生活以及如何滿足他們的衣、食、住、用、行等生活需求，是值的我們長久思考的問題。同時，2011年是“十二五”開局之年，根據(jù)國家相關政策，民生問題將成為“十二五”的主題和要點，社會養(yǎng)老、家庭養(yǎng)老等問題相繼成為社會關注的焦點。

圖2 2006年殘疾人比例示意（左）；中國人口老齡化趨勢（右）

3.2 應用可行性分析

隨著科學技術的進步和人工智能的發(fā)展，仿人機器人不僅可以具有更加逼真的仿人形態(tài)，而且在思維和意識上可以最大程度的模仿人。目前，哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、北京航空航天大學、國防科技大學等高校已基本掌握了機構、控制、傳感器、電源、語音對話、面部識別、環(huán)境識別、障礙檢測等多方面的關鍵性技術，并具備了進行更深層次研究的能力。圖3是北京理工大學研發(fā)的“匯童”機器人，它從2002年推出以來已更新了3代。最新的“匯童GDSC”具有28個自由度，集機構、控制、電源、傳感器等于一體，具有力覺、平衡覺、語音對話、遙感操作等功能，可實現(xiàn)無外接電纜的獨立行走，并能完成太極拳等復雜動作表演。仿人機器人在殘障者生活領域中的應用研究極大的促進了現(xiàn)代機器人技術的發(fā)展和創(chuàng)新，為其他領域類似問題的解決提供了參考。

圖3 “匯童”機器人

3.3 應用范圍分析

仿人機器人在殘障人生活領域中的應用范圍非常廣泛。它不僅涉及殘障人的基本需求（衣、食、住、用、行），而且在護理服務、康復訓練、娛樂休閑、安全提示及災害預警等方面也可以為殘障人提供更多的便利和安全。

在護理服務方面，仿人機器不僅可以輔助殘障人或護理人員完成一系列的基本工作，而且可以通過多感官的信息交流實現(xiàn)高質(zhì)量的情感陪護。圖4由日本早稻田大學推出的情感機器人KOBIAN，它可以同時利用表情和動作與人進行全面的情緒互動[11]。

圖4 情感機器人KOBIAN

在康復訓練方面，仿人機器人通過科學的程序控制和嚴格的生理監(jiān)測實現(xiàn)相關生理功能的恢復或重建。圖5是康復指導師“泰佐”，它看起來更像一個笨拙可愛的雪人，但內(nèi)部的26個關節(jié)足以讓它成為瑜伽師傅。“泰佐”懂得30個訓練動作，能帶領病人伸展手臂、彎腰碰觸腳趾等。

圖5 康復指導師“泰佐”

在休閑娛樂方面，仿人機器人寓教于樂，將相關的康復訓練或文化知識與游戲等休閑方式糅合在一起，使殘障者在娛樂的同時得到了訓練，學得了知識。

在安全提示方面，仿人機器人可以實時監(jiān)測殘障人的活動狀況，并在其發(fā)生意外或危險時及時發(fā)出求救信息。圖6是由臺灣交大研究團隊研發(fā)的護理機器人ROLA，其可以追蹤監(jiān)測主人發(fā)生跌倒等意外，在第一時間趕到主人身旁的同時，自動透過無線網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)或3G手機，發(fā)出求救訊號給在外工作的家人。

圖6 護理機器人ROLA

在災害預警方面，仿人機器人可實時檢測殘障人室內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度、空氣成分、可疑物體等，以預防火災、煤氣泄漏、恐怖襲擊等災害的發(fā)生。圖7是Tmsuk公司的警衛(wèi)機器人MJRO，它可以對可疑物體進行監(jiān)測、檢查并進行安全轉(zhuǎn)移。

圖7 警衛(wèi)機器人MJRO

3.4 應用現(xiàn)狀分析

3.4.1 國外現(xiàn)狀

在國外，仿人機器人在殘障人生活領域中的應用研究起步較早，尤其是日本、德國、美國等國家[12]。國外的相關研究主要側(cè)重在以下3個方面：

輔助操作仿人機器人，有德國的Care-o-bot、日本的Twendy-one、韓國的steward robot等。Care-o-bot系列機器人由德國弗勞恩霍夫制造技術和自動化研究所（Fraunhofer IPA）于1998年推出，它的設計目標是幫助老年人和行動不便者進行日常的生活。Twendy-one由日本早稻田大學推出，具有全向移動底盤、大載荷的雙操作臂與機械手、可彎曲的身體、雙目視覺系統(tǒng)，能完成取物、操作冰箱、烤面包機、烤面包、開飲料、拾取地面物品、將殘疾人從床上轉(zhuǎn)移至輪椅上等多種功能(圖8左)。Steward robot由韓國高科技研究院于2008年推出，具有遞送物品、控制家電、自主學習（對陌生物品、行為進行記憶學習）、情感交互等功能（圖8右）。

圖8 Twendy-one（左）；Stewradrobot（右）

導航助行仿人機器人，有韓國的DO-U-ME Nursing robot及美國的Pearl等。DO-U-ME Nursing robot由韓國高科技研究院推出，具有室內(nèi)導航、助行、避障、身體支撐、人臉識別、聲音識別、聲源定位等功能。Pearl由美國Carnegie Mellon University推出，具有室內(nèi)導航、帶路、遠程醫(yī)療、老人日程規(guī)劃、提醒、老人生活數(shù)據(jù)收集、社交活動等功能[13]。

抱起轉(zhuǎn)移仿人機器人，有日本的RI-MAN、RI-BA等。RI-MAN和RI-BA由日本理化研究所生命技術控制研究中心研制。RI-MAN不但能理解人們的聲音指示，甚至還能根據(jù)指示把被看護人抱起來，協(xié)助醫(yī)生進行護理工作（圖9左）。RI-BA是RI-MAN的加強版，具有更大承抱能力和更安全的穩(wěn)定結(jié)構（圖9右）。

圖10 RI-MAN（左） ； RI-BA（右）

3.4.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)在此方面的研究主要集中在輔助操作和護理陪護兩方面。近幾年，在國家“863”等項目的資助下，我國已取得了一些成果，但在機器人行動自主性、操作準確與可靠性、外觀設計、人機交互等方面還存在著很多問題?！笆晃濉逼陂g，由哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制的助老陪護機器人（圖10上）具有提醒老人吃藥、雙手端盤、開櫥門、取藥等功能。2010年世博會上，上海電器科學研究院的機器人（圖10下），它具有6自由度雙機械臂，具有語言識別、人臉和圖像識別等人機交互功能，能完成取物，開門、倒水、自主載人運行，遙控家庭電器設備以及實時監(jiān)測（門窗入侵、火災煙霧、煤氣泄漏、水表、電表、煤氣表反映等環(huán)境信息）等工作。

圖10 哈工大助老陪護機器人（上）；上海電器科學研究院的監(jiān)控機器人和送菜機器人（下）

3.5 應用前景分析

截至2009年底，我國有各類養(yǎng)老機構38060個，隨著老齡化社會的到來，需要大量的護理人員。仿人機器人在殘障人生活領域中的應用不僅減少了護理人員的數(shù)量，而且在很大程度上減輕了工作強度。面對當前專業(yè)護理人員緊缺，護理水平有待提高的現(xiàn)實，將仿人機器人應用于福利院、養(yǎng)老院等公共機構具有巨大的前景[14]。同時，隨著人們經(jīng)濟條件的改善和生產(chǎn)成本的降低，個人家庭的應用前景也不容忽視。

3.6 發(fā)展趨勢分析

3.6.1 全方位的安全保障

安全是第一位的，它關系殘障者的身心健康。仿人機器人的安全保障依賴于各項技術的可靠性和具體設計的合理性，只有深入研究機器人相關技術，并從工業(yè)設計、機械設計、人機工程學、心理學等多個角度綜合考慮才能保證仿人機器人在殘障者生活領域中的安全應用[15]。

3.6.2 人性化信息交互

由于殘障人生理機能的退化或損傷，他們在視覺、聽覺、觸覺及認知學習等方面都可能存在一些問題。因此，針對殘障者的個體差異性，我們必須提供更加人性化的人機信息交流界面和模式，并根據(jù)實際需要進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等多感官信息交流渠道的創(chuàng)建[16]。

3.6.3 功能集成與模塊化

由于殘障者需求的個體化和特殊性，無法用以往的通用設備來進行個體服務。這就需要采用集成與模塊的方式來實現(xiàn)，這不僅利于個體需求的滿足，而且提高了仿人機器人的研發(fā)速度，降低了研發(fā)成本，擴大了應用范圍。

3.6.4 市場產(chǎn)品化

目前，我們所做的大多數(shù)工作都屬于實驗性研究，缺乏真正的市場化。因此，為了使仿人機器人真正的應用于殘障人生活領域，市場產(chǎn)品化是唯一的途徑，也是最難解決的問題。在未來的日子里，如何實現(xiàn)真正意義上的仿人機器人產(chǎn)業(yè)化、實用化將是我們探索的重點。

3.6.5 非物質(zhì)化

21世紀是信息的時代，也是非物質(zhì)的時代，仿人機器人不再僅限于人體形態(tài)的簡單模仿和設計，而是向著更高層次的非物質(zhì)方面發(fā)展。隨著人們對于精神情感的關注[17]，適用于殘障人生活領域的仿人機器人必然向著思維、情感、精神等非物質(zhì)方面擴展。

4 小結(jié)

仿人機器人在殘障者生活起居中的應用是必要的，也是可行的。面對越來越多的殘障人，大力發(fā)展服務于殘障人的仿人機器人任重而道遠。這不僅是實際問題的解決，而且是科學技術的進一步深入。

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Analysis of Humanoid Robot which Uses in Disabled People's Living

LI Jian1, LI Hui2
1.National Research Center for Rehabilitation Technical Aids, Beijing 100176, China; 2.China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China

On the basis of concept and characteristics of humanoid robot and disabled people, further from application requirements, application feasibility, application scope, application status, application prospects, application trends, etc. this article analyzed and researched the application of humanoid robot in the daily life of disabled people. All of this is not only showing the possibilities, the necessity and scientific of application of humanoid robot uses in the daily life of disabled people, but also provides a theoretical basis and research base for further research and specific applications design to service robots.

humanoid robot; disabled people; living; robot; rehabilitation training; sunulate desugn

R687.3

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.017

1674-1633(2012)02-0057-05

2011-08-08

2012-01-17

國家科技支撐計劃（課題編號：2009BAI71B01）。

作者郵箱：redbomb628@163.com