(黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，世界人口正在進(jìn)入老齡化階段，我國已經(jīng)迎來了老齡化時代，并且成為全球人口老齡化形勢最嚴(yán)峻的國家之一。到2020年，我國老年人將達(dá)到2.48億。到2050年，我國老年人口將達(dá)4.8億，占世界人口1/4；相當(dāng)于全國每3～4個人中就有1個老年人，平均增長率為3.2%，幾近人口增長速度的5倍，形勢非常嚴(yán)峻[1]。眾所周知，在我國，“空巢老人”不在少數(shù)，子女因?yàn)閷W(xué)習(xí)工作等原因背井離鄉(xiāng)，家里只剩下孤零零的老人。如何解決老人的“孤獨(dú)感”？尤其是“未來的老年人”在物質(zhì)上的需求得到滿足，精神需求如何滿足呢？日本是人口老齡化政策較成熟的國家之一，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，機(jī)器人照顧老年人已成為常態(tài)，而我國服務(wù)機(jī)器人起步比較晚，但發(fā)展迅猛，加上巨大的需求，將會成為全球最大的潛在市場。

養(yǎng)老機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，是能夠?yàn)槔夏耆说娜粘Ｊ聞?wù)和基本需求提供幫助和支持。服務(wù)機(jī)器人與人們的生活密切相關(guān)，我們現(xiàn)在已經(jīng)從信息技術(shù)時代(Information Technology,IT)進(jìn)入了數(shù)據(jù)時代(Data Technology,DT)，未來將進(jìn)入機(jī)器人時代(Robot Technology,RT)[2]?，F(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)能給老人提供簡單的生活護(hù)理和日常服務(wù)了，未來的機(jī)器人不僅可以陪老人情感交流，而且更加注重健康生活品質(zhì)，給老人更多關(guān)懷和精神慰藉。

1 基本概念

機(jī)器人是綜合了機(jī)械、電子信息、人工智能、生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等多種學(xué)科的復(fù)雜智能裝備[3]。隨著信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在“智能”和“人性”上有了新的突破。大數(shù)據(jù)與人工智能在服務(wù)機(jī)器人中的應(yīng)用，促使機(jī)器人的感知識別能力逐漸接近于人或其他生物。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)和移動終端逐漸普及，機(jī)器人就可以通過網(wǎng)絡(luò)來解決復(fù)雜問題而不需要考慮網(wǎng)絡(luò)布線的難題，同時機(jī)器人之間的協(xié)作也帶來了便利。

1.1 基本分類

服務(wù)機(jī)器人與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，就出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人，普適機(jī)器人和云機(jī)器人。網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由控制器、伺服器和傳感器等各種網(wǎng)絡(luò)資源組成。網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)作，最終完成單個機(jī)器人無法完成的任務(wù)，但它受到通訊、信息和資源訪問等方面的制約。普適機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它能通過周圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得全局的感知能力，大大提升了機(jī)器人與環(huán)境的認(rèn)知和交互能力，并為機(jī)器人高效智能的服務(wù)打下了基礎(chǔ)[4-5]。在普適機(jī)器人的基礎(chǔ)上結(jié)合云技術(shù)，出現(xiàn)了云機(jī)器人。云機(jī)器人是指把機(jī)器人連接到某種云計算設(shè)備平臺，共享信息和服務(wù)，機(jī)器人只需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個需求信息，遠(yuǎn)端就會有成千上萬的計算機(jī)來為它提供資源或完成相關(guān)任務(wù)了，它的大腦在云端，而不是機(jī)器人本體了。

1.2 云機(jī)器人

“云機(jī)器人”的概念是在2010年出現(xiàn)的，是由卡耐基梅隆大學(xué)的James Kuffner教授在Humanoids會議上第一次提出的，成為了一個重要的研究方向[6-11]。Kuffner教授認(rèn)為，云機(jī)器人就是云計算與機(jī)器人的結(jié)合，就像其他網(wǎng)絡(luò)終端一樣，機(jī)器人本體不需要具備強(qiáng)大的計算能力或存儲所有資料，只需要對云提出請求時，云端給予相應(yīng)的響應(yīng)和滿足[12-13]。云機(jī)器人可以借助云超強(qiáng)的計算能力、存儲能力和通訊資源，把機(jī)器人本體需要完成的復(fù)雜任務(wù)卸載到云平臺，不僅使得機(jī)器人的知識能力不受物理本體限制而大幅度得到提高，而且使得機(jī)器人存在的系統(tǒng)復(fù)雜、低智能和高價格等一系列瓶頸問題從根本上得到解決[14-16]。云服務(wù)機(jī)器人通過互聯(lián)網(wǎng)和云計算，幫助機(jī)器人互相學(xué)習(xí)、共享知識，不僅降低成本，而且提高自主學(xué)習(xí)的能力與對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

2 基于云架構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)

2.1 基于云的機(jī)器人服務(wù)平臺

老年人最關(guān)心的就是健康狀況，對老年人實(shí)現(xiàn)健康管理將是一個系統(tǒng)工程，它涉及到醫(yī)院和保險公司及老人本人，也就是涉及到企事業(yè)單位和個人，如果要將整個健康管理系統(tǒng)建立起來，設(shè)備投入和各種資源的投入將是巨大的。如果將云計算和健康管理系統(tǒng)相結(jié)合，云計算可以憑借虛擬化的技術(shù)和資源整合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源按需分配，可以降低老人到醫(yī)院公司等地建立檔案的經(jīng)費(fèi)。另外，云計算動態(tài)擴(kuò)展性、虛擬化的超大規(guī)模以及資源復(fù)用，成本低廉，可以極大降低設(shè)備投入，減少用戶的使用成本。

SOA是云計算的主流架構(gòu)，它是熱門的服務(wù)導(dǎo)向模型，主要由三部分組成：服務(wù)需求者、服務(wù)提供者和服務(wù)注冊端(如圖1)。該服務(wù)是可以被獨(dú)立開發(fā)的，它們都有著標(biāo)準(zhǔn)接口的松散耦合組件。服務(wù)對于接口也是獨(dú)立的，可以認(rèn)為是獨(dú)立單元。這樣獨(dú)立式的構(gòu)架，是非常有利于服務(wù)開發(fā)的?；赟OA的機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)結(jié)合云計算就產(chǎn)生了機(jī)器人即服務(wù)RaaS(Robot as a Service)，RaaS系統(tǒng)繼承了大量的機(jī)器人單元，研究人員就把這些單元打包成服務(wù)，開發(fā)者或客戶就可以根據(jù)需要把它們組合成新的機(jī)器人應(yīng)用。

圖1 SOA的工作原理

隨著云計算和機(jī)器人的結(jié)合和云機(jī)器人的提出，科研人員根據(jù)對它們不同的思考和理解，提出了不同的云機(jī)器人服務(wù)平臺。2010年，Rajesh Arumugam[17]提出了服務(wù)機(jī)器人云平臺DAvinCi，該軟件是面向服務(wù)性機(jī)器人的云框架，利用了Hadoop計算群和ROS系統(tǒng)，提高了機(jī)器人執(zhí)行算法任務(wù)的效率，但對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲、通信問題還有待進(jìn)一步解決。北京理工大學(xué)的趙連翔[18]等人提出了機(jī)器人云平臺架構(gòu)，包含資源層、管理層、服務(wù)層3層結(jié)構(gòu)，它解決了多用戶在資源共享、安全應(yīng)用等方面的問題，并將機(jī)器人的資源和服務(wù)存儲在云端，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的遙操作。

總的來說，機(jī)器人云服務(wù)平臺可以大致分為三類，它們分別是基于網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的云服務(wù)平臺(Robot+Cloud)，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)平臺(Sensor+Cloud)和基于RSNP模型的云服務(wù)平臺(Robot Service Network Protocol)?；诰W(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的云服務(wù)平臺有RoboEarth平臺，RoboEarth是一個開源的巨大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，它可以為全世界機(jī)器人服務(wù)，不同類型的機(jī)器人都可以在這里分享資源和信息。這類平臺的機(jī)器人服務(wù)需要在機(jī)器人端執(zhí)行，開發(fā)者如果沒有專業(yè)機(jī)器人技術(shù)背景，是很難實(shí)現(xiàn)用該平臺開發(fā)機(jī)器人服務(wù)的?；趥鞲衅鞯脑品?wù)平臺，它是把傳感器虛擬化，當(dāng)用戶需要用時，可以被動態(tài)地調(diào)用。此類平臺需要開發(fā)機(jī)器人服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的集成服務(wù)，所以開發(fā)人員必須是同時具備機(jī)器人和互聯(lián)網(wǎng)背景的專家，也較難實(shí)現(xiàn)?；赗SNP模型的云服務(wù)平臺，是分布式的服務(wù)架構(gòu)，RSNP確定了機(jī)器人服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，它可以將機(jī)器人服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)整合在一起，給各類機(jī)器人提供服務(wù)并合作。因?yàn)镽SNP是基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)的分布式架構(gòu)，只要有網(wǎng)絡(luò)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的就可以進(jìn)行服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)了，所以在3種云服務(wù)平臺中RSNP模型是最容易實(shí)現(xiàn)了。

2.2 云機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

通過高效的云機(jī)器人架構(gòu)，傳統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器人不僅可以大幅度瘦身，而且還可以通過云基礎(chǔ)設(shè)施提供的彈性資源來克服局限性。該系統(tǒng)基于RaaS(Robot as a Service, 機(jī)器人即服務(wù))的設(shè)計思想，一方面能利用云端資源為服務(wù)機(jī)器人提供服務(wù)，另一方面也能將機(jī)器人本地資源配置成云基礎(chǔ)設(shè)置的一部分來提供服務(wù)，直接供用戶調(diào)用[14-16，19-20]。該系統(tǒng)從上而往下主要包括四層(如圖2所示)，分別為用戶層、應(yīng)用層、云服務(wù)層和服務(wù)機(jī)器人層。

圖2 云機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

用戶層主要是各種客戶端；應(yīng)用層是機(jī)器人的多種服務(wù)為客戶端提供的應(yīng)用程序；云服務(wù)層不僅負(fù)責(zé)機(jī)器人的資源管理與調(diào)度，而且還要通過云計算技術(shù)處理大量任務(wù)和海量的信息；服務(wù)機(jī)器人層主要是機(jī)器人負(fù)責(zé)執(zhí)行和收集物理環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。用戶層和服務(wù)機(jī)器人層較具體，應(yīng)用層和云服務(wù)層較抽象，下面重點(diǎn)講一下應(yīng)用層和云服務(wù)層。

2.3 應(yīng)用層

云機(jī)器人可以選擇接入到合適的云資源獲取相應(yīng)服務(wù)。通過云機(jī)器人系統(tǒng)的云平臺環(huán)境，云機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用和高級應(yīng)用2種服務(wù)類型。高級應(yīng)用服務(wù)包括自主學(xué)習(xí)、知識共享、大數(shù)據(jù)挖掘、語音識別、SLAM、抓握等。基本應(yīng)用服務(wù)是指云架構(gòu)中的比較典型的服務(wù)XaaS(X as a service, XaaS)，其中X可以用任何東西來替換， 比如云計算常用的3種服務(wù)模式：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) (Infrastructure as a Service, IaaS)、平臺即服務(wù)(Platform as a Service, PaaS)及軟件即服務(wù)(Software as a Service, SaaS)，基礎(chǔ)設(shè)施在最下端，平臺在中間，軟件在頂端?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)是將場外服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)硬件等封裝成服務(wù)直接供用戶使用，如Amazon、Microsoft等大公司的彈性計算云和簡單存儲服務(wù)，為企業(yè)提供計算和存儲服務(wù)；平臺即服務(wù)(PaaS)有時也叫中間件，是對資源更進(jìn)一步抽象，它提供給軟件開發(fā)人員的是開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器和應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境等；而軟件即服務(wù)(SaaS)的針對性更強(qiáng)，它將某些特定應(yīng)用軟件功能封裝成服務(wù)，它的面向?qū)ο笫墙K端用戶。養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的健康服務(wù)就是以SaaS的方式來提供的，比如老人的“健康云”[21]服務(wù)包括信息提醒，運(yùn)動服務(wù)，健康膳食等。針對不同老人的不同需求，可以以一種可擴(kuò)展的、靈活的方式來實(shí)現(xiàn)健康服務(wù)的動態(tài)重組，此應(yīng)用可以推廣到家庭更多成員和更多人群。

2.4 云服務(wù)層

云服務(wù)層，主要負(fù)責(zé)對日常統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘及統(tǒng)計，然后給出用戶健康狀況評估、用戶環(huán)境分析和用戶數(shù)據(jù)報表生成等。它不僅提供用戶的遠(yuǎn)程查詢服務(wù)，而且提供智能分析模型方案。云端會實(shí)時的動態(tài)分配云資源，同時利用云基礎(chǔ)設(shè)施不斷使機(jī)器人的硬件設(shè)施得到簡化并為機(jī)器人提供更多的服務(wù)和可能性。根據(jù)使用的云資源類型的不同，可以將云機(jī)器人系統(tǒng)中的云平臺分為3種模式[16](如圖3)(1)基于遠(yuǎn)程云的模式：由遠(yuǎn)程云資源和機(jī)器人構(gòu)成，機(jī)器人通過廣域網(wǎng)訪問遠(yuǎn)程云資源；(2)基于本地云的模式：由本地云資源和機(jī)器人構(gòu)成，機(jī)器人通過本地網(wǎng)絡(luò)訪問本地云資源；(3)基于機(jī)器人的自組織云(Ad Hoc 云)模式：多個機(jī)器人構(gòu)成云資源，為機(jī)器人自身或其他終端設(shè)備提供云服務(wù)，其克服了廣域網(wǎng)的延遲等問題。

圖3 機(jī)器人的云資源圖

3 服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

面向老年人的陪護(hù)服務(wù)機(jī)器人，能夠提升生活品質(zhì)，關(guān)鍵是和老年人可以交流互動與情感陪伴，給老年人的精神上得到更大的滿足。為了提高用戶體驗(yàn)，服務(wù)機(jī)器人向著“人”的方向發(fā)展，它的推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括面向非結(jié)構(gòu)環(huán)境下、低成本的SLAM (Simultaneous Localization and Mapping即時定位與地圖構(gòu)建)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和規(guī)劃、人機(jī)交互技術(shù)、視覺的圖像理解、高可靠性的語音識別、軟體結(jié)構(gòu)的新材料應(yīng)用、人工皮膚技術(shù)等[2]。

3.1 SLAM技術(shù)

服務(wù)機(jī)器人的SLAM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在居家環(huán)境的自主定位與導(dǎo)航并規(guī)劃。它可以自動感知、理解并適應(yīng)所處的室內(nèi)環(huán)境，如果想要從一個未知位置到另一個位置，就得在移動過程根據(jù)位置估計和地圖定位，同時建造增量地圖[22-23]，整個過程包括地圖構(gòu)建、傳感、定位、建模等。伴隨著云技術(shù)的不斷進(jìn)步，SLAM已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但SLAM本身所具有的高復(fù)雜性和機(jī)器人資源有限制約著發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真正的自主性，云機(jī)器人創(chuàng)造了良好的突破口。云機(jī)器人卸載復(fù)雜的計算密集型任務(wù)到云端，云端以服務(wù)化的形式“按需”加載SLAM云調(diào)用包并持續(xù)輸入必要感知數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)定位和地圖構(gòu)建導(dǎo)航功能。這樣，機(jī)器人不僅提供了海量的存儲空間和強(qiáng)大的計算能力，而且實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的知識共享和人類的分析經(jīng)驗(yàn)的參與，可以使機(jī)器人導(dǎo)航應(yīng)用更方便快捷[18]。

云機(jī)器人SLAM發(fā)展迅速，從開始的基于多機(jī)器人、多攝像機(jī)協(xié)作的SLAM，發(fā)展到深度學(xué)習(xí)的視覺SLAM，取得可喜成績。山東大學(xué)的趙洋[24]等對傳統(tǒng)SLAM算法和基于深度學(xué)習(xí)的SLAM算法做了深入的對比研究。他指出，深度學(xué)習(xí)算法依賴多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)圖像的層次化特征表示，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)識別方法更高的識別準(zhǔn)確率。將深度學(xué)習(xí)和SLAM技術(shù)相結(jié)合，可以生成環(huán)境語義地圖，構(gòu)建環(huán)境語義知識庫，供機(jī)器人進(jìn)行認(rèn)知與任務(wù)推理，從而提高了機(jī)器人的服務(wù)能力和人機(jī)交互的智能性。傳統(tǒng)的SLAM算法，具有較大的人為性，性能也會隨光照強(qiáng)度等環(huán)境變化而下降，尤其是在物體識別領(lǐng)域不理想，成為了SLAM系統(tǒng)性能發(fā)展的瓶頸。近年來，SLAM算法嘗試用深度學(xué)習(xí)從海量圖像集中直接學(xué)習(xí)高層次特征，由于深度學(xué)習(xí)的特征蘊(yùn)含在每一層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元中，因此這類嘗試對機(jī)器人環(huán)境中識別物體的準(zhǔn)確率更高，遷移能力增強(qiáng)，模型泛化能力也更強(qiáng)。綜上所述，深度學(xué)習(xí)與SLAM的結(jié)合在一定程度上改善了場景識別等外界因素帶來的應(yīng)用局限性，同時對語義庫構(gòu)建的快速準(zhǔn)確性產(chǎn)生了重要影響，從而提高了機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力和智能化的服務(wù)水平。然而，目前深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練參數(shù)很大程度依賴專家經(jīng)驗(yàn)，其訓(xùn)練效果依賴于數(shù)據(jù)庫質(zhì)量和已知場景的相似度，再加上要將深度學(xué)習(xí)架構(gòu)應(yīng)用于整個SLAM系統(tǒng)，未來還有很長的路要走。

3.2 人-機(jī)-環(huán)境交互系統(tǒng)

服務(wù)機(jī)器人的“人-機(jī)-環(huán)境”交互系統(tǒng)是指以環(huán)境/對象感知系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步建立人機(jī)交互系統(tǒng)[25]。目前主流的人-機(jī)-環(huán)境交互的方式是手勢，語音，表情，控制面板等，以后手機(jī)、平板和可穿戴設(shè)備將成為移動控制端的主流趨勢。

服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，人機(jī)交互顯得尤為重要，它是衡量服務(wù)機(jī)器人用戶體驗(yàn)度的重要指標(biāo)。一直以來，用戶和機(jī)器人都會有很強(qiáng)的距離感。因?yàn)闄C(jī)器人大多只有枯燥的語言邏輯、固定的功能再加上面無表情，讓用戶沒法和它親近起來。當(dāng)人工智能和云計算的迅猛發(fā)展，融合了很多智能和情感到機(jī)器人中，用戶體驗(yàn)大幅上升。在人機(jī)交流的過程中，機(jī)器人可以通過傳感器得知用戶的表情、語言、動作、生理等情感狀態(tài)，并可以調(diào)整自身的狀態(tài)做出相應(yīng)的情感反應(yīng)，可以學(xué)習(xí)并了解到用戶的需求和習(xí)慣，然后通過云端共享給其他的機(jī)器人使用，這樣就極大提高機(jī)器人的服務(wù)效率并豐富了其服務(wù)功能。人機(jī)交互主要包括兩個方面的內(nèi)容，一方面是人機(jī)之間的交互信息，服務(wù)機(jī)器人可以借助可穿戴傳感器及體感外設(shè)等設(shè)備來檢測用戶狀態(tài)，評估用戶的健康狀態(tài)及跌倒檢測等服務(wù)；另一方面是用戶對機(jī)器人的主動控制，需要機(jī)器人能理解用戶并確保能完成用戶的控制和任務(wù)指令。

另外，機(jī)器人能和人自然地交互，完成各項(xiàng)服務(wù)任務(wù)，需要它能自然感知和理解環(huán)境，尤其當(dāng)外部環(huán)境變動大，單靠機(jī)器人本身的能力使很難完成各種高智能化的家庭服務(wù)任務(wù)的。這就需要將智能空間技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境中去，將室內(nèi)裝配上人工地標(biāo)、傳感器、攝像頭、通信設(shè)備等計算機(jī)系統(tǒng)，建立一個“人-機(jī)”共存的生態(tài)環(huán)境。

3.2.1 環(huán)境的感知與適應(yīng)

智能空間技術(shù)是指將感知和執(zhí)行器件安裝在空間相應(yīng)位置，因此降低了機(jī)器人本身攜帶感知器件的要求，能夠在動態(tài)的環(huán)境里更加穩(wěn)準(zhǔn)快的實(shí)現(xiàn)服務(wù)任務(wù)。如果把智能空間技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人將更加容易實(shí)現(xiàn)對空間內(nèi)部的人和物的全面感知，從而執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)任務(wù)。機(jī)器人與環(huán)境交互式通過將觸覺、視覺、聽覺、嗅覺、力覺等多種傳感器信息融合處理，然后獲得具有甚至超過人的感知能力，家庭這樣非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)能力也顯著提升。

老人是服務(wù)對象，智能空間和服務(wù)機(jī)器人需要通過觀察老人的行為來理解老人的想法和需求，以便對老人進(jìn)行特別監(jiān)護(hù)。比如通過傳感器裝置實(shí)現(xiàn)對老人脈搏、血壓、體溫等基本生命參數(shù)進(jìn)行觀測，能檢測出異常身體狀況并發(fā)出相應(yīng)的服務(wù)指令，使得機(jī)器人能自動的執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)。另外，如果老人需要物品的傳遞和整理，就可以通過在物體上布置各種人工標(biāo)志或RFID標(biāo)簽等方法，對被操作物實(shí)現(xiàn)快速定位和識別。人工標(biāo)志或RFID標(biāo)簽中包括物品屬性、操作方式和路徑規(guī)劃等，可以方便機(jī)器人快捷的完成服務(wù)任務(wù)。

隨著智能家居等設(shè)施的市場化，智能空間的搭建越來越容易，進(jìn)一步為服務(wù)機(jī)器人降低了成本，為逐步走入社會家庭提供了重要的技術(shù)支持。未來的服務(wù)機(jī)器人智能空間將包括多種異質(zhì)機(jī)器人，機(jī)器人之間會有更多的的協(xié)作，服務(wù)任務(wù)也會變得更加復(fù)雜，這將涉及到異種智能空間的互聯(lián)技術(shù)和機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的智能空間無縫連接技術(shù)，這些將成為未來智能空間技術(shù)研究的重要課題[26]。

3.2.2 視覺技術(shù)與圖像處理

人類主要通過視覺、聽覺、觸覺等器官感知外部世界，其中一大半的信息都是由視覺獲得的，所以視覺的重要性是不言而喻的。機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，是利用計算機(jī)來模擬生物視覺功能的科學(xué)技術(shù)，為了認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)對客觀世界三維場景的理解，它的首要目標(biāo)是要用圖像創(chuàng)建或恢復(fù)現(xiàn)實(shí)世界模型。圖像創(chuàng)建一般是三維場景在二維平面的灰色投影的過程，然后再進(jìn)行多點(diǎn)對一點(diǎn)的映射逆變換從二維平面恢復(fù)三維立體場景。

采用一般的圖像處理器較難實(shí)現(xiàn)實(shí)時圖像處理，而采用以Hadoop云平臺基礎(chǔ)架構(gòu)，它的分布式文件系統(tǒng)和MapReduce以及并行計算處理，大大降低了圖像識別的運(yùn)行周期，有效地提高了圖像識別的準(zhǔn)確率和圖像處理速度。將深度學(xué)習(xí)與云計算相結(jié)合，微軟圖像識別引擎的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練已經(jīng)到達(dá)150層，它將是云服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的一個重要的方向。

To sumup,this study examines and tries to prove the hypothesis that various modes,or in our case,the visual mode,find their way into textual narration,and with such intertwining of different modes in the textual content,both humor and politics can be discussed implicitly or metaphorically.

3.2.3 語音識別技術(shù)

語音是在人類情感交互的過程中作為人類獲取信息和溝通最方便最有效的工具之一，它傳達(dá)的信息包含文字符號部分，還包含情感和情緒部分[27-28]。傳統(tǒng)的語音合成技術(shù)，完成的僅僅文本符號的語音轉(zhuǎn)化，而忽略了語音信號中情感的信息。語音情感的識別分為與內(nèi)容有關(guān)的情感識別和與內(nèi)容無關(guān)的情感識別，同樣一句話，被不同經(jīng)歷尤其情感背景不同的人說，其表達(dá)的效果和意思就完全不同。情感的大部分信息主要體現(xiàn)在韻律上，可以通過調(diào)整句子的基礎(chǔ)頻和時長等韻律來表達(dá)。重慶郵電大學(xué)的張若凡[29]等人提出了基于語譜圖的老年人語音情感識別方法，他們采用改進(jìn)的維納濾波算法，針對老人年語音情感庫進(jìn)行了語音增強(qiáng)，選取合適的語音情感庫，進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)處理、提取和調(diào)整，轉(zhuǎn)換成要求的格式，接著用CNN進(jìn)行訓(xùn)練，并用分類器進(jìn)行分類，最后得出老人的情感識別結(jié)果。

基于云技術(shù)的語音云服務(wù)，不僅降低了對機(jī)器人本身的硬件要求，而且可以提升語音識別的準(zhǔn)確性和識別率，提升了用戶體驗(yàn)，使人機(jī)交互更加自然和人性。例如使用科大訊飛語音云平臺，它是以 “云+端”的形式，向開發(fā)者提供了一系列的語音合成、語音搜索及語義理解等智能交互服務(wù)，開發(fā)者能通過它擁有超強(qiáng)的語音識別能力，而不需要在本地維護(hù)龐大的語音識別庫。為了使老人可以有更好的交互體驗(yàn)，在初始化自然語言處理引擎時需要上傳語義庫，交流就可以更符合真實(shí)場景了[28]。

總之，傳統(tǒng)語音信號處理識別已經(jīng)從在單機(jī)中完成的，漸漸轉(zhuǎn)到云計算環(huán)境的平臺上，例如Hadoop平臺，它可以充分發(fā)揮MapReduce并行計算的優(yōu)勢，能夠?qū)?shù)據(jù)處理和任務(wù)分配到多個計算機(jī)中同時進(jìn)行，大大提高了語音信號處理的效率，云計算在語音平臺中的應(yīng)用也成為趨勢。因此，基于云的服務(wù)機(jī)器人的語音識別技術(shù)必將成為機(jī)器人水平發(fā)展的重要指標(biāo)。

3.3 仿生技術(shù)與軟體結(jié)構(gòu)

養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人外形設(shè)計應(yīng)該擬人化，現(xiàn)在的仿人機(jī)器人就是追求擬人的外貌、動作和語音，甚至情感，這樣更容易產(chǎn)生親切。尤其在老年人處于孤寂狀態(tài)，這樣對老年人的精神起到很好的慰藉作用。

服務(wù)機(jī)器人的軟體結(jié)構(gòu)使用了新型的合成材料，它可以模擬自然界的生物運(yùn)動模式。涉及材料、微機(jī)電、液壓、控制等多學(xué)科，從材料、設(shè)計、加工、傳感到控制等方面開展的交叉與融合研究。人工皮膚是可以替代人的皮膚組織的，它是仿生材料[30]的一種，能模仿生物的特點(diǎn)、特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相互作用的過程，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與人類似的行為功能提供技術(shù)支持。通過這種材料能讓機(jī)器人獲得一種接近人類的皮膚和肌肉，結(jié)合結(jié)構(gòu)驅(qū)動一體化的設(shè)計，它可以感知壓力并與大腦溝通，把壓力信號改變成電子信號，傳遞給大腦，令機(jī)器人在智能化的基礎(chǔ)上擁有“感覺”，無論從外觀還是行為感知功能，機(jī)器人都越來越趨近于“人”了。

仿生材料與軟體結(jié)構(gòu)模仿生物系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和相互作用，讓機(jī)器人具備了低能耗、效率高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其中，仿生材料、人工肌肉和結(jié)構(gòu)驅(qū)動一體化設(shè)計將成為未來研究的熱點(diǎn)問題。

4 養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

4.1 國家政策支持

近年來，為了實(shí)施《中國制造2025》將機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，進(jìn)一步推進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展，特別制定了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》和《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，然后到《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2018-2020年)》[31]，出臺了一系列支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策措施，體現(xiàn)了中國已經(jīng)把人工智能技術(shù)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度，為機(jī)器人的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的優(yōu)良環(huán)境。在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，重點(diǎn)推進(jìn)專業(yè)服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更多的細(xì)分并成體系，個人/家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場化[32]。如果把服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展與中國老齡化社會的大背景相結(jié)合，對于解決人口老齡化問題，無疑是巨大的支持與幫助。

4.2 安全可靠性

云機(jī)器人技術(shù)作為一種新興技術(shù)，還有許多問題如系統(tǒng)的安全性、通信協(xié)議的可靠性和有效性等需要探索與解決。除此，由于是服務(wù)機(jī)器人，還是面向老人的，我們還需要考慮眾多其他因素。首先需要考慮材料和設(shè)計上確保整體的機(jī)械安全可靠，不能因?yàn)榻档统杀径雎?；第二，要考慮到老年人身體的退化，操作很容易出錯，不能因此造成對老年人的傷害；第三，老年人的適應(yīng)能力不如年輕人了，如果機(jī)器人的使用年限能適當(dāng)延長，將會給老年人帶來福音[33]。當(dāng)老年人熟悉了服務(wù)機(jī)器人的使用也有了感情，若因?yàn)槟晗薅坏貌桓鼡Q時，老年人可能會出現(xiàn)抵觸情緒，接受新的機(jī)器人的又需要很長的時間。

4.3 5G無線通信

5G無線通信是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)集成后的解決方案總稱，它最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在“物聯(lián)網(wǎng)”上，對于機(jī)器人而言，不僅意味著更快的傳輸速度，更穩(wěn)定的信號，更低的功耗，還意味著更好的安全性和更高的服務(wù)水平。5G技術(shù)需要一種分布式的核心操作系統(tǒng)，可把終端擴(kuò)展至5G網(wǎng)絡(luò)再到云端。5G網(wǎng)絡(luò)將是一個無處不在，它是具有超低延遲、高度彈性化、超高的承載能力以及超強(qiáng)的通訊能力的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施，能夠透過云端的巨大存儲和計算能力，將機(jī)器人和智能家居設(shè)備、可穿戴設(shè)備等智能終端結(jié)合在一起，為機(jī)器人的智能化又可以推進(jìn)一步。目前，為機(jī)器人賦予與人完全一樣的行動功能還是一個挑戰(zhàn)，但透過5G技術(shù)可以充分提升機(jī)器人的行動力和認(rèn)知服務(wù)。

隨著5G通信技術(shù)的到來，云機(jī)器人的發(fā)展迎來了契機(jī)。5G網(wǎng)絡(luò)可以從容應(yīng)對機(jī)器人對帶寬和時延的挑戰(zhàn)，它的網(wǎng)絡(luò)切片和MEC也能為機(jī)器人的服務(wù)應(yīng)用提供端到端定制化支持。由于服務(wù)型機(jī)器人應(yīng)用場景的同質(zhì)化較高，比起不同行業(yè)需求千差萬別的工業(yè)型機(jī)器人，云機(jī)器人的服務(wù)共享網(wǎng)絡(luò)更容易實(shí)現(xiàn)，但目前我國機(jī)器人的使用密度還很低，一定程度上制約了服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展。所以，大面積推廣機(jī)器人的使用勢在必行。

5 結(jié)束語

隨著老齡化社會的到來，科技的進(jìn)步與勞動力不足等因素推動著服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展，它將成為21世紀(jì)高技術(shù)服務(wù)業(yè)的重要組成部分[34]。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，隨之誕生的云機(jī)器人讓機(jī)器人服務(wù)質(zhì)量又上了一個新的臺階。云機(jī)器人可以根據(jù)設(shè)計功能的不同給老年人提供不同的服務(wù)，現(xiàn)在的機(jī)器人可以提供基本的生活服務(wù)，未來的云機(jī)器人還可以陪老人聊天和娛樂，給老人帶來更多精神慰藉。所以，云機(jī)器人在未來的養(yǎng)老系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。