劉曉葉

摘? 要： 為了做好圖書館防疫防護和智能化服務工作，針對圖書館人員體溫測量和環(huán)境維護常態(tài)化管理的問題，在梳理智慧圖書館建設和智能機器人技術相關研究的基礎上，提出一種智能測溫多功能服務機器人，實現(xiàn)對入館人員無感動態(tài)測溫管理。該機器人功能包括自主運動和定位導航、人臉識別與測溫、環(huán)境殺菌消毒等功能。

關鍵詞： 機器人; 人臉識別; 測溫; 智慧圖書館

中圖分類號：G250.7? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）09-10-05

Abstract： In order to do a good job in library epidemic prevention and protection and intelligent services， aiming at the problems of library personnel temperature measurement and normal management of environmental maintenance， on the basis of combing the researches on the construction of smart libraries and smart robot technology， a smart temperature measurement and multi-function service robot is proposed to realize the non-sensing dynamic temperature measurement management for the admission personnel. The robot has the functions of autonomous movement and positioning navigation， face recognition and temperature measurement， environmental sterilization and disinfection functions.

Key words： robot; face recognition; temperature measurement; smart library

0 引言

公共場所測體溫是疫情防控的需要。高校圖書館作為人員密集地，館內人員體溫監(jiān)測和環(huán)境衛(wèi)生的保持是常抓不懈的任務。目前，圖書館入館人員的測體溫工作一般集中在入口處通過紅外感應自動化測溫設備完成，這為圖書館衛(wèi)生防疫筑起了第一道防線。這種方法也存在不足之處，比如易受室外溫度的影響導致測溫異常，冬季測量體溫過低出現(xiàn)測量失敗，或在夏季受室外酷暑影響，導致體溫過高報警。這種方法屬于一次性體溫測量實時報警裝置，未能對入館人員進行動態(tài)跟蹤和健康管理提醒。

隨著5G技術的不斷完善和多媒體智能移動終端的普及，圖書館有條件探索更加優(yōu)質多元的智慧化服務，以吸引更多的讀者重返圖書館。因此本文提出疫情時期智慧圖書館建設背景下人員測溫和環(huán)境消毒殺菌服務多功能機器人的應用研究。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 智慧圖書館

在大數(shù)據(jù)、云計算和計算機信息技術推動之下，以人工智能所引領的創(chuàng)新型智能社會逐步發(fā)展起來。技術的成熟加快了圖書館的智能化智慧化發(fā)展和應用，推動著圖書館由數(shù)字化到智慧化的轉型升級[2]。

國內對智慧圖書館的研究已有許多。如王茜和張黎以云計算、大數(shù)據(jù)技術為基礎，整合環(huán)境、設備、資源、讀者等各方因素，構建起完善的智慧圖書館管理系統(tǒng)模型[3]。黃麗芳設計了以微信公眾號、微信小程序和APP為媒介，構建包含讀者模塊和管理員模塊的移動圖書館智慧服務平臺，通過大數(shù)據(jù)處理技術，實時挖掘讀者需求，為讀者提供個性化知識推送服務[4]。楊焱和屈義華介紹了廣州南沙圖書館將人臉識別技術、人工智能技術與圖書館業(yè)務系統(tǒng)的有效融合，實現(xiàn)人臉識別與圖書管理系統(tǒng)對接，為讀者提供更全面細致的個性化智慧服務[5]。

1.2 機器人技術

近年來機器人技術也更多地應用于智慧圖書館的研究與應用實踐中來，快速有效地解決圖書館管理和服務中的一些問題，提高讀者服務滿意度的同時，減輕了工作人員的負擔。機器人是一個智能化水平非常高的機械電子裝置，可以模仿人的感官進行分析判斷和交互，甚至擁有柔軟、靈活的機械手進行抓取，幫助人們很好的完成部分工作;還可以是隱藏在數(shù)字化環(huán)境中完成特殊任務的隱形機器人。隨著技術的進步，機器人會更多的走進人們的工作和生活。

在智能聊天機器人方面，清華大學率先將人工智能應用于圖書館咨詢服務，開發(fā)設計了智能聊天機器人“小圖”，并取得了良好的使用效果[6]。隨后清華大學又開發(fā)“小圖”APP和微信服務，迎合移動智能時代用戶需求，用戶可以利用智能終端在社交網(wǎng)絡環(huán)境中，快捷方便地與“小圖”交談和查詢信息[7]。在圖書盤點業(yè)務中，南京大學圖書館聯(lián)合計算機學院利用RFID技術中的自動識別技術和射頻相位技，提高了圖書智能盤點的精確度和快捷化，同時實現(xiàn)了圖書盤點工作的智能化和常態(tài)化[8-9]。樊慧麗、邵波在回顧圖書盤點技術發(fā)展歷程的基礎上，詳細分析了基于超高頻RFID技術的智能機器人圖書盤點優(yōu)勢：準確高效長時間不間斷工作，能夠定位導航和自主移動，電量不足時能夠完成自主充電，提高了圖書盤點的效率;但是該機器人在與館員互動交流和協(xié)作、圖書館復雜動態(tài)環(huán)境的適應方面還存一定的不足。未來發(fā)展要進一步加強人工智能與盤點機器人的深度融合，加強機器人的交互功能和人機協(xié)作功能設計、探索機器人的分身之術，以期實現(xiàn)日夜兼行、一機多用[10]。

在其他設計和應用方面：李宇飛等分析了視覺在機器人抓取規(guī)劃階段具有重要作用，在建立機械臂、相機和目標的運動關系的基礎上，通過立體視覺完成對空間目標的位姿測量，實現(xiàn)機器人抓取工作[11]。張軍等基于ROS機器人操作系統(tǒng)設計了一套低成本、高性能、易維護的移動機器人控制系統(tǒng)方案，并針對該方案設計了一套嵌入式硬件平臺[12]。孫森震等提出一種基于可見光通信與雙目視覺測量的高精度室內定位方法，并利用該方法研制了一款基于可見光通信與成像的定位模塊，可以為室內移動機器人提供厘米級定位導航服務[13]。

機器人技術及其應用取得了豐碩的成果，為機器人技術在圖書館的設計和應用打下了堅實的基礎，也必將加快圖書館智能化智慧化建設步伐。但是當前的機器人還缺乏足夠的自主性和靈活性，在開放性的圖書館環(huán)境中的應用還面臨很多挑戰(zhàn)。

2 機器人系統(tǒng)總體架構

本研究在5G行業(yè)背景下根據(jù)智慧圖書館發(fā)展建設愿景的指引，結合當前疫情發(fā)展社會條件和圖書館實際工作需要，融合5G無線網(wǎng)絡通信技術和人工智能機器人技術，分析設計一款高度智能的圖書館室內測溫服務機器人。

該機器人搭載5G傳輸網(wǎng)絡，基于機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）平臺，使用即時定位與地圖構建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術，通過機器人搭載的Hokuyo激光雷達作為核心傳感器采集環(huán)境信息，實現(xiàn)圖書館室內定位導航自主移動，完成人臉識別測溫、環(huán)境消殺等工作任務。機器人系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

基于機器人系統(tǒng)總體架構，本研究提出一種入館人員體溫檢測動態(tài)管理方法，其工作流程如圖2所示。以入館人員為管理對象，首先通過圖書館入口人臉識別和體溫檢測設備進行第一次人員信息記錄和體溫測量，并將數(shù)據(jù)記錄在服務器端;入館后人員的管理通過終端設備圖書館機器人和用戶智能終端完成;其中機器人完成人員測溫和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果播報，用戶端可以是智能手機或者電腦等多媒體移動終端，用來接收服務器端發(fā)來的健康信息提醒。該方法在圖書館用戶間進行人員體溫檢測，用戶易于接受，在看書學習、行走或與機器人交談等無形之中自動完成，一旦發(fā)現(xiàn)體溫異常便啟動數(shù)據(jù)存儲、用戶提醒和跟蹤管理。另外，為了對長時間在館人員的體溫檢測，設置循環(huán)測溫管理服務，對用戶入館時間大于兩小時將進行休息和測溫提醒。機器人通過拓展功能應用增加多元知識服務和用戶反饋等信息互動環(huán)節(jié)，可以讓用戶在輕松愉快的環(huán)境下實現(xiàn)體溫檢測。

3 機器人功能分析與設計

3.1 自主運動

自主運動是機器人的基本系統(tǒng)功能，包括控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩大部分，是整個機器人系統(tǒng)的移動載體、信息采集載體和控制載體?？刂葡到y(tǒng)決定著機器人的所有行為動作，是整個系統(tǒng)的決策和控制中心，保證機器人對目標任務完成的實時性、準確性和穩(wěn)定性。機械系統(tǒng)主要由機械結構和傳動裝置組成，用于支撐控制系統(tǒng)硬件和執(zhí)行機器人動作完成。

本研究采用輪式移動機器人結構，具有全向自主移動功能，能實現(xiàn)高效、穩(wěn)定運動，并具備一定的越障和負載能力。機器人運動主要由底層轉向驅動控制器完成對前輪轉向電機的快速定位和后輪驅動電機的無級、平滑調速。機器人的核心控制器采用基于ARM架構的開源卡片式電腦樹莓派3B，使用分布式機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）框架在Linux操作系統(tǒng)下進行軟件開發(fā)。為了保證機器人能夠更加靈活的運動，底盤采用麥克納姆全向輪。底盤根據(jù)SLAM導航節(jié)點中傳送來的運動控制信息（包含角速度和線速度）控制機器人運動。

3.2 室內定位和導航

該機器人要在圖書館開放區(qū)域實現(xiàn)自主移動，因此它必須具有良好的室內定位和導航功能，能夠對靜態(tài)和動態(tài)障礙物進行識別，尤其要避免機器人對人員因為判斷不準而造成碰撞和傷害。機器人導航系統(tǒng)設計主要解決地圖構建、定位和路徑規(guī)劃三個方面的問題?；竟ぷ髁鞒倘鐖D1定位導航模塊所示。

首先，機器人在圖書館陌生環(huán)境的任意地點出發(fā)，在運動的過程中通過傳感器感知環(huán)境特征，識別桌椅、建筑物立柱、墻角等障礙物信息，通過SLAM技術核心功能包中基于粒子濾波的gmapping算法，對激光雷達信息、里程計信息等數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)這些環(huán)境特征信息對機器人位姿和運動軌跡進行校正調整，同時提取環(huán)境特征點集并構建出室內柵格地圖[14-15]。

機器人完成先驗地圖構建之后，館員通過人機交互界面設置導航目標位置，機器人通過全局路徑規(guī)劃計算出最優(yōu)路徑，控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃結果發(fā)布控制指令給底層驅動系統(tǒng)，機器人收到指令開始按計劃運動;但是，開放環(huán)境下機器人的運行途中難免會隨機出現(xiàn)動態(tài)障礙物或其他環(huán)境干擾，因此，機器人不能嚴格按照全局規(guī)劃路徑運行，需要根據(jù)激光雷達實時掃描結果和里程計數(shù)信息，適時進行局部路徑規(guī)劃并調整路線，同時將局部調整信息反饋給控制中心進行全局優(yōu)化以盡量實現(xiàn)全局路線最優(yōu)。

3.3 人臉識別與測溫

機器人運行在圖書館公共空間實現(xiàn)動態(tài)測溫，必須要避免水杯、電腦等其他熱源對測量數(shù)據(jù)的影響，要確定被測對象為人體，而機器人完成人體測溫的最佳部位是人的臉部或頭部，因此，首先需要機器人完成人臉識別。本研究采用微軟Kinect-1深度相機作為機器人的眼睛，結合中科視拓SeetaFace2算法來進行人臉識別。其中Kinect-1深度相機包含一個高清攝像頭和光學攝像頭，通過結構光投射器向對象物表面投射可控制的光電、光線和光面獲取深度數(shù)據(jù)，利用三角測量原理計算被測物的三維空間信息。SeetaFace2算法通過提取人體臉部特征點準確地鎖定人的臉部，然后結合紅外測溫攝像頭獲取人的體溫;當機器人檢測到體溫異常的人時可以在云端保留臉部信息，同時在邊緣服務器完成處理并發(fā)送信息給體溫異常人員手機提醒休息，并通知相應工作人員采取健康跟蹤管理。另外，如果檢測到多人，可以結合人工智能技術進行分析，實現(xiàn)即刻的全畫面多人識別與測量。

為了保持圖書館安靜的學習環(huán)境，機器人測溫語音播報系統(tǒng)采用選擇性開啟播報模式。在公共區(qū)域進行多人員動態(tài)測溫時采用終端APP短信息提醒服務;當用戶與機器人進行面對面交流測溫模式時，若發(fā)現(xiàn)被測人員體溫異常選擇語音即時播報和終端APP信息提醒雙重服務模式，其中語音播報系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)科大訊飛API的方式，進行語音識別和語音播報。

3.4 環(huán)境殺菌消毒

在做好人員體溫檢測的同時，公共區(qū)域和書庫的環(huán)境消殺工作也需要同步做好。首先，該機器人可安裝紫外線消毒燈，對圖書館書庫和其他公共區(qū)域進行定時自動巡回消毒殺菌工作。另外，機器人還可以通過掛載雙氧水噴霧器對大廳、樓道、衛(wèi)生間，以及研討間等區(qū)域執(zhí)行全方位深度消殺工作。通過設定機器人程序在封閉環(huán)境中自動噴灑霧化的雙氧水消毒液，可深入到人工消毒不能達到的細微縫隙，相對于普通的人工噴灑、擦拭，能更加有效地消除病毒和細菌。

3.5 拓展功能探析

在機器人應用前端開發(fā)室內導航服務，同時機器人在與用戶的交互過程中，完成人員測溫建康管理服務。智能有趣的設備和優(yōu)質的服務給圖書館新用戶留下良好的第一印象。

隨著人工智能的快速發(fā)展，機器人增加機械手臂，在執(zhí)行人員測溫或環(huán)境消殺的過程中，如果發(fā)現(xiàn)館內散落圖書，可利用機械手撿取并存放在儲物區(qū)。關于拓展應用，該智能機器人形同游走于圖書館的邊緣服務器，連通多種信息資源中心和專家服務中心，讀者可以通過機器人快速流暢的查找資源、視頻交流甚至置身于虛擬的真實實驗環(huán)境中，與專家在實際的項目工作環(huán)境中進行面對面的交流。另外，機器人也可以是一個行走于讀者行列中的虛擬館員，實時搜集和處理讀者信息，拉近讀者與館員之間的距離，實時進行信息處理和交換，提高服務效率。

4 結束語

本文分析設計圖書館智能測溫服務機器人，利用人工智能機器人技術做好后疫情時代圖書館的防疫防護和智能化服務工作。該機器人搭載5G傳輸網(wǎng)絡，基于機器人操作系統(tǒng)ROS平臺和SLAM自主定位導航技術，Hokuyo激光雷達作為核心傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)圖書館室內定位導航;采用微軟Kinect-1深度相機和中科視拓SeetaFace2算法利用紅外測溫儀實現(xiàn)人臉識別和測溫，通過語音播報系統(tǒng)或客戶端APP進行體溫異常提醒。同時，為降低硬件成本該機器人融合多元技術因素，拓寬機器人應用領域，探索一機多用、日夜兼行的多模態(tài)工作模式，以充分發(fā)揮機器人的智能化、智慧化服務水平。另外，由于該機器人涉及功能較多，各功能模式的選擇判斷和自由切換及業(yè)務工作的完美呈現(xiàn)還需要進行大量的測試驗證和使用磨合。

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