◆湖南省長沙縣第一中學(xué) 段小川 廖承達(dá) 余曉娜

2020年9月，我們在養(yǎng)老院探望老人時發(fā)現(xiàn)，隨著入住養(yǎng)老院的人數(shù)日漸增加，養(yǎng)老院專職的工作人員工作量非常大，服務(wù)質(zhì)量很難保障。比如，用餐前，工作人員需將不同老人、不同需求的食物快速分發(fā)到位，以便老人們能吃到熱飯、熱菜，這就要求分餐人員多、分食速度快，但以養(yǎng)老院現(xiàn)有的工作人員配置比例，很難實現(xiàn)。

通過查閱資料我們了解到，目前各養(yǎng)老院并沒有智能飲食分取設(shè)備。為提高養(yǎng)老院工作人員的工作效率，提升服務(wù)水平，我們想設(shè)計一款智慧養(yǎng)老院配餐分取塔式機(jī)器人，為養(yǎng)老院的老人們帶來便利。

一、設(shè)計與制作

1.運動部結(jié)構(gòu)

（1）行走部結(jié)構(gòu)

為了使機(jī)器人能按照輸入的指令移動，我們設(shè)計了一個移動底盤。

（2）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

讓轉(zhuǎn)盤與底盤相連，通過電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)定位傳輸，方便機(jī)器人自動尋找定位。

2.功能部結(jié)構(gòu)

（1）存取部

采用分層分格與層格伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計，每一層可分設(shè)多個盒子，每個盒子可獨立伸縮。

（2）頂部結(jié)構(gòu)

頂部的物聯(lián)網(wǎng)模塊用于接通5G網(wǎng)絡(luò)，方便數(shù)據(jù)傳輸。

整體設(shè)計如圖1（以設(shè)計四個盒子為例），每一層有4個舵機(jī)，通過連桿結(jié)構(gòu)控制盒子的伸縮。

圖1 整體設(shè)計圖

我們按照設(shè)計圖制作了一個小型模型，研究裝置、層格按指令的運動實現(xiàn)方式及可能性。小型模型能基本實現(xiàn)整體設(shè)計要求，但功能暫未達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，存在載重輕、旋轉(zhuǎn)困難、移動速度慢、四方形易與其他物體發(fā)生碰撞等問題。

接著，我們對模型進(jìn)行了改進(jìn)，如加大了底盤電機(jī)功率，增加了轉(zhuǎn)盤，降低了底盤旋轉(zhuǎn)要求，增大了載重能力，更換了語音模塊，將外觀由四方形改為圓形等。

裝置要智能化，程序設(shè)計必不可少。根據(jù)在我校人工智能創(chuàng)客選修班學(xué)習(xí)的編程知識，我們選擇使用“Mixly”和“Mind+”兩種編程軟件，寫出程序后對各項功能進(jìn)行了測試，結(jié)果基本能達(dá)到設(shè)計要求。

二、使用方法

我們將老人的飲食需求大致分為三類：第一類為健康普適型，這類老人的身體相對健康，對飲食無特殊要求；第二類為亞健康一般型，這類老人的身體有疾病但尚能自理，對飲食有基本要求；第三類為氣血兩虧重病特異型，這類老人的身體狀況較差，對飲食有特殊要求。

圖2 制作第一代作品

圖3 制作第二代作品

圖4 智慧養(yǎng)老院配餐分取塔式機(jī)器人

使用智慧養(yǎng)老院配餐分取塔式機(jī)器人時，老人以持卡的方式取食：健康普適型的老人持藍(lán)色卡片，按照事先排序編號藍(lán)1、藍(lán)2、藍(lán)3……取食；亞健康一般型的老人持黃色卡片，按照事先排序編號黃1、黃2、黃3……取食；氣血兩虧重病特異型的老人持紅色卡片，按照事先排序編號紅1、紅2、紅3……取食。當(dāng)老人身體或飲食需求發(fā)生變化時，按照變化更換卡片顏色及編號即可。

1.刷卡控制取食及飯盒回收

智慧養(yǎng)老院配餐分取塔式機(jī)器人上設(shè)有顏色識別模塊，若老人持藍(lán)5卡，刷卡后，裝置旋轉(zhuǎn)至藍(lán)5，第一層伸出第5格，老人取走食物，藍(lán)5格收回。老人用完餐后刷卡，裝置轉(zhuǎn)至藍(lán)5，第一層伸出第5格，老人將飯盒放回（按照敬老院餐廚管理規(guī)定，必須回收殘渣），藍(lán)5格收回。藍(lán)5號測重傳感器將用餐前與用餐后的質(zhì)量變化反饋給主板，主板將數(shù)據(jù)反饋給管理者，方便其及時了解老人食量的變化，為初步判定老人的健康狀況提供依據(jù)。

若老人持紅5卡，刷卡后裝置旋轉(zhuǎn)至紅5，第三層伸出第5格，老人取走食物，紅5格收回。老人用完餐后刷卡，裝置轉(zhuǎn)至紅5，第三層伸出第5格，老人放回飯盒，紅5格收回。紅5號測重傳感器將用餐前與用餐后的質(zhì)量變化反饋給主板，主板將數(shù)據(jù)反饋給管理者。

飯盒采用保溫盒，這樣即使老人錯過用餐時間也能吃到熱飯熱菜。

2.語音控制取食回收

若老人忘記帶的是藍(lán)5卡，呼叫“‘小花貓’（機(jī)器名稱）‘藍(lán)5號’”，則裝置旋轉(zhuǎn)至藍(lán)5，第一層伸出第5格，老人取走食物，藍(lán)5格收回。老人用完餐后，呼叫“‘小花貓’‘藍(lán)5號’”，裝置旋轉(zhuǎn)至藍(lán)5，第一層伸出第5格，老人將飯盒放回，藍(lán)5格收回。藍(lán)5號測重傳感器將用餐前與用餐后的質(zhì)量變化反饋給主板，主板將數(shù)據(jù)反饋給管理者。

若老人忘記帶的是紅5卡，呼叫“‘小花貓’‘紅5號’”，則裝置旋轉(zhuǎn)至紅5，第三層伸出第5格，老人取走食物，紅5格收回。老人用完餐后，呼叫“‘小花貓’‘紅5號’”，裝置轉(zhuǎn)至紅5，第三層伸出第5格，老人將飯盒放回，紅5格收回。紅5號測重傳感器將用餐前與用餐后的質(zhì)量變化反饋給主板，數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)反饋給管理者。

3.移動方式

機(jī)器人可使用遙控器控制移動，也可通過語音呼叫指令實現(xiàn)移動。

4.控制系統(tǒng)

使用語音模塊采集指令，或通過顏色識別模塊采集數(shù)據(jù)，利用單片機(jī)控制層格伸縮，通過采集語音指令或遙控器指令數(shù)據(jù)控制裝置移動。

三、創(chuàng)新點

1.從研究老人的生活習(xí)性與飲食習(xí)慣出發(fā)，基于智慧養(yǎng)老院的基本要求，應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，是一種原創(chuàng)性裝置。

2.按照老人各自的飲食需求，利用顏色分類技術(shù)實現(xiàn)了快速取食。

3.通過物聯(lián)網(wǎng)實時記錄每位老人每天的飲食、行為數(shù)據(jù)，并同步反饋給養(yǎng)老院管理者，以便更好地為老人服務(wù)。

專家點評

段小川、廖承達(dá)、余曉娜同學(xué)的智慧養(yǎng)老院配餐分取塔式機(jī)器人是一項關(guān)愛老人的創(chuàng)新項目。其特點是：

首先，三位同學(xué)科研意識強(qiáng)。他們通過對養(yǎng)老院發(fā)現(xiàn)的個別問題進(jìn)行問卷調(diào)查，研究老人的飲食習(xí)慣，從現(xiàn)象到本質(zhì)進(jìn)行深入分析，將老人的飲食分為三類，隨后依據(jù)其飲食習(xí)慣設(shè)計三色塔型機(jī)器人，為問題的解決與項目目標(biāo)的達(dá)成提供了基本保障。

其次，三位同學(xué)技術(shù)應(yīng)用能力強(qiáng)。他們將顏色分類技術(shù)與分層、分格結(jié)合，利用圖像識別、語音識別、連桿結(jié)構(gòu)，采用單片機(jī)控制等方式，巧妙為三類老人實現(xiàn)了快速取食。

最后，三位同學(xué)人文關(guān)懷意識到位。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將老人的飲食行為數(shù)據(jù)實時反饋給養(yǎng)老院管理者，且以“小花貓”命名，給老年人以“小棉襖”式的貼心溫暖。

可惜的是，三人協(xié)作攻關(guān)的過程、各自主要完成了哪些工作？新修訂的全國青少年創(chuàng)新大賽章程與規(guī)則中對集體項目報告中的這一要求，文中未能體現(xiàn)。這應(yīng)引起師生的重視。