智能家居——智慧生活之服务机器人开发

文:刘景泰,张森,孙月 | 2017年第一期 (0) | (0)

 在面向智能家居、智慧生活的服务机器人系统中,首先要有能够保证实时地、通畅地进行通讯的网络环境。该网络涉及家庭、社区网络与外部云端的通信,家庭/社区内部环境中信息中心与服务机器人本体、家居传感器系统、智能家电等设备的数据共享与管理,以及服务机器人本体与传感器系统中内部数据的交互等方面内容。本文面向智能家居和智慧生活的服务机器人技术与系统,在其众多的关键技术中重点探讨了两方面技术:一是面向服务机器人的云端融合技术,二是高用户体验度的人-机器人交互技术,并把这两方面的技术集成在家庭服务机器人上,实现了基于微信和语音云的人-机器人交互方式,验证了基于云架构的家庭服务机器人体系结构的可行性。

面向服务机器人的云端融合技术

 计算机与网络技术的深层次进化出现了以云计算、云存储为代表的云系列技术。针对不同服务需求,云技术可以为服务机器人提供共性技术的解决方案与平台。该方案既可以采用服务器端进行网络计算集中化的思路,体现“瘦客户端”理念,又可以平衡服务器和客户端集中化和泛在化合二为一的趋势。

 人类的反应速度主要取决于感受器(视、听觉等)的敏感程度、中枢神经系统效能和效应器(肌纤维)的兴奋性,最快在100ms数量级。在人机共存的环境中,服务机器人的反应速度可考虑在10~1000ms的范围内,其中最制约机器人反应速度的因素是对应人中枢神经系统机能的信息处理与综合能力。基于机器学习、深度学习、人工智能、脑科学等相关研究的最新进展,可以将机器人信息处理与综合,如语言识别、图像识别、视频解读、任务协调、路径规划等服务机器人共性技术在云端融合,使其在速度上满足服务机器人的不同要求。

 另一方面,服务机器人的关键是服务,服务的关键是服务技能。关于如何表达、进化和优化服务技能这个问题,可以利用互联网+在大数据技术的支持下取得阶段性成果,建立针对具体服务机器人的服务技能加载与升级体系。

 云技术与智能家居的融合归根到底是外部云服务器与家庭内部网络的连接和数据交互问题。家庭信息中心可以在一定范围内支持服务机器人,是云服务器与内部网络的通信枢纽,负责本地任务及资源的上传及相关下载,管理和维护服务机器人本体数据以及家庭中各传感器、智能家电等设备的状态数据,可以对服务机器人本体的各项任务进行规划,从而进一步降低服务机器人本体的任务难度和硬件配置要求。因此,家庭信息中心将在面向智能家居/智慧生活的服务机器人系统中起到承上启下的关键作用。

高用户体验度人-机器人交互技术

 用户体验是一种以用户认可程度为标准的对服务的评价方式。人-机器人交互过程中的用户体验度是指用户在与机器人交互的过程中,用户在一定的客观环境中对服务认可的程度。

 人-机器人交互模式的丰富与否也是衡量服务机器人用户体验度的重要指标之一。若服务机器人的典型用户为老人、儿童、残疾人等无法正常自理的群体,高用户体验度的人-机器人交互技术就是其成败的关键。实际应用中,人与服务机器人的交互主要包括用户对服务机器人的主动控制以及服务机器人与用户之间的信息交互两方面内容。在用户对服务机器人的主动控制方面,利用基于移动智能终端、人体脑电信号、Kinect/LeapMotion传感器、力触觉设备以及虚拟现实设备等的新一代人-机器人交互模式,将确保服务机器人能够完成各类人群的控制和任务指令,真正成为可以理解用户的有效帮手。在服务机器人与用户的信息交互方面,服务机器人通过体感外设以及可穿戴传感器等设备检测用户状态,从而完成对用户的健康状态评估、跌倒检测等看护功能。在基于体感外设和可穿戴传感器的人体特征识别与定位技术的基础上,建立基于通用硬件和软件模块的低成本移动机器人系统,实现在家庭、社区、大型养老服务机构等环境中的自主巡视、动态建图、用户跟踪、云端通讯等功能。

 智能手机、平板电脑等移动终端借助各类应用APP逐渐成为了人们日常生活不可分割的一部分。作为一种便携性强、友好度高的交互载体,智能移动终端将在服务机器人中扮演更加重要的角色,其在实时监控、服务机器人控制、智能家电设备控制等方面均有典型应用。

 在云架构的支持下,还可以方便地利用云端资源,如使用科大讯飞等语音云平台基于云技术提供的语音合成、语音识别以及语音听写等智能语音交互服务,用户不必在本地维护庞大的语音识别库,因此能极大地扩展服务机器人系统的能力。

人-机器人交互模式安全保障机制

 随着人与机器人越来越多地共享工作空间,对于以“人为中心”的服务机器人而言,人-机器人交互过程中对人类的安全保障尤为关键。机器人安全性是指机器人无论在正常作业还是异常情况下,都不能直接或间接对其工作空间内的人造成伤害,其主要包括机器人主动安全技术和机器人被动安全技术两个方面。

 机器人主动安全技术即事前控制,就是在撞击发生之前评估产生撞击的严重性,并采取措施避免撞击的发生。通过设计轻型机械手臂以及新型的柔顺关节,并在硬件机构设计的基础上采取主动力顺应控制、变刚度机构控制等方法,既可以保证机器人系统的性能,又可以使机器人具有友好的交互安全性。

 机器人被动安全技术即事后控制,就是在撞击时严格限制撞击力,避免对人造成真正的伤害。通过设计机器人被动柔顺结构或者在连杆上包裹黏弹性材料来达到抑制或缓冲人机交互碰撞冲击力的目的。开发被动机器人系统,例如设计如图1所示的可变形臂作为服务机器人的操作手臂,可以在保证操作手臂系统功能的基础上完成安全可靠的交互任务。

 此外,多层次人机安全保障机制也同样值得关注。安全性作为人机交互作业中必备的本质属性,涉及人工智能、信息融合、控制方法、机械设计等多学科多领域相关理论和技术,如何在综合多种安全技术的基础上设计和实现多层次人-机器人安全保障机制对于解决人机和谐共存问题至关重要。在服务机器人系统功能实现中主要涉及机器人实时避碰行为优化与控制、机器人运动结果预测与环境预警、环境状态信息监控等关键问题。单一的轨迹规划和控制方法无法完全解决人机交互的安全问题,因此,应与其他安全策略结合,提高人机交互的安全性能。

家庭服务机器人实例研究

 家庭服务机器人“小南”是在国家“863计划”支持下完成的样机,如图2所示。本案例以“小南”为实验平台设计了基于云架构的家庭服务机器人体系结构,以及基于ROS的家庭服务机器人系统软件架构,实现了基于微信和语音云的人-机器人交互方式,验证了面向家庭服务的机器人体系结构的可行性,也进一步对面向服务机器人的云端融合技术以及高用户体验度的人-机器人交互技术的实现提供了可能性。

 以家庭信息中心在家庭服务机器人小南系统中的应用为例,基于云架构设计的家服机器人体系结构如图4所示,以移动互联网思路开拓了全新的家庭服务机器人产品模式。通过将云计算与机器人相结合,利用普适云基础设施提供的弹性资源来克服传统机器人局限性,使家庭服务机器人的大幅度瘦身成为可能。该系统基于机器人是一种服务(RobotasaService,RaaS)的设计思想,一方面能将机器人本地资源配置成云服务供用户调用,另一方面也能利用云端资源为机器人服务。

 基于RaaS模式的云架构设计的“小南”人机交互过程分为三个步骤:通过基于移动终端客户端的触控交互识别用户意图;将用户意图分解为若干有先后顺序关系的服务请求,分别调用“信息中心层”提供的WebService接口发起服务请求;“执行与感知层”的设备响应服务请求,返回人机交互终端响应结果,并将交互结果通过可视化的3D虚拟仿真场景显示给用户。

 系统包含了四个部分,即用户终端、云端、信息中心端和命令执行端。用户首先需要关注“灵杰家服机器人”微信公众平台账号并对其发送交互指令,腾讯服务器将该指令发送到云端并由云端进行文本关键字识别和筛选,进一步将用户指令发送至家庭信息中心。通过信息中心端与命令执行端之间的特定接口功能,家庭信息中心将用户指令发送到命令执行端,命令执行端则将指令执行结果反馈至家庭信息中心,再通过文字与图像的形式回复给用户。

 借助语音云的人机对话实现,在云技术的支持下,系统以科大讯飞语音云平台为基础,通过将本地语音识别与在线语音识别相结合,实现了对家庭服务机器人的语音控制。在语音指令识别的过程中,首先采用本地语音识别的方式。用户只需在移动终端建立满足需要的字库,并将该字库上传至语音云平台。语音云平台根据用户上传的字库从语音库中挑选出匹配的语音段组成本地语音库,并下载至移动终端。在进行本地语音识别时,移动终端通过将采集到的语音段与本地语音库中的语音段进行匹配便可以输出语音识别结果。若本地语音识别不成功,移动终端便将采集到的语音段上传至语音云平台,与语音库进行匹配,并返回语音识别结果。家庭信息中心在获取识别结果后首先对接收到的字符串进行解析,并通过WebService接口函数调用相应的执行设备,从而实现对机器人的语音控制。

 

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