在面向智能家居、智慧生活的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中，首先要有能夠保證實(shí)時(shí)地、通暢地進(jìn)行通訊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該網(wǎng)絡(luò)涉及家庭、社區(qū)網(wǎng)絡(luò)與外部云端的通信，家庭/社區(qū)內(nèi)部環(huán)境中信息中心與服務(wù)機(jī)器人本體、家居傳感器系統(tǒng)、智能家電等設(shè)備的數(shù)據(jù)共享與管理，以及服務(wù)機(jī)器人本體與傳感器系統(tǒng)中內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互等方面內(nèi)容。本文面向智能家居和智慧生活的服務(wù)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)，在其眾多的關(guān)鍵技術(shù)中重點(diǎn)探討了兩方面技術(shù)：一是面向服務(wù)機(jī)器人的云端融合技術(shù)，二是高用戶(hù)體驗(yàn)度的人-機(jī)器人交互技術(shù)，并把這兩方面的技術(shù)集成在家庭服務(wù)機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了基于微信和語(yǔ)音云的人-機(jī)器人交互方式，驗(yàn)證了基于云架構(gòu)的家庭服務(wù)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的可行性。

面向服務(wù)機(jī)器人的云端融合技術(shù)

    計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深層次進(jìn)化出現(xiàn)了以云計(jì)算、云存儲(chǔ)為代表的云系列技術(shù)。針對(duì)不同服務(wù)需求，云技術(shù)可以為服務(wù)機(jī)器人提供共性技術(shù)的解決方案與平臺(tái)。該方案既可以采用服務(wù)器端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算集中化的思路，體現(xiàn)“瘦客戶(hù)端”理念，又可以平衡服務(wù)器和客戶(hù)端集中化和泛在化合二為一的趨勢(shì)。

    人類(lèi)的反應(yīng)速度主要取決于感受器(視、聽(tīng)覺(jué)等)的敏感程度、中樞神經(jīng)系統(tǒng)效能和效應(yīng)器(肌纖維)的興奮性，最快在100ms數(shù)量級(jí)。在人機(jī)共存的環(huán)境中，服務(wù)機(jī)器人的反應(yīng)速度可考慮在10～1000ms的范圍內(nèi)，其中最制約機(jī)器人反應(yīng)速度的因素是對(duì)應(yīng)人中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能的信息處理與綜合能力?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工智能、腦科學(xué)等相關(guān)研究的最新進(jìn)展，可以將機(jī)器人信息處理與綜合，如語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、視頻解讀、任務(wù)協(xié)調(diào)、路徑規(guī)劃等服務(wù)機(jī)器人共性技術(shù)在云端融合，使其在速度上滿(mǎn)足服務(wù)機(jī)器人的不同要求。

    另一方面，服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵是服務(wù)，服務(wù)的關(guān)鍵是服務(wù)技能。關(guān)于如何表達(dá)、進(jìn)化和優(yōu)化服務(wù)技能這個(gè)問(wèn)題，可以利用互聯(lián)網(wǎng)＋在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下取得階段性成果，建立針對(duì)具體服務(wù)機(jī)器人的服務(wù)技能加載與升級(jí)體系。

    云技術(shù)與智能家居的融合歸根到底是外部云服務(wù)器與家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)交互問(wèn)題。家庭信息中心可以在一定范圍內(nèi)支持服務(wù)機(jī)器人，是云服務(wù)器與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的通信樞紐，負(fù)責(zé)本地任務(wù)及資源的上傳及相關(guān)下載，管理和維護(hù)服務(wù)機(jī)器人本體數(shù)據(jù)以及家庭中各傳感器、智能家電等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以對(duì)服務(wù)機(jī)器人本體的各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，從而進(jìn)一步降低服務(wù)機(jī)器人本體的任務(wù)難度和硬件配置要求。因此，家庭信息中心將在面向智能家居/智慧生活的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。

高用戶(hù)體驗(yàn)度人-機(jī)器人交互技術(shù)

    用戶(hù)體驗(yàn)是一種以用戶(hù)認(rèn)可程度為標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)服務(wù)的評(píng)價(jià)方式。人-機(jī)器人交互過(guò)程中的用戶(hù)體驗(yàn)度是指用戶(hù)在與機(jī)器人交互的過(guò)程中，用戶(hù)在一定的客觀環(huán)境中對(duì)服務(wù)認(rèn)可的程度。

    人-機(jī)器人交互模式的豐富與否也是衡量服務(wù)機(jī)器人用戶(hù)體驗(yàn)度的重要指標(biāo)之一。若服務(wù)機(jī)器人的典型用戶(hù)為老人、兒童、殘疾人等無(wú)法正常自理的群體，高用戶(hù)體驗(yàn)度的人-機(jī)器人交互技術(shù)就是其成敗的關(guān)鍵。實(shí)際應(yīng)用中，人與服務(wù)機(jī)器人的交互主要包括用戶(hù)對(duì)服務(wù)機(jī)器人的主動(dòng)控制以及服務(wù)機(jī)器人與用戶(hù)之間的信息交互兩方面內(nèi)容。在用戶(hù)對(duì)服務(wù)機(jī)器人的主動(dòng)控制方面，利用基于移動(dòng)智能終端、人體腦電信號(hào)、Kinect/LeapMotion傳感器、力觸覺(jué)設(shè)備以及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等的新一代人-機(jī)器人交互模式，將確保服務(wù)機(jī)器人能夠完成各類(lèi)人群的控制和任務(wù)指令，真正成為可以理解用戶(hù)的有效幫手。在服務(wù)機(jī)器人與用戶(hù)的信息交互方面，服務(wù)機(jī)器人通過(guò)體感外設(shè)以及可穿戴傳感器等設(shè)備檢測(cè)用戶(hù)狀態(tài)，從而完成對(duì)用戶(hù)的健康狀態(tài)評(píng)估、跌倒檢測(cè)等看護(hù)功能。在基于體感外設(shè)和可穿戴傳感器的人體特征識(shí)別與定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立基于通用硬件和軟件模塊的低成本移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在家庭、社區(qū)、大型養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)等環(huán)境中的自主巡視、動(dòng)態(tài)建圖、用戶(hù)跟蹤、云端通訊等功能。

    智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端借助各類(lèi)應(yīng)用APP逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ畈豢煞指畹囊徊糠帧Ｗ鳛橐环N便攜性強(qiáng)、友好度高的交互載體，智能移動(dòng)終端將在服務(wù)機(jī)器人中扮演更加重要的角色，其在實(shí)時(shí)監(jiān)控、服務(wù)機(jī)器人控制、智能家電設(shè)備控制等方面均有典型應(yīng)用。

    在云架構(gòu)的支持下，還可以方便地利用云端資源，如使用科大訊飛等語(yǔ)音云平臺(tái)基于云技術(shù)提供的語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別以及語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě)等智能語(yǔ)音交互服務(wù)，用戶(hù)不必在本地維護(hù)龐大的語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)，因此能極大地?cái)U(kuò)展服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的能力。

人-機(jī)器人交互模式安全保障機(jī)制

    隨著人與機(jī)器人越來(lái)越多地共享工作空間，對(duì)于以“人為中心”的服務(wù)機(jī)器人而言，人-機(jī)器人交互過(guò)程中對(duì)人類(lèi)的安全保障尤為關(guān)鍵。機(jī)器人安全性是指機(jī)器人無(wú)論在正常作業(yè)還是異常情況下，都不能直接或間接對(duì)其工作空間內(nèi)的人造成傷害，其主要包括機(jī)器人主動(dòng)安全技術(shù)和機(jī)器人被動(dòng)安全技術(shù)兩個(gè)方面。

    機(jī)器人主動(dòng)安全技術(shù)即事前控制，就是在撞擊發(fā)生之前評(píng)估產(chǎn)生撞擊的嚴(yán)重性，并采取措施避免撞擊的發(fā)生。通過(guò)設(shè)計(jì)輕型機(jī)械手臂以及新型的柔順關(guān)節(jié)，并在硬件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采取主動(dòng)力順應(yīng)控制、變剛度機(jī)構(gòu)控制等方法，既可以保證機(jī)器人系統(tǒng)的性能，又可以使機(jī)器人具有友好的交互安全性。

    機(jī)器人被動(dòng)安全技術(shù)即事后控制，就是在撞擊時(shí)嚴(yán)格限制撞擊力，避免對(duì)人造成真正的傷害。通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)或者在連桿上包裹黏彈性材料來(lái)達(dá)到抑制或緩沖人機(jī)交互碰撞沖擊力的目的。開(kāi)發(fā)被動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，例如設(shè)計(jì)如圖1所示的可變形臂作為服務(wù)機(jī)器人的操作手臂，可以在保證操作手臂系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上完成安全可靠的交互任務(wù)。

    此外，多層次人機(jī)安全保障機(jī)制也同樣值得關(guān)注。安全性作為人機(jī)交互作業(yè)中必備的本質(zhì)屬性，涉及人工智能、信息融合、控制方法、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科多領(lǐng)域相關(guān)理論和技術(shù)，如何在綜合多種安全技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多層次人-機(jī)器人安全保障機(jī)制對(duì)于解決人機(jī)和諧共存問(wèn)題至關(guān)重要。在服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)中主要涉及機(jī)器人實(shí)時(shí)避碰行為優(yōu)化與控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)果預(yù)測(cè)與環(huán)境預(yù)警、環(huán)境狀態(tài)信息監(jiān)控等關(guān)鍵問(wèn)題。單一的軌跡規(guī)劃和控制方法無(wú)法完全解決人機(jī)交互的安全問(wèn)題，因此，應(yīng)與其他安全策略結(jié)合，提高人機(jī)交互的安全性能。

家庭服務(wù)機(jī)器人實(shí)例研究

    家庭服務(wù)機(jī)器人“小南”是在國(guó)家“863計(jì)劃”支持下完成的樣機(jī)，如圖2所示。本案例以“小南”為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于云架構(gòu)的家庭服務(wù)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，以及基于ROS的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于微信和語(yǔ)音云的人-機(jī)器人交互方式，驗(yàn)證了面向家庭服務(wù)的機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的可行性，也進(jìn)一步對(duì)面向服務(wù)機(jī)器人的云端融合技術(shù)以及高用戶(hù)體驗(yàn)度的人-機(jī)器人交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

    以家庭信息中心在家庭服務(wù)機(jī)器人小南系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，基于云架構(gòu)設(shè)計(jì)的家服機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)思路開(kāi)拓了全新的家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品模式。通過(guò)將云計(jì)算與機(jī)器人相結(jié)合，利用普適云基礎(chǔ)設(shè)施提供的彈性資源來(lái)克服傳統(tǒng)機(jī)器人局限性，使家庭服務(wù)機(jī)器人的大幅度瘦身成為可能。該系統(tǒng)基于機(jī)器人是一種服務(wù)(RobotasaService，RaaS)的設(shè)計(jì)思想，一方面能將機(jī)器人本地資源配置成云服務(wù)供用戶(hù)調(diào)用，另一方面也能利用云端資源為機(jī)器人服務(wù)。

    基于RaaS模式的云架構(gòu)設(shè)計(jì)的“小南”人機(jī)交互過(guò)程分為三個(gè)步驟：通過(guò)基于移動(dòng)終端客戶(hù)端的觸控交互識(shí)別用戶(hù)意圖；將用戶(hù)意圖分解為若干有先后順序關(guān)系的服務(wù)請(qǐng)求，分別調(diào)用“信息中心層”提供的WebService接口發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求；“執(zhí)行與感知層”的設(shè)備響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，返回人機(jī)交互終端響應(yīng)結(jié)果，并將交互結(jié)果通過(guò)可視化的3D虛擬仿真場(chǎng)景顯示給用戶(hù)。

    系統(tǒng)包含了四個(gè)部分，即用戶(hù)終端、云端、信息中心端和命令執(zhí)行端。用戶(hù)首先需要關(guān)注“靈杰家服機(jī)器人”微信公眾平臺(tái)賬號(hào)并對(duì)其發(fā)送交互指令，騰訊服務(wù)器將該指令發(fā)送到云端并由云端進(jìn)行文本關(guān)鍵字識(shí)別和篩選，進(jìn)一步將用戶(hù)指令發(fā)送至家庭信息中心。通過(guò)信息中心端與命令執(zhí)行端之間的特定接口功能，家庭信息中心將用戶(hù)指令發(fā)送到命令執(zhí)行端，命令執(zhí)行端則將指令執(zhí)行結(jié)果反饋至家庭信息中心，再通過(guò)文字與圖像的形式回復(fù)給用戶(hù)。

    借助語(yǔ)音云的人機(jī)對(duì)話實(shí)現(xiàn)，在云技術(shù)的支持下，系統(tǒng)以科大訊飛語(yǔ)音云平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)將本地語(yǔ)音識(shí)別與在線語(yǔ)音識(shí)別相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭服務(wù)機(jī)器人的語(yǔ)音控制。在語(yǔ)音指令識(shí)別的過(guò)程中，首先采用本地語(yǔ)音識(shí)別的方式。用戶(hù)只需在移動(dòng)終端建立滿(mǎn)足需要的字庫(kù)，并將該字庫(kù)上傳至語(yǔ)音云平臺(tái)。語(yǔ)音云平臺(tái)根據(jù)用戶(hù)上傳的字庫(kù)從語(yǔ)音庫(kù)中挑選出匹配的語(yǔ)音段組成本地語(yǔ)音庫(kù)，并下載至移動(dòng)終端。在進(jìn)行本地語(yǔ)音識(shí)別時(shí)，移動(dòng)終端通過(guò)將采集到的語(yǔ)音段與本地語(yǔ)音庫(kù)中的語(yǔ)音段進(jìn)行匹配便可以輸出語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果。若本地語(yǔ)音識(shí)別不成功，移動(dòng)終端便將采集到的語(yǔ)音段上傳至語(yǔ)音云平臺(tái)，與語(yǔ)音庫(kù)進(jìn)行匹配，并返回語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果。家庭信息中心在獲取識(shí)別結(jié)果后首先對(duì)接收到的字符串進(jìn)行解析，并通過(guò)WebService接口函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的語(yǔ)音控制。