在面向智能家居、智慧生活的服務(wù)機器人系統(tǒng)中，首先要有能夠保證實時地、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)機器人技術(shù)與系統(tǒng)，在其眾多的關(guān)鍵技術(shù)中重點探討了兩方面技術(shù)：一是面向服務(wù)機器人的云端融合技術(shù)，二是高用戶體驗度的人-機器人交互技術(shù)，并把這兩方面的技術(shù)集成在家庭服務(wù)機器人上，實現(xiàn)了基于微信和語音云的人-機器人交互方式，驗證了基于云架構(gòu)的家庭服務(wù)機器人體系結(jié)構(gòu)的可行性。

面向服務(wù)機器人的云端融合技術(shù)

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

人類的反應(yīng)速度主要取決于感受器(視、聽覺等)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。在人機共存的環(huán)境中，服務(wù)機器人的反應(yīng)速度可考慮在10～1000ms的范圍內(nèi)，其中最制約機器人反應(yīng)速度的因素是對應(yīng)人中樞神經(jīng)系統(tǒng)機能的信息處理與綜合能力。基于機器學(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，可以將機器人信息處理與綜合，如語言識別、圖像識別、視頻解讀、任務(wù)協(xié)調(diào)、路徑規(guī)劃等服務(wù)機器人共性技術(shù)在云端融合，使其在速度上滿足服務(wù)機器人的不同要求。

另一方面，服務(wù)機器人的關(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)技能這個問題，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，建立針對具體服務(wù)機器人的服務(wù)技能加載與升級體系。

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)交互問題。家庭信息中心可以在一定范圍內(nèi)支持服務(wù)機器人，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)，可以對服務(wù)機器人本體的各項任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，從而進(jìn)一步降低服務(wù)機器人本體的任務(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)機器人系統(tǒng)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。

高用戶體驗度人-機器人交互技術(shù)

用戶體驗是一種以用戶認(rèn)可程度為標(biāo)準(zhǔn)的對服務(wù)的評價方式。人-機器人交互過程中的用戶體驗度是指用戶在與機器人交互的過程中，用戶在一定的客觀環(huán)境中對服務(wù)認(rèn)可的程度。

人-機器人交互模式的豐富與否也是衡量服務(wù)機器人用戶體驗度的重要指標(biāo)之一。若服務(wù)機器人的典型用戶為老人、兒童、殘疾人等無法正常自理的群體，高用戶體驗度的人-機器人交互技術(shù)就是其成敗的關(guān)鍵。實際應(yīng)用中，人與服務(wù)機器人的交互主要包括用戶對服務(wù)機器人的主動控制以及服務(wù)機器人與用戶之間的信息交互兩方面內(nèi)容。在用戶對服務(wù)機器人的主動控制方面，利用基于移動智能終端、人體腦電信號、Kinect/LeapMotion傳感器、力觸覺設(shè)備以及虛擬現(xiàn)實設(shè)備等的新一代人-機器人交互模式，將確保服務(wù)機器人能夠完成各類人群的控制和任務(wù)指令，真正成為可以理解用戶的有效幫手。在服務(wù)機器人與用戶的信息交互方面，服務(wù)機器人通過體感外設(shè)以及可穿戴傳感器等設(shè)備檢測用戶狀態(tài)，從而完成對用戶的健康狀態(tài)評估、跌倒檢測等看護(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機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)在家庭、社區(qū)、大型養(yǎng)老服務(wù)機構(gòu)等環(huán)境中的自主巡視、動態(tài)建圖、用戶跟蹤、云端通訊等功能。

智能手機、平板電腦等移動終端借助各類應(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、友好度高的交互載體，智能移動終端將在服務(wù)機器人中扮演更加重要的角色，其在實時監(jiān)控、服務(wù)機器人控制、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音云平臺基于云技術(shù)提供的語音合成、語音識別以及語音聽寫等智能語音交互服務(wù)，用戶不必在本地維護(hù)龐大的語音識別庫，因此能極大地擴展服務(wù)機器人系統(tǒng)的能力。

人-機器人交互模式安全保障機制

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

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

機器人被動安全技術(shù)即事后控制，就是在撞擊時嚴(yán)格限制撞擊力，避免對人造成真正的傷害。通過設(shè)計機器人被動柔順結(jié)構(gòu)或者在連桿上包裹黏彈性材料來達(dá)到抑制或緩沖人機交互碰撞沖擊力的目的。開發(fā)被動機器人系統(tǒng)，例如設(shè)計如圖1所示的可變形臂作為服務(wù)機器人的操作手臂，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，多層次人機安全保障機制也同樣值得關(guān)注。安全性作為人機交互作業(yè)中必備的本質(zhì)屬性，涉及人工智能、信息融合、控制方法、機械設(shè)計等多學(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)計和實現(xiàn)多層次人-機器人安全保障機制對于解決人機和諧共存問題至關(guān)重要。在服務(wù)機器人系統(tǒng)功能實現(xiàn)中主要涉及機器人實時避碰行為優(yōu)化與控制、機器人運動結(jié)果預(yù)測與環(huán)境預(yù)警、環(huán)境狀態(tài)信息監(jiān)控等關(guān)鍵問題。單一的軌跡規(guī)劃和控制方法無法完全解決人機交互的安全問題，因此，應(yīng)與其他安全策略結(jié)合，提高人機交互的安全性能。

家庭服務(wù)機器人實例研究

家庭服務(wù)機器人“小南”是在國家“863計劃”支持下完成的樣機，如圖2所示。本案例以“小南”為實驗平臺設(shè)計了基于云架構(gòu)的家庭服務(wù)機器人體系結(jié)構(gòu)，以及基于ROS的家庭服務(wù)機器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)，實現(xiàn)了基于微信和語音云的人-機器人交互方式，驗證了面向家庭服務(wù)的機器人體系結(jié)構(gòu)的可行性，也進(jìn)一步對面向服務(wù)機器人的云端融合技術(shù)以及高用戶體驗度的人-機器人交互技術(shù)的實現(xiàn)提供了可能性。

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

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

系統(tǒng)包含了四個部分，即用戶終端、云端、信息中心端和命令執(zhí)行端。用戶首先需要關(guān)注“靈杰家服機器人”微信公眾平臺賬號并對其發(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)鍵字識別和篩選，進(jìn)一步將用戶指令發(fā)送至家庭信息中心。通過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，再通過文字與圖像的形式回復(fù)給用戶。

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

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