助老補助機器人綜合應用展示平臺的構建與應用

全面科技養老是為老年人創造一個智能空間，讓老年人更容易生活。例如，自動提示老年人起床，設置窗明和燈自動開關，移動自動駕駛活動和輔助機器人。在移動系統上，移動傳感器被安裝在身體狀態監控系統中，并且可以動態跟蹤和自動報警。助老助殘機器人綜合應用展示平臺從老年人生活服務、醫療保健、交流學習、安全監護四個方面的需求出發,充分考慮老人的生理與心理特點,創造適合老人居住的舒適、便利、安全、健康的居住環境,盡可能地提高其生活自理能力與生活質量,減輕家庭和社會的負擔。1.“生活自理能力”的城市老年人的分類2011年國家統計局數字顯示:全國60歲及以上老年人口已達1.8499億,占總人口的比重達13.7%,與2010年第六次全國人口普查相比,上升了0.4個百分點。全國65歲及以上老年人口達1.2288億,占總人口的比重達9.1%,與2010年第六次全國人口普查相比,上升了0.23個百分點。由此可以看出,我國老齡化現象已經十分嚴重,老人的照料和護理問題也隨之而來,亟待社會解決。為了更好地通過科技手段滿足老年人的需求,實現對老年人的生活照料和護理,需要對老年人進行分類,以明確各類老人的基本需求。按照國際通行標準分析,吃飯、穿衣、上下床、上廁所、室內走動、洗澡6項指標,一到兩項“做不了”的,定義為“輕度失能”,三到四項“做不了”的定義為“中度失能”,五到六項“做不了”的定義為“重度失能”。參考此標準,現有的老年人根據其自理能力的情況可以分為三類:第一類是完全能自理的老人,也可叫做休閑老人。這類老人通常指通過直接觀察或者生活自理能力評估,屬于“生活自理能力正常”、日常生活無需他人照顧的老人。第二類是介助老人,相當于部分自理的老人,這類老人通過觀察或生活自理能力評估,屬于“生活自理能力輕度和/或中度失能”、日常活動需要他人部分具體幫助或指導的老人。這類老人常借助扶手、拐杖、輪椅和升降設施等生活。第三類是介護老人,相當于完全不能自理的老人,這類老人通過觀察或生活自理能力評估,屬于“生活自理能力重度失能”、全部日常生活需要他人代為操持的老人。不同類型的老人的需求有所差異。全自理老人主要需求是安全監護、醫療保健和精神慰藉;介助老人主要需求是出行、用餐、使用衛浴空間、安全監護、康復訓練、醫療保健、精神慰藉和其他生活輔助;介護老人主要需求是如廁、防止壓瘡、用餐、清潔和安全監護。通過對不同類型的老人的生活需求分析可知,老年人的需求主要分為生活服務、醫療保健、交流學習、安全監護四個方面,其中生活服務主要是針對生活不便、自理力弱的老人提供基本的生活服務;醫療保健主要是為老人提供健康指導和康復訓練;交流學習主要是為老人提供精神陪護和心理關懷;安全監護則是為老人提供安全監護和應急處理。因此助老助殘機器人綜合應用展示平臺應從老年人生活服務、醫療保健、交流學習、安全監護四個方面的需求出發,充分考慮老年人的生理與心理特點,創造適合老年人居住的舒適、便利、安全、健康的居住環境,并結合藝術設計、人機工程等因素進行助老助殘機器人綜合展示平臺總體方案設計,解決各個類型的老年人日常生活中的各種問題,滿足他們的各種需要,盡可能地提高他們的生活自理能力,提高老年人的生活質量,減輕家庭和社會的負擔。2.器人綜合展示平臺北京航空航天大學、清華大學、復旦大學、中國科學院自動化所、東南大學、哈爾濱工程大學、華中科技大學、國家康復輔具研究中心等高校和研究院所具有良好的科研資源、平臺以及科研能力,吉林大學具有良好的藝術設計和人機工程方面的優勢,北京市海淀區四季青鎮敬老院和上海市第一社會福利院有良好助老助殘機器人綜合應用展示平臺的使用環境和條件,將他們各自的優勢行之有效的結合在一起,對助老助殘機器人綜合應用展示平臺的研發有著積極的促進作用,能極大地提高平臺的示范應用效果。助老助殘機器人綜合展示平臺主要是對敬老院/福利院的監控中心、老人居室、康體中心、室外智能環境進行了改造或重新構建,使老人居室具有護理陪護、智能空間、學習娛樂、遠程通信的功能;康體中心具有肢體訓練、康復治療、中醫按摩、視頻監控的功能;室外智能環境具有視頻監控、無線傳感、動態定位、無線通信的功能。老人生活在一個智能空間中,可以對居室內的智能家電、陪護機器人等裝備進行方便的集中控制,如到達老人的起床時間,會自動提示,窗簾和燈光自動打開,自動播放喜歡的音樂,看看新聞節目,必要時可以借助陪護機器人,心情愉快地開始一天的生活。白天可以外出活動,需要的話可以使用助行系統出行,如到康體中心進行一些有益的健康訓練和按摩,解除病痛或改善身體機能,獲得健康服務?？梢缘绞彝馍⒉?聊天和下棋,身上佩戴有無線移動傳感器,進行身體生理狀態的監護,網絡化的監護環境可以實現動態定位和自動報警,還有視頻和聲音協同進行監護功能,所有信息返回到監護中心;監護中心進行各種信息的匯集、分析和處理,進行各系統的總體協調。還可以進行歷史數據的查詢、分析和統計。意外情況可以及時通知醫務室或者社區醫院,進行應急救援。老人可以通過集中控制,清潔地板、看喜歡的電視節目,使用視頻電話與家人朋友通話。老人休息后,陪護機器人和監護系統還在繼續工作,監護老人的身體狀況,通過聲音監護系統監控老人身體掉落報警。經過各個院校和敬老院/福利院的共同努力,成功建立了依托北京市海淀區四季青鎮敬老院和上海市第一社會福利院的國內第一個助老助殘機器人產品綜合應用展示平臺,集中展示7個課題的助老/助殘機器人高技術成果和產品。3.助老精神機器人綜合展示平臺助老助殘機器人綜合展示平臺是以北京市海淀區四季青鎮敬老院和上海市第一社會福利院為基礎,對其環境進行部分改造,并將相關的助老助殘機器人和設備集成、安裝調試,并進行示范應用。助老助殘機器人綜合展示平臺主要設計研制了床椅一體化機器人、智能居室系統、老人身體狀況與安全實時監控系統、康復訓練機器人、陪護機器人等。針對老年人的特殊需求,將助老助殘機器人綜合展示平臺分為生活服務、醫療保健、交互學習、安全監控四大功能模塊。3.1床常見的床水質智能護理床生活服務模塊主要是有兩部分組成,第一部分是床椅一體化機器人,第二部分是智能居室系統。這兩部分能極大地滿足老人大部分的生活需求。床椅一體化機器人針對臥床老人或腿部不便人士的自理生活需求,利用模塊化機構構型設計、床椅的分離等多模式人機交互技術,是一套可變形的多功能床椅一體化系統。該系統具有抬背、曲腿的多功能護理床的基本功能;具有床椅互換、自動分離與對接的功能,同時扶手系統采用可旋轉功能,可以在輪椅狀態時提供支撐及控制功能,解決了在床和移動器具之間自理轉移的難題;具有大小便處理功能:在座椅下部設置電動的大小便升降機構,輕松解決臥床人士如廁的問題;具有網絡信息交互系統:實現吃藥提醒、遠程視頻交流以及生理參數監控檢測功能。該床椅一體化系統集多功能護理床、智能電動輪椅、大小便處理裝置和信息系統于一體,可大大減輕護理人員的負擔,同時還擴大了被護理者的活動范圍和獨立生活能力。圍繞智能居室系統構建問題,科研人員對其體系結構與設計進行了全方位的研究。首先從藝術設計學和人機工程學的角度,根據老人的喜好,改造現有的老人居室環境,具有很好的舒適度。再根據實際的居室環境,建立居室內的無線傳感網絡和高速信息網,設置一定數量的人工標志,提供智能居室的網絡服務和生活輔助服務,實現智能居室系統簡單易操作及智能服務,從而構建起智能居室系統。根據智能居室的任務需要及功能設計的要求,將該系統分為6個子系統:智能照明子系統、智能窗簾子系統、智能影音子系統、智能環境控制子系統、智能安全保護子系統、智能控制子系統。3.2網絡化智能監控系統的構成針對體質差、行動不便的老年人,以提供身體參數檢測和安全監護為目標,研究敬老院/福利院中老人身體狀況與安全實時監控技術,完成對老人生理參數的檢測和監控、檢測信息融合及生理參數危險估計、人員定位、無線數據通信等功能。在敬老院/福利院的室內居室、走廊以及室外環境構建符合IEEE802.15.4標準的無線傳感器網絡和局域網。利用ZigBee技術的無線傳感器網絡采用對等的拓撲網絡結構,實現多跳組網,保證網絡的結構靈活、通信的穩定快速。路由節點與網關無線基站系統通過無線方式實現數據傳輸?；鞠到y通過局域網絡形成高速網絡與監控中心相連。整個系統充分利用光纖環網資源,將智能聲音傳感監控集成其中,通過聲音信號實現對特殊環境的監控。老人身體狀況與安全實時監控系統包含多種類型的節點,如定位節點、跌倒檢測節點、生理參數檢測節點等。定位節點基于RSSI技術實現了較高精度的定位效果。跌倒檢測節點和生理參數檢測節點除了具有上述定位功能外,還具有其他的傳感器信息,其中跌倒檢測節點提供跌倒檢測信息和手動求助報警功能,生理參數檢測節點提供檢測老人體溫、血壓、心率等生理參數的功能。所有節點均基于人體工程學原理,進行機構優化設計、材料的輕型化選型,實現裝置的便攜性和易用性。網絡化智能監控系統將全面網絡化監控的理念引入敬老院助老助殘環境中,實現了集視頻監控、機器監控、人員定位、生理監測、設備管理等功能于一身的、安全可行的集成監控,并可以將數據接入互聯網,實現信息更加廣泛的共享。這樣,監控人員在監控室中就可以獲得比傳統視頻監控系統更加豐富的信息,并且方便地進行信息關聯,從而實現對人員進行更好的監護和服務。3.3關鍵技術攻關及應用由東南大學、華中科技大學、中國科學院合肥智能機械研究所等共同進行網絡化多個老人/殘障者遠程肢體康復訓練機器人的設計研發,主要完成網絡化多患者遠程康復訓練機器人的多種異構式本體機構設計、安全型流變式無源電機設計、康復訓練生理信息檢測、遠程測控、多通道信息雙向傳輸等關鍵技術研究;研制成功網絡化多患者遠程肢體(上、下肢)康復訓練機器人產品樣機,并構建臨床應用示范系統,實現產品的臨床實驗和示范應用。由哈爾濱工程大學研制的多功能助行康復機器人,突破了助行康復機器人關鍵技術,實現輔助行走、輔助起坐、自主移動和下肢康復訓練功能,滿足在敬老院/福利院示范應用要求;適用于腰部和手臂力量較差的體弱老年人助行和康復訓練,滿足其日常生活需求和輔助康復治療。由山東康泰實業有限公司和山東建筑大學合作研發的中醫按摩機器人,成功集多種按摩手法,實現了10種典型中醫按摩手法操作,可利用視覺技術實現對穴位位置的判定和對患者身體的跟蹤,并根據實時監測的生理信號(心跳、血壓等)和按摩力大小,調整按摩頻率、幅度、速度,從而保障患者安全。3.4高端慕護機器人由北京凱藝玩具有限責任公司、清華大學、北京航空航天大學、大連交通大學、哈爾濱工程大學、沈陽新松機器人自動化股份有限公司等合作研發的陪護機器人是實現老年人交流學習的一種十分有效的手段。助老助殘機器人綜合應用展示平臺上示范應用的適合老人需求的陪護機器人分為中端陪護機器人和多功能高端陪護機器人兩種。適合老年人需求的中端陪護機器人選用符合老年人心理的仿真寵物外觀造型,實現逼真的動物仿生造型和動作表現,與真實動物之間具有高度仿真相似;采用基于欠驅動結構的仿生關節,實現低成本的機器人控制模塊、語音交互模塊、觸覺感知模塊、運動模塊、通信和信息交互模塊;具有豐富的人性化語音交互內容、多種娛樂形式、日常生活提醒等功能,能夠通過USB通信接口連接到用戶電腦,對機器人進行內容更新。多功能高端陪護機器人具有高仿真度的人形外觀,能夠實現簡單的位置移動,在敬老院的公共區域與眾多老人進行語音交互,具有基于語音的說話人身份識別能力,并可為老人提供血壓、脈搏、體溫等生理狀態的檢測與報告,為不同老人建立數據庫檔案,了解和學習老人的身體狀況和心理需求,進而根據不同老人的情況提供個性化服務;構建界面友好的高端陪護機器人遠程網絡交互控制平臺,老人可通過網絡與家人或朋友進行音視頻情感交流,減輕內心孤獨感覺;敬老院醫療中心的醫生通過陪護機器人可與老人進行音視頻交互、老人生理參數的無線傳輸,并提供醫療咨詢與幫助,緊急情況下可及時報警或通知親人。4.應用展示平臺的策略助老助殘機器人綜合應用展示平臺已經在北京市海淀區四季青鎮敬老院和上海市第