陪伴老年人的智能机器人设计研究

陪伴老年人的智能机器人设计研究

周海玉

沈阳师范大学 110000

摘要：在快节奏、高强度、瞬息万变的时代里，每个人内心深处都渴望拥有陪伴，尤其是老年人这一群体，陪伴机器人应用物联网技术、人工智能技术分析微表情语义捕捉真实情感，实现与长者交流对话，给予关怀与陪伴，提高生活幸福感。

关键词：老年人；陪伴机器人；陪伴方式；人机交互；语音交互；

Abstract:In a time of rapid pace,high-intensity and rapid change,everyone has a deep desire for companionship, especially the elderly.Companion robots use the Internet of things technology and artificial intelligence technology to analyze micro-expression semantics and capture real emotions.It enables communication and dialogue with the elderly,gives care and companionship and it can improve happiness in daily life.

Key words:the elderly;companion robots;company style;human-computer interaction; voice interaction

引言：随着人口老龄化的快速发展也迎来了养老爱老的产业热潮。据CRIC预计，2022年养老产业规模将突破9万亿元，2025年实现12万亿元。目前养老产业已进入“精准发力、多措并举”新阶段，未来行业也将迎来发展新机遇。

陪伴机器人养老，提高老年人幸福指数，实现陪伴关爱，推动陪伴机器人专项课题研究，尤其加强探索多模感知、情感计算、主动对话等相关关键技术与产品研发。如何应用科技创新考虑到老年人的生理和心理需求，特别是降低孤独感，提高社会融入感。

1. 背景概述

1.1老龄化现状

国务院关于印发《“十四五”国家老龄事业发展和养老服务体系规划》的通知明确指明，人口老龄化是人类社会发展的客观趋势，我国老龄化速度快，老年人的需求结构从生存型转向发展型，老年人的事业和产业应加快发展。不但是提供物质方面的富足，更有精神生活中的丰富。目前，融合科技与养老，服务于老年人，在针对老年人的科技创新新业态正逐步涌现。

1.2智能技术

近年来，机器人研究领域涌现出很多有价值的情感认知模型，依据自然语言处理与面部表情识别与探索，针对老年人的生理心理特征，在PAD情感空间中创新人机交互，语音交互、情绪行为等技术。

2. 智能陪伴型机器人设计

在科技创新物联网的大时代下，智能机器人深入到人们日常生活中去。研发了更多的智能产品，出现在大众的视线中。智能陪伴机器人是在人工智能技术下陪伴老年人，可以语音对话交流使得老年人倾诉分享所需的情感诉求，帮助解决老年人舒缓孤单的问题，也是根据老年人视力听力日益有所减退，希望有一款及时沟通聆听老年人生活的智能语音人机交互设计，以便更及时地关照到老年人的情绪，关爱老年人的身心健康。

2.1设计理念

基于老年人的智能陪伴机器人以主动对话输出内容的方式与老年人进行语音交流，同时，识别认知老年人的面部表情语义判断用户的情感状态，通过微表情特征分析基于情景产生情感计算，在机器人与用户的聊天交互过程中输出情感，关爱老年人的行为并做出一定的举措，比如：吃药提醒、天气播报、寻医问诊等功能。

该陪伴机器人自主感知外界，采用规范的系统需求工程方法，基于情景具有发声和处理声音的功能，与老年人并行输入输出情感，在保障私人权益下进行一对一的认证交流，呈现机器人与情感交互个性化、人性化的设计，让老年人更倾向于融入社会，收获愉悦感，丰富生活。

2.2设计框架

图1

图2

智能陪伴机器人具有神经网络和安全加密两大性能，智能机器人分为机械结构系统和机器人控制系统，其中机器人控制系统包含传感器系统，语言识别系统，图像处理系统，分别对外界感应信号进行相应的处理，如图1，图2所示。

1.机械结构系统：陪伴机器人的“身躯”是有坚硬的底座基座的，由多个机械装置组成系统，机械零件与构件，通过对各个子系统的相互联系完成特定功能。机械系统主要包含三大部分，即传动系统，执行系统，驱动系统，在通过对各部分进行修改协调后空间综合布局，在初始布局完成后，对照设计流程进行详细设计，进行调整修改后完成设备的总体布局设计。采用金属和仿人制外观，控制各种驱动结构、外部传动装置，可完成控制下预先规定的动作,传递功效与运动的信息，在空间中活动。

2.机器人控制系统：机器人所有的活动包括机械活动在内，都要在智能系统的控制下,包括神经网络技术、模糊控制技术、拟人智能控制技术等集为一体，与传统控制技术有效结合，通过各类传感器,结合数据库自主判断周围环境作出响应。唤醒响应也需要各类控制相结合，如:传感器,听觉,视觉,触觉等最终实现智能机器人的各项功能。

3.传感器系统：智能机器人需要庞大的传感器系统，根据计算机指令完成一系列的指令动作。传感器系统相当于人体的感官和神经，主要完成信号的输入与反馈，包括内部传感系统连接计算机传输数据，外部传感系统主要有:视觉传感器(对外界人脸面部图像等信息的识别),听觉传感器(识别外界人语音语义等声音信号) ,触觉传感器等,传感器之间相互合作，对老年人的情绪反应做出判断。

4.语音识别处理系统：应用语音交互技术，让机器人具有人一样“能听会说、自然交互、语境识别、有问必答”的交流沟通的能力，其涉及自然语言处理、语义分析和理解、知识构建和自我学习能力、大数据处理和挖掘等前沿技术领域。语音交互过程包括四部分:语音采集、语音识别(ASR)、自然语言处理(NLP)和语音合成(TTS)。语音采集完成音频的录入、采样及编码;语音识别完成语音信息到机器可识别的文本信息的转化；自然语言处理根据语音识别转换后的文本字符或命令完成相应的操作；语音合成则完成文本信息到声音信息的转换，期望达到人与人之间的自然、开放式对话。

5.面部表情处理系统：面部表情主要通过面部肌肉和腺体的变化来直接间接地反应人们大的情感，成为判断揭露人内心心理变化的重要途径。基于语义的面部表情识别，提取理解上下文语义特征，在视觉角度上，采用CNN算法提取微表情细粒度特征，并将注意力模型引入时空上下文认知模块，获得微表情语义特征，同时利用稀疏编码算法实现特征的稀疏化。在老年人的PAD空间情感模型中，更好地捕捉到与情感识别强相关的特征，为认知探测老年人的微表情情感做出准确的数据支撑，映射有交流陪伴的重要。

6.神经网络：神经网络相当于人的神经元，贯穿于机体连接整个机体形成网络结构。由于陪伴机器人对机器人的各方面要求比较高,需要机器人在接受信息后迅速做出反应,所以需要互联网神经系统支撑，识别环境状态在线吸取知识，进行实时学习和动态调整，快而高效地对信息分析处理,情感计算，提高容错率。

7.安全加密：数据加密技术是在密码学的基础上发展起来的，其主要作用就是保证计算机网络系统中数据信息的安全。为了保证用户的安全性，产品编号有且仅有一把密钥提供给用户，不断建立强大的安全墙，以保障信息安全加密。保证在使用期间，用户以防信息数据被不法分子窃取，有效保护网络信息的安全。

2.3设计页面

由于是老年人的使用，设计使用页面更应偏向于操作的简单与舒适程度，将陪伴机器人的面部作为人机交互的界面，设计如图3所示，采用莫兰迪蓝色调以及留白造就舒缓雅致、平和自然，使产品更具亲切感。界面内容包括：设置和提示语音铃声，图像视频交互页面和语音交流页面。

图3

2.4体验评估

图4

2.4.1 产品内测

上线前的评估主要是对机器人开发技术的评估，产品研发流程，市场规模与格局，客户人群，理解它的产品定位，确定开发量和开发难度和开发周期，对标竞品等等根据各方面的要求所研究。开展市场调研，分放调查问卷，评测市面对产品的期望属性。实验招募愿意使用陪伴机器人的老年人，考虑到老年人的科技接受度和情感特征，通过实验特征验证产品优劣势，进行归纳与改进机器人功能。通过多次筛选和讨论修正，最终制定出陪伴老年人的智能机器人。

2.4.2 产品外测

上线后的评估则是对机器人的使用率，对话结果准确率，纠错智能处理能力，智能交互响应时间，功能异常率，用户的使用体验评分进行测评，及时更新数据个性化，体现陪伴机器人的价值需求。为满足用户的语音交流需求，娱乐功能需求，对测试数据进行分析得出相关结论，从而达到产品的评估，拓宽该设计产品的价值空间。从被动接受产品服务价值到主动参与创造产品服务价值等享受体验。图4所示为体验评估思路。

3. 机器的情感认知智能计算

越来越多的机器人辅助人们调度应用于生活中，在人机交互中建立博弈情感模型参与人和机器的互动交流当中去，在每一轮的人机交互中生成情感模型，得以输出情感评估和参与人的交互输入模型形成机器人的最优情感回应策略。在此过程中主要为矩阵计算，设置复杂度，分别有时间复杂度、面部表情复杂度、语义复杂度等以及情景空间。在一定时间范围下，机器人情感状态的变化规律可以通过追踪情感空间中的状态位置来判断分析参与人，情感状态所在区间值与情感移动转移概率值所在区间。逻辑适配器可以对当前的外界信息进行智能匹配，先选择置信度最高的n个答案作为候选答案集合，其次再判断语音语义、面部表情信息是否存在情感，有怎样的情感，绘制情感波动。如果存在则依据博弈情感模型所反馈的情感对应候选答案集合中进行排序，取最优解作为输出的对话应答；如果不存在，则选择置信度最高的答案作为输出值，回应参与人。考虑模拟人际交往过程中的“同理心”，设计指导带有情感机器人的工作状态，改变机器对外界刺激的认知和人们对机器人的认知，增强机器表达情感的自然性。

4. 总结与展望

针对空巢老人现象进行更加深层次的剖析，优化现有的互动陪伴模式。在现今5G人工智能时代，机器人的存在将成为人类生活中的一部分，老龄化设计也是人工智能与设计领域研究的重要方向之一，让智能化时代深入养老服务中，使老年人的生活更健康、更便利、更友爱、更尊严。人机互动于更具有意义，更具有情感，使“钢铁”变得有温度。在未来陪伴型机器人也会大量涌入人们的生活，帮助人们在精神上排解苦恼、在生活上帮助提醒、在心灵上给予陪伴。对于社会群体来说有着较大的利处，特别是老年人群体，空巢老人的逐年增长是的养老成为子女和社会关注的焦点，本款陪伴式机器人能够成为家中的小助手，老人的“心朋友”，让老人走出孤独，拥抱生活。

参考文献：

1. 刘欣.基于表情认知的服务机器人情感计算研究[D].北京：北京科技大学，2014：12-17

2. 黄宏程，刘宁，胡敏，陶洋，寇兰.基于博弈的机器人认知情感交互模型[J].包装工程，2021,42(6):(53-61)

3. 肖克聪，具有情绪识别能力的智能聊天机器人的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2017：3-15

4. 贾国忠.面向老年人的智能音箱语音交互设计研究[D].广东：华南理工大学，2018-4

5. 许惠婧(通讯作者)，吴倩，王小妮.面向独居女性的智能陪伴机器人的服务设计研究[J].工业设计，2021：117-118

6. 王攀凯.针对老年人陪伴机器人的语音交互设计研究[D].北京：北京邮电大学，2019：3-10

7. 韩晶.基于微表情语义认知的情感交互研究[D].北京：北京科技大学，2019：12-12

8. 张日.基于模糊层次分析法的人机交流氛围场建模及其在人机交互系统中的应用[D].武汉：中国地质大学，2018：5

9. CRIC数据

作者简介：周海玉，女，辽宁鞍山人，沈阳师范大学软件学院在读本科生，研究方向：嵌入式系统设计以及物联网应用；

课题项目:2021年沈阳师范大学大学生创新创业训练计划项目校级项目（项目编号:X202110166359）