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    在面向智能家居、智慧生活的服務機器人系統中，首先要有能夠保證實時地、通暢地進行通訊的網絡環境。該網絡涉及家庭、社區網絡與外部云端的通信，家庭/社區內部環境中信息中心與服務機器人本體、家居傳感器系統、智能家電等設備的數據共享與管理，以及服務機器人本體與傳感器系統中內部數據的交互等方面內容。本文面向智能家居和智慧生活的服務機器人技術與系統，在其眾多的關鍵技術中重點探討了兩方面技術：一是面向服務機器人的云端融合技術，二是高用戶體驗度的人-機器人交互技術，并把這兩方面的技術集成在家庭服務機器人上，實現了基于微信和語音云的人-機器人交互方式，驗證了基于云架構的家庭服務機器人體系結構的可行性。

面向服務機器人的云端融合技術

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

    人類的反應速度主要取決于感受器(視、聽覺等)的敏感程度、中樞神經系統效能和效應器(肌纖維)的興奮性，最快在100ms數量級。在人機共存的環境中，服務機器人的反應速度可考慮在10～1000ms的范圍內，其中最制約機器人反應速度的因素是對應人中樞神經系統機能的信息處理與綜合能力。基于機器學習、深度學習、人工智能、腦科學等相關研究的最新進展，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、任務協調、路徑規劃等服務機器人共性技術在云端融合，使其在速度上滿足服務機器人的不同要求。

    另一方面，服務機器人的關鍵是服務，服務的關鍵是服務技能。關于如何表達、進化和優化服務技能這個問題，可以利用互聯網＋在大數據技術的支持下取得階段性成果，建立針對具體服務機器人的服務技能加載與升級體系。

    云技術與智能家居的融合歸根到底是外部云服務器與家庭內部網絡的連接和數據交互問題。家庭信息中心可以在一定范圍內支持服務機器人，是云服務器與內部網絡的通信樞紐，負責本地任務及資源的上傳及相關下載，管理和維護服務機器人本體數據以及家庭中各傳感器、智能家電等設備的狀態數據，可以對服務機器人本體的各項任務進行規劃，從而進一步降低服務機器人本體的任務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/智慧生活的服務機器人系統中起到承上啟下的關鍵作用。

高用戶體驗度人-機器人交互技術

    用戶體驗是一種以用戶認可程度為標準的對服務的評價方式。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境中對服務認可的程度。

    人-機器人交互模式的豐富與否也是衡量服務機器人用戶體驗度的重要指標之一。若服務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-機器人交互技術就是其成敗的關鍵。實際應用中，人與服務機器人的交互主要包括用戶對服務機器人的主動控制以及服務機器人與用戶之間的信息交互兩方面內容。在用戶對服務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、力觸覺設備以及虛擬現實設備等的新一代人-機器人交互模式，將確保服務機器人能夠完成各類人群的控制和任務指令，真正成為可以理解用戶的有效幫手。在服務機器人與用戶的信息交互方面，服務機器人通過體感外設以及可穿戴傳感器等設備檢測用戶狀態，從而完成對用戶的健康狀態評估、跌倒檢測等看護功能。在基于體感外設和可穿戴傳感器的人體特征識別與定位技術的基礎上，建立基于通用硬件和軟件模塊的低成本移動機器人系統，實現在家庭、社區、大型養老服務機構等環境中的自主巡視、動態建圖、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用APP逐漸成為了人們日常生活不可分割的一部分。作為一種便攜性強、友好度高的交互載體，智能移動終端將在服務機器人中扮演更加重要的角色，其在實時監控、服務機器人控制、智能家電設備控制等方面均有典型應用。

    在云架構的支持下，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，用戶不必在本地維護龐大的語音識別庫，因此能極大地擴展服務機器人系統的能力。

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鍵。機器人安全性是指機器人無論在正常作業還是異常情況下，都不能直接或間接對其工作空間內的人造成傷害，其主要包括機器人主動安全技術和機器人被動安全技術兩個方面。

    機器人主動安全技術即事前控制，就是在撞擊發生之前評估產生撞擊的嚴重性，并采取措施避免撞擊的發生。通過設計輕型機械手臂以及新型的柔順關節，并在硬件機構設計的基礎上采取主動力順應控制、變剛度機構控制等方法，既可以保證機器人系統的性能，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即事后控制，就是在撞擊時嚴格限制撞擊力，避免對人造成真正的傷害。通過設計機器人被動柔順結構或者在連桿上包裹黏彈性材料來達到抑制或緩沖人機交互碰撞沖擊力的目的。開發被動機器人系統，例如設計如圖1所示的可變形臂作為服務機器人的操作手臂，可以在保證操作手臂系統功能的基礎上完成安全可靠的交互任務。

    此外，多層次人機安全保障機制也同樣值得關注。安全性作為人機交互作業中必備的本質屬性，涉及人工智能、信息融合、控制方法、機械設計等多學科多領域相關理論和技術，如何在綜合多種安全技術的基礎上設計和實現多層次人-機器人安全保障機制對于解決人機和諧共存問題至關重要。在服務機器人系統功能實現中主要涉及機器人實時避碰行為優化與控制、機器人運動結果預測與環境預警、環境狀態信息監控等關鍵問題。單一的軌跡規劃和控制方法無法完全解決人機交互的安全問題，因此，應與其他安全策略結合，提高人機交互的安全性能。

家庭服務機器人實例研究

    家庭服務機器人“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”為實驗平臺設計了基于云架構的家庭服務機器人體系結構，以及基于ROS的家庭服務機器人系統軟件架構，實現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的機器人體系結構的可行性，也進一步對面向服務機器人的云端融合技術以及高用戶體驗度的人-機器人交互技術的實現提供了可能性。

    以家庭信息中心在家庭服務機器人小南系統中的應用為例，基于云架構設計的家服機器人體系結構如圖4所示，以移動互聯網思路開拓了全新的家庭服務機器人產品模式。通過將云計算與機器人相結合，利用普適云基礎設施提供的彈性資源來克服傳統機器人局限性，使家庭服務機器人的大幅度瘦身成為可能。該系統基于機器人是一種服務(RobotasaService，RaaS)的設計思想，一方面能將機器人本地資源配置成云服務供用戶調用，另一方面也能利用云端資源為機器人服務。

    基于RaaS模式的云架構設計的“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系的服務請求，分別調用“信息中心層”提供的WebService接口發起服務請求；“執行與感知層”的設備響應服務請求，返回人機交互終端響應結果，并將交互結果通過可視化的3D虛擬仿真場景顯示給用戶。

    系統包含了四個部分，即用戶終端、云端、信息中心端和命令執行端。用戶首先需要關注“靈杰家服機器人”微信公眾平臺賬號并對其發送交互指令，騰訊服務器將該指令發送到云端并由云端進行文本關鍵字識別和篩選，進一步將用戶指令發送至家庭信息中心。通過信息中心端與命令執行端之間的特定接口功能，家庭信息中心將用戶指令發送到命令執行端，命令執行端則將指令執行結果反饋至家庭信息中心，再通過文字與圖像的形式回復給用戶。

    借助語音云的人機對話實現，在云技術的支持下，系統以科大訊飛語音云平臺為基礎，通過將本地語音識別與在線語音識別相結合，實現了對家庭服務機器人的語音控制。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行匹配便可以輸出語音識別結果。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，與語音庫進行匹配，并返回語音識別結果。家庭信息中心在獲取識別結果后首先對接收到的字符串進行解析，并通過WebService接口函數調用相應的執行設備，從而實現對機器人的語音控制。