2021年9月11日

博物馆导览机器人人机交互系统的设计与实现

作者 讲解员

当前,随着科技进步和公共服务体系的完善,机器人技术、信息技术、通信技术和人工智能得到了进一步整合。机器人迎来了一个崭新的智慧时代。我国服务型机器人快速发展,博物馆导览机器人作为服务型机器人的一种,可以替代人工提供讲解、对话、展示等服务,良好的人机交互系统,有助于带给用户更好的体验,最大程度的替代人工,为游人提供服务。

如今,伴随着计算机、通信、网络技术的快速发展,科学技术飞速进步,极大地推动了整个社会的跨越式发展。对经济、社会、生活的各个角落都产生了较大的影响和变革,公共服务领域也在科技发展的影响下,观念和服务水平不断进步。作为科学技术发展的典型代表,机器人技术代表着信息、通信、人工智能技术的融合,是技术含量极其高的一种产品。伴随着科学技术的发展,机器人技术也呈现出三个明显的趋势。

第一个主要趋势是逐渐从传统的工业控制器转变为人工智能技术为核心,例如数据挖掘、深度学习等技术;第二个趋势是机器人更广泛地应用到了社会的不同方面,例如工业生产、商业服务、家庭服务、个人应用等领域;第三个趋势是机器人的智能化水平提升很快,逐渐打破了机器人和操作用户之间的独立关系,二者开始互相协作,并产生互动,智力水平逐渐提升。正是在这三个主要趋势的背景下,以机器人服务为驱动的各个领域应用逐渐发展起来。

按照机器人系统的服务领域和对象,智能化机器人一般可以分为三种类型,分别为工业领域机器人、生活领域服务机器人以及其他领域的专业化机器人。其中服务性机器人主要服务于人类,为人类的经济和生活提供便利。服务机器人的快速发展和应用与该领域的日益增大的需求相关的。

从发展现状上看,我国服务型机器人正在快速发展,短期来看服务型机器人使用场景的选取至关重要,不同应用场景对机器人的需求不同,机器人的工程设计上也不相同。从应用场景上来看,博物馆导览机器人是服务型机器人的一种,可以替代人工提供讲解、对话、展示等的服务,良好的人机交互系统, 有助于带给用户更加好的体验,最大程度的替代人工,为游客提供服务。综上,本论文着眼于为博物馆提供更好的个性化服务,设计并研究博物馆导览机器人,以博物馆为使用场景,研究面向博物馆导览功能的人机交互系统,实现博物馆导览过程中的服务功能,从而提升博物馆的吸引力与服务水平。

本部分从国内外两个角度论述了智能服务机器人的研究趋势。国外智能服务机器人的发展要远远早于国内,为国内智能服务机器人的快速发展提供了诸多技术、经验、思路。国内的发展起步虽晚,但是借助人工智能时代的诸多技术,也取得了可贵的成绩。

国外关于服务型机器人的研究起源于1950年代。主要研究内容为服务型机器人的系统设计和开发。典型的产品为移动服务机器人Shakey,作为服务型机器人的首创产品,对该机器人的研究主要集中在各种应用环境下的实时控制,以及机器人在不同环境下体现出的性能。同时,通过设计机器人实验平台并开展实验, Kahtib 等研究人员研究 并建立了位置定位导航和协同作业的概念。限于技术条件和水平,当时很难达到理想 的定位于导航效果。系统的稳定性也不高。伴随着传感器、路径规划算法等技术的发展, 服务型机器人的稳定性逐渐增强。 从目前服务型机器人的应用现状来看,当前西方以及日本等发达国家已经得到了一 定程度的成熟应用。在邻国日本,服务型机器人的发展方向是人形机器人,旨在通过 机器人服务老龄化人群。在美国,机器人研究水平非常高。在很多领域推出了性能优越 的机器人系统,例如应用在全地形物资运输的机器人 Big Dog等。在德国,服务型 机器人已经成为了科研领域的重要研究方向。典型的成果包括游览服务机器人 Rhino、 家政服务机器人 Hermes、商用服务机器人 Shrobbot。总之,随着应用需求的不断扩大,服务型机器人开始走向人们生活的各个领域,并且技术水平不断发展。

与上述比较发达的西方国家相比,我国在机器人研制技术以及机器人服务水平上, 起步较晚,还存在一定的差距。近年来,国家开始逐步地在该领域加大了扶持力度,在 整体规划和资金支持上,均对该领域有较大地扶持,目前,服务型机器人已经成为了国 家技术研究的核心领域。从国内外的技术研究水平来看,目前国外在该领域的优势 主要体现在对于机器人控制方法领域。瞄准这些问题,国内将工业设备的控制制造与服 务型机器人研究相结合,推出了一系列的应用产品。

典型的如下: 网络公司360推出了儿童陪伴机器人,实现了照片拍摄、唱歌、教育等功能;能够进行舞蹈展示的Alphal 机器人;哈尔滨工业大学研制的面向老年人的服务型机器人、上海交通大学面向世博会研制的“交龙”导览型机器人等。除此之外,在银行、机场等应用环境下,也已经逐步应用了服务型机器人,有效的提升了服务质量。总体来看,目前我国国内的服务型机器人以轮式为主,直立行走机器人的研究比较 落后。机器人研究的主要操作系统为开源系统 ROS。在该操作系统框架下,许多研究者进行了面向机器人的技术开发。从服务型机器人的发展来看,ROS 开源框架仍然是该领域研发的主要技术平台。

随着当前科学技术水平的提升,服务单位开始将智能化、自动化的技术应用到产品服务中。对于博物馆而言,主要承担着对珍贵的展览品的展示以及相应的服务功能。博物馆等场馆研发服务机器人,首先能够在一定程度上提高博物馆的服务能力,降低传统服务形式带来的人力和财力消耗。其次,还能够提高博物馆场馆服务的吸引力。对于博物馆导览机器人而言,总体上需要对博物馆和展品的“导览”功能,具体可以划分为三个主要工作,分别为与游客互动、对展品和博物馆及进行讲解、导引游客到目的地,从而部分取代场馆服务人员的功能。因此,设计面向博物馆的应用导览机器人,主要目标是为了保证服务机器人能够在博物馆环境中完成对博物馆展馆的介绍与智能引导工作。

提升博物馆的智能 化水平,具体需要完成以下功能:(1)导览系统需要具备基于移动式触摸屏的人机交互功能。人机交互的主要目标是获取博物馆相关信息,并享受相关服务。该交互系统需要具备触摸屏系统界面,为完成人机交互提供平台,便于游客对信息进行查询、导航以及工作人员进行系统控制。(2)完成系统和游客的语音交互。在工作过程中,当游客提出相关疑问时候, 交互系统需要具备与游客进行交互的功能。完成对简单问题的回答。(3)完成对展品讲解的功能。导览机器人需要具备对展品详细信息进行语音讲解的能力。代替导游对展品的讲解功能。(4)提供人脸识别功能。导览机器人需要具备对人脸进行检测和识别的能力, 从而提高系统的安全性,避免出现人员对机器人的恶意控制。提升系统的可靠性以及安全性。(5)机器人需要具备展位和展品的导航功能。访问用户能够通过人机交互系统,快捷地定位到需要访问的展位和展品,并且机器人可以规划出最优的路线,导引游客准确地到达目的位置。(6)系统具有博物馆、展品展位基本信息的存储和查询功能,并且提供用户的注册和权限管理功能。

对于所研究的博物馆导览机器人交互系统而言,软件系统的主体单位是博物馆,设计并实现导览机器人具有一定的可行性,具体分析如下:(1)经济可行性。首先从资金上分析,博物馆导览机器人的开发和运行能够提升博物馆的科技服务水平,降低服务、导览过程中的人工投入,提升博物馆的知 名度和对于游客的吸引力,创造一定的经济效益。(2)技术可行性。当前,对于服务型机器人的开发已经具有成熟的技术框架,硬件设备已经很成熟,并且ROS系统已经为机器人系统的运行提供了成熟的接口。与此同时,人脸识别和路径规划等算法已经很稳定成熟,为系统的研发奠定了技术基础。这些成熟的技术已经通过API的方式为系统的研发提供了接口服务。与此同时,系统Web 端的研发需要采用 JSP 编程语言、SSM 技术架构,这些技术和平 台均属于当前可靠稳定的技术,整体的架构具有技术上的可行性。(3)操作可行性。当前,局域网与广域网技术已经比较成熟,并且目前而言,博物馆等单位的网络信息化架构已经稳定,这给本系统的运行提供了网络架构基础。与此同时,本系统的操作、访问十分便捷,对于博物馆工作人员以及游客等用 户而言,能够很快的接受并熟练,因此,具有操作方面的可行性。

 

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