安全防护者

1 引 言

在我国积极应对人口老龄化挑战 力提 量的战略 构建完善的养老服务体系已成为保障民生福祉的关键举措。 对人口老龄化中长期规划》、《关于进一步促进养老服务消费 国务院关于深化养老服务改革发展的意见》等重要政策文 ，核心在于健全以居家为基础、社区为依托、机构为补充、医养 照护服务，积极发展智慧养老新业态，并着力拓宽养老服务渠道， 全 行动指南和政策框架。

在这样的背景条件下，设计一款养老机器人是非常必要的，既符合国家的发展要求，又解决“谁来养老，如何养老”这一问题，养老机器人的出现，不只是解决年轻人的养老负担，又体现了科技服务于人民这一观念，还能提高人民的生活质量。养老机器人能让老年人在熟悉的环境中获得更精准、更及时的支持，既保留生活的自主性，又能感受到持续的关怀。从满足基本的生活照料需求，到兼顾情感陪伴与健康管理，养老机器人正在重新定义科技与养老的关系，为老龄化社会注入温暖而高效的科技温度。

养老机器人不仅可以服务于个人，还可以服务于医院，养老院，这样解决了这些场所人力不足的问题，又帮助了护理人员，减轻他们的工作强度。随着老龄群体的日益增加，难以满足老人们多样化的养老需求，在这种背景下，养老机器人应运而生，成为了解决养老困境的新希望。

2 系统设计与实现

2.1 独居老人多维监护机器人的控制系统

控制系统分为底盘控制与总体控制两大部分，基本构件为主板树莓派 CM4 和副板 STM32F103 两个单片机，两者分工明确又协同配合，确保机器人各项功能有序运行，不会出现混乱情况。

底座采用铝合金材料制作，这种材料既轻便又坚固，能很好地支撑机器人的整体结构。底座搭配 4 个轮子，可实现全方位无限制行走，自身重量不大，方便机器人移动，同时能很好地支撑机器人的整体结构，承受各部件的重量。无论是向前向后，还是左右转向，都能灵活完成，方便机器人在居家环境中灵活移动，适应不同房间的布局。这部分的运动控制由 32 单片机负责，它能精准调控轮子的转速和转向，让机器人根据需求自由穿梭在房间各个角落，顺利到达老人身边或指定位置。

机械手臂以及显示屏的控制连接则采用树莓派单片机。树莓派性能较强，处理数据的速度更快，能处理更复杂的指令，满足机械手臂精细操作和显示屏信息显示的需求，让机械臂做出精准的动作，让显示屏清晰展示各类信息。主板与副板之间主要通过 TCP 协议进行通信连接，这种连接方式稳定可靠，传输数据时不容易出现丢失或错误，能保证数据高效传输。树莓派 CM4 在控制机械手臂、显示屏等其他模块的同时，也能对STM32F103 进行控制，实现了整个系统的统一调度和协同工作，让机器人成为一个有机的整体。

2.2 独居老人多维监护机器人的运动系统

由底盘驱动硬件系统和机械手臂作为主要构件，两者相互配合，分别负责机器人的移动和操作功能，共同满足居家场景中的多种需求。

阿克曼铝合金底盘在保证结构强度的同时兼顾了轻量化特点，日常使用中不易损坏，也方便移动。搭配高扭矩电机以及四驱麦轮，能够提供充足的动力支持，让机器人在不同地面都能顺利移动。这套底盘创新性地结合了运动学上的麦克纳姆轮和阿克曼结构优势，再加上 PID 算法的精准调节，能有效保持小车行驶时的平衡状态，即使在不平整的地面也能稳定移动，不会轻易晃动或倾倒。整个底盘的移动、转向等动作都通过 STM32单片机实现全方位控制，响应及时且操作精准，能按照指令准确到达指定位置。

机械手采用 3D 打印技术制作而 材质轻便且适合居家环境使用，不会占用太多空间，也不会对家具造成磕碰。它由 6 个舵机作为动 展模块板连接，实现对各个关节的灵活控制，能做出多种不同的动 作记录与复现，方便根据实际需求调整操作。在现实应用场景 等；借助传感手套记录的动作数据，再加上仿人体肘关节设计的 作既具备拧瓶盖等精细动作的精度，又能拥有推动较轻障碍物所需的力量，充分满足居家使用的各种需求

2.3 独居老人多维监护机器人的显示与识别系统

主要搭配一块可良好连接树莓派的 触摸式 莓派专用的可触摸式屏幕，大小为7 寸，这种屏幕不仅适配性强，还能 以清晰显示树莓派内置系统的桌面，包括实时天气、日程安排等 模样，实现视频通话功能。依托树莓派的联网功能，下载合适 清晰显示出子女的影像，摄像头同步传输老人的画面，再加 让老 人和子女仿佛面对面交流，有效增强了他们之间的情感联系，很大程度上缓解了老人的孤独感

配备 4K 摄像头和计算机视觉算法，这套组合让机器人具备了强大的识别能力。它能精准识别老人摔倒的姿势，一旦发现异常能迅速做出响应；还能实时检测行走路线上的障碍物，例如地面散落的杂物；同时，窗户开关状态、煤气阀门是否关闭以及室内烟雾情况，都能被准确识别。此外，系统还具备智能跟踪老人的能力，特别是当老人进行弯腰、转身等大幅度动作，或者进入容易发生危险的区域时，机器人能灵活调整位置，时刻跟随在老人的身旁，持续保障老人的安全。

2.4 独居老人多维监护机器人的语音交互系统

小功能语音板采用ASR PRO2.0 4M 板子，这款板子性能稳定，支持 10 米范围内的远距离唤醒，即使老人轻声呼唤也能被准确识别，语音识别率能达到 78% 以上，减少了误唤醒或识别错误的情况。它自带外放音响和语音交互模块，外放音响音质清晰，音量可调节，既能实现与老人自然的语音互动，回应老人的提问或指令，也能进行声音外放，播放新闻、戏曲等内容，满足日常使用中的音频需求。

采用 4k 摄像头连接树莓派，结合人工智能相关的计算机视觉算法，让系统具备了可靠的计算机视觉技术能力。它能够敏锐探测到阻碍行走的物品，如散落的物品等，进行实时检测并及时提醒老人注意；同时支持视频通话功能，方便老人与子女远程沟通，也能精准识别老人摔倒姿势，在紧急情况时发挥作用，是远程联系子女的主要功能构件。屏幕会清晰显示天气信息并直观提醒老人增减衣物，还能通过语音播报来强化提醒效果，这种视听结合的方式更贴合老人的使用习惯，让老人更容易接受和记住相关信息。

使用前，可以录入老人子女的音色进行语音合成，机器人用子女的声音与老人交流，这样能让老人在与机器人交互时感受到熟悉的亲切感，减少对机器的疏离感。系统具备语音唤醒功能，唤醒词可以根据老人的习惯自行设置，使用者通过语音呼唤就能轻松唤醒开机，无需复杂操作。它还支持设置吃药、闹钟等日常提醒，到时间后会主动发出语音提示；当检测到烟雾等危险情况时，会立即触发响亮的警报，同时同步通知子女或邻居，必要时还能主动呼叫救护车并播放预设的呼救语音，全方位应对可能出现的紧急情况，为老人的安全保驾护航。

2.5 独居老人多维监护机器人的供电与升降系统

采用大功率锂聚合物电池和相关的充电器，电池能稳定供应机器人各个模块的电力需求，让机器人可以长时间持续工作。配套的充电器设计实用，能快速为电池补充电量，确保机器人随时保持充足动力，保障监护功能不中断。同时配备升降仪和控制器，通过预先设置好的操控程序，机器人可以自主控制身体的升降。

升降仪的高度调节范围在 100-150cm ，承重能力达到 30kg，这样的参数完全能满足家庭环境中高处清洁、取放物品等日常需求。升降动作由机械臂来控制，机械臂会精准按压控制器上的按钮，实现升降的启动和停止。这种机械臂与升降系统的联动设计，让机器人的操作范围得到有效扩大，无论是低处的物品整理还是高处的物品拿取都能轻松完成，在居家场景中能发挥更大作用，进一步提升了整体的实用性。

上述系统各模块并非独立运行，而是通过树莓派与 32 单片机的协同控制形成有机整体：树莓派作为主控中枢，统筹视觉识别、语音交互、显示终端等模块的数据处理与指令分发；32 单片机则聚焦底层执行，驱动底盘移动与升降系统运作，两者通过 TCP/IP 协议实现毫秒级数据交互。各模块功能互补、信号互通，共同构成完整的监护闭环。

图1 研究技术路线图

3 家居监护流程

系统要达成的目标是“识别老人摔倒姿势，进行语音警报通知以及显示”。为达成这一目标，独居老人多维监护机器人需要完成以下基本模块：

建立专门的图像库以及计算机视觉算法，能够准确识别到老人摔倒的姿势，并且在实际使用中不断优化算法来提升识别的精确度；同时配备的显示屏以及摄像头可以进行实时视频显示，让老人和远程的家人都能清晰看到现场情况。

设计完整的报警流程，一旦检测到老人摔倒，系统会立刻通过树莓派 CM4 系统内的联网功能，在预先设计的系统界面上通知老人和亲人，同时自动联系设置好的社区管理人，确保多方能及时知晓情况并采取措施。基于以上，本研究设计独居老人多维监护机器人的警报流程：

图像库建立：收集数量足够多的老人摔倒的姿势图，涵盖不同角度、不同姿态的场景，进行全面的图像采集，后续的识别算法提供充足的数据支撑。

计算机视觉算法：设计专门的相关算法，通过对图像库中数据的学习和训练，运用图像识别技术能够成功且快速地识别到老人摔倒的姿势，减少误判和漏判的情况。

移动跟随：STM32F103 进行控制底盘，使机器人可以进行360 度多方位旋转；灵活调整方向；摄像头会持续检测并锁定事先设定好的老人，实现自动跟随，确保在老人移动过程中也能保持监护。

树莓派 CM4 联网功能实现：在树莓派 CM4 上进行简洁直观的界面设计，保证联网功能稳定可靠，同时预设独居老人的亲人以及其他社区成员等的联系方式，方便在紧急情况下快速发起联系。

视频显示与语音警报：搭配4K 摄像头以及相关算法，摄像头收集到的实时视频能够传送到树莓派内部，通过网络实现云观看；让远程的家人能随时了解现场；同时语音系统会立刻发出明显的警报响声，提醒老人周围可能存在的人提供帮助。

整体连接检测：在设计完成各个模块的后，将它们相互连接，全面检测树莓派 CM4 是否能够对各个模块进行有效的相关控制，确保整个系统在实际使用中能够协调运转，避免出现功能脱节的问题。

4. 结 论

项目针对我国老龄化加剧、独居老人占比超 30% 的现状，聚焦其面临的摔倒、煤气忘关、高处物品掉落等安全隐患和情感孤独问题， 能养老领域发展及相关政策支持，团队计划研发一款适用于家居场所 追踪、智能升降、语音交互与屏幕显示、联网视频通话、灵活机械臂 随老人、清理高低处障碍、联系子女等，实现当老人摔倒的时候 老人需求，专注于独居老人安全守护， 使老人孤独感指数下降，提升居家 全系数， 助力构建科技适老型居家养老体系。

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“安全防护者——AI 赋能的独居老人多维监护机器人”（项目号：202510066040）