智慧养老院配餐分取塔式机器人

段小川　廖承达　余晓娜

2020年9月，我们在养老院探望老人时发现，随着入住养老院的人数日渐增加，养老院专职的工作人员工作量非常大，服务质量很难保障。比如，用餐前，工作人员需将不同老人、不同需求的食物快速分发到位，以便老人们能吃到热饭、热菜，这就要求分餐人员多、分食速度快，但以养老院现有的工作人员配置比例，很难实现。

通过查阅资料我们了解到，目前各养老院并没有智能饮食分取设备。为提高养老院工作人员的工作效率，提升服务水平，我们想设计一款智慧养老院配餐分取塔式机器人，为养老院的老人们带来便利。

一、设计与制作

1.运动部结构

（1）行走部结构

为了使机器人能按照输入的指令移动，我们设计了一个移动底盘。

（2）旋转结构

让转盘与底盘相连，通过电机带动转盘旋转实现定位传输，方便机器人自动寻找定位。

2.功能部结构

（1）存取部

采用分层分格与层格伸缩结构设计，每一层可分设多个盒子，每个盒子可独立伸缩。

（2）顶部结构

顶部的物联网模块用于接通5G网络，方便数据传输。

整体设计如图1（以设计四个盒子为例），每一层有4个舵机，通过连杆结构控制盒子的伸缩。

我们按照设计图制作了一个小型模型，研究装置、层格按指令的运动实现方式及可能性。小型模型能基本实现整体设计要求，但功能暂未达到设计目标，存在载重轻、旋转困难、移动速度慢、四方形易与其他物体发生碰撞等问题。

接着，我们对模型进行了改进，如加大了底盘电机功率，增加了转盘，降低了底盘旋转要求，增大了载重能力，更换了语音模块，将外观由四方形改为圆形等。

装置要智能化，程序设计必不可少。根据在我校人工智能创客选修班学习的编程知识，我们选择使用“Mixly”和“Mind+”两种编程软件，写出程序后对各项功能进行了测试，结果基本能达到设计要求。

二、使用方法

我们将老人的饮食需求大致分为三类：第一类为健康普适型，这类老人的身体相对健康，对饮食无特殊要求;第二类为亚健康一般型，这类老人的身体有疾病但尚能自理，对饮食有基本要求;第三类为气血两亏重病特异型，这类老人的身体状况较差，对饮食有特殊要求。

使用智慧养老院配餐分取塔式机器人时，老人以持卡的方式取食：健康普适型的老人持蓝色卡片，按照事先排序编号蓝1、蓝2、蓝3……取食;亚健康一般型的老人持黄色卡片，按照事先排序编号黄1、黄2、黄3……取食;气血两亏重病特异型的老人持红色卡片，按照事先排序编号红1、红2、红3……取食。当老人身体或饮食需求发生变化时，按照变化更换卡片颜色及编号即可。

1.刷卡控制取食及饭盒回收

智慧养老院配餐分取塔式机器人上设有颜色识别模块，若老人持蓝5卡，刷卡后，装置旋转至蓝5，第一层伸出第5格，老人取走食物，蓝5格收回。老人用完餐后刷卡，装置转至蓝5，第一层伸出第5格，老人将饭盒放回（按照敬老院餐厨管理规定，必须回收残渣），蓝5格收回。蓝5号测重传感器将用餐前与用餐后的质量变化反馈给主板，主板将数据反馈给管理者，方便其及时了解老人食量的变化，为初步判定老人的健康状况提供依据。

若老人持红5卡，刷卡后装置旋转至红5，第三层伸出第5格，老人取走食物，红5格收回。老人用完餐后刷卡，装置转至红5，第三层伸出第5格，老人放回饭盒，红5格收回。红5号测重传感器将用餐前与用餐后的质量变化反馈给主板，主板将数据反馈给管理者。

饭盒采用保温盒，这样即使老人错过用餐时间也能吃到热饭热菜。

2.语音控制取食回收

若老人忘记带的是蓝5卡，呼叫“‘小花猫’（机器名称）‘蓝5号’”，则装置旋转至蓝5，第一层伸出第5格，老人取走食物，蓝5格收回。老人用完餐后，呼叫“‘小花猫’‘蓝5号’”，装置旋转至蓝5，第一层伸出第5格，老人将饭盒放回，蓝5格收回。蓝5号测重传感器将用餐前与用餐后的质量变化反馈给主板，主板将数据反馈给管理者。

若老人忘记带的是红5卡，呼叫“‘小花猫’‘红5号’”，则装置旋转至红5，第三层伸出第5格，老人取走食物，红5格收回。老人用完餐后，呼叫“‘小花猫’‘红5号’”，装置转至红5，第三层伸出第5格，老人将饭盒放回，红5格收回。红5号测重传感器将用餐前与用餐后的质量变化反馈给主板，数据经物联网反馈给管理者。

3.移动方式

机器人可使用遥控器控制移动，也可通过语音呼叫指令实现移动。

4.控制系统

使用语音模块采集指令，或通过颜色识别模块采集数据，利用单片机控制层格伸缩，通过采集语音指令或遥控器指令数据控制装置移动。

三、创新点

1.从研究老人的生活习性与饮食习惯出发，基于智慧养老院的基本要求，应用人工智能技术进行创新设计，是一种原创性装置。

2.按照老人各自的饮食需求，利用颜色分类技术实现了快速取食。

3.通过物联网实时记录每位老人每天的饮食、行为数据，并同步反馈给养老院管理者，以便更好地为老人服务。（指导老师：段贤清）

专家点评

段小川、廖承达、余晓娜同学的智慧养老院配餐分取塔式机器人是一项关爱老人的创新项目。其特点是：

首先，三位同学科研意识强。他们通过对养老院发现的个别问题进行问卷调查，研究老人的饮食习惯，从现象到本质进行深入分析，將老人的饮食分为三类，随后依据其饮食习惯设计三色塔型机器人，为问题的解决与项目目标的达成提供了基本保障。

其次，三位同学技术应用能力强。他们将颜色分类技术与分层、分格结合，利用图像识别、语音识别、连杆结构，采用单片机控制等方式，巧妙为三类老人实现了快速取食。

最后，三位同学人文关怀意识到位。使用物联网技术将老人的饮食行为数据实时反馈给养老院管理者，且以“小花猫”命名，给老年人以“小棉袄”式的贴心温暖。

可惜的是，三人协作攻关的过程、各自主要完成了哪些工作？新修订的全国青少年创新大赛章程与规则中对集体项目报告中的这一要求，文中未能体现。这应引起师生的重视。

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