营养健康咨询服务机器人的设计与研究

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摘 要：随着社会生活水平的日益提高，百姓营养与健康的意识越来越强烈，仅靠人力完成营养健康知识普及、健康咨询以及咨询管理是不现实的。服务机器人是促进健康管理与服务水平提高的科学手段，虽然国内外都很重视服务机器人的研究，但基于营养健康知识库的服务机器人的研究却很少。因此，从服务机器人研究现状出发，介绍营养健康咨询服务机器人的设计思路、工作原理和关键技术，并阐述其研究意义和应用价值。

关键词：营养健康;咨询管理;服务机器人

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）07-0008-03

Abstract： With the improvement of social living standard， people"s awareness of nutrition and health is becoming stronger and stronger. It is uealistic to accomplish the popularization of nutrition and health knowledge， health consultation and consultation management only by human resources. Service robot is a scientific means to promote health management and service level improvement. It is concluded that the research of service robots is very important both at home and abroad， however， there were few studies on service robots based on knowledge base of nutrition and health. From the research status of service robots， the design idea， working principle and key technology of nutrition and health consultation service robot were presented. The research significance and application value of nutrition and health consultation service robot were summarized.

Keywords： nutrition and health;consultation management;service robot

2013年9月28日，國务院颁布《关于促进健康服务业发展的若干意见》[1]，指出“到2020年，基本建立覆盖全生命周期、内涵丰富、结构合理的健康服务业体系，基本满足广大人民群众的健康服务需求，健康服务业总规模达到8万亿元以上”，同时指出“促进健康管理与服务水平明显提高，大力开展健康咨询，咨询管理等多样化健康服务得到较大发展”。

2014年1月28日，国务院颁布了《中国食物与营养发展纲要（2014—2020年）》[2]（以下简称《纲要》），指出我国食品生产还不能适应营养需求，居民营养不足与过剩并存，营养与健康知识缺乏，必须引起高度重视。《纲要》还指出，要全面普及膳食营养与健康知识，加强对居民食物与营养的指导，提高全民营养意识，提倡健康生活方式，树立科学饮食理念。因此，要发挥主流媒体对食品与营养知识进行公益宣传的主渠道作用，增强营养知识传播的科学性。

2017年12月14日，我国工业与信息化部发布《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020年）》[3]。其提出，以市场需求为牵引，积极培育人工智能创新产品和服务，促进人工智能技术的产业化，推动智能产品在工业、医疗、交通、农业、金融、物流、教育、文化以及旅游等领域的集成应用;到2020年，智能公共服务机器人实现批量生产及应用，实现多场景下中文语音识别平均准确率达到96%，用户对话意图识别准确率超过90%。

随着人们物质生活的日益丰富和生活水平的不断提高，民众营养与健康的意识越来越强烈。然而，该领域的专业从业人员数量相对不足，仅仅依靠人力普及营养与健康知识是不现实的，需要借助科学的、行之有效的手段。例如，研发营养健康咨询服务机器人，采用语音技术、人脸识别技术等自动跟踪个人的健康和体质状况，提供趣味化、智能化、个性化的营养和健康咨询与管理服务。

1 研究现状

国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）定义服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备[4]。

在服务机器人领域，以美国、德国和法国为代表的西方国家和以日本、韩国为代表的亚洲国家处于领先地位。各国均有代表性产品，如德国研制的Care-0-Bot4，是一款助残助老独立生活的看护机器人，可以实现桌椅摆放、饮料取拿、空调控制以及报警呼救等;日本安川电机公司研制的摩托曼，是一款可以烹饪煎饼的家政机器人;韩国研制的Mahru-Z，是一款可以打扫房子、加热食物以及辅助洗衣等的女仆机器人。

由此不难发现，所有的科技强国都非常重视服务机器人的研究和产业发展，目前全世界有25个国家涉足服务型机器人开发。到2020年，欧盟将投入28亿欧元用于研发医疗、护理、家务、农业和运输等领域的机器人。

在我国，智能服务机器人主要应用在养老看护、医疗保健、情感关爱、智能教育、家政服务以及餐饮服务等方面，如老人助行机器人、社区监控管理机器人、扫地机器人、北京紫光优蓝机器人、上海小i机器人和天津的阿士奇机器人等。

提供智能服务的机器人是多学科、多技术融合的综合体，涉及相关专业知识库、语义分析、人机对话、机器人制造、云计算以及软件开发等多项技术。在CNKI中，以“营养健康”及“机器人”为主题或关键字，搜索结果是0条。可见，目前基于营养健康知识库的智能服务机器人的研究非常少，项目组从事此方面研究具有现实意义。

2 具体设计

2.1 设计思路

项目组研发营养健康咨询服务机器人的设计思路：构建基于云计算的营养健康专业知识库;建立服务对象的个人健康和体质数据库;利用语音识别和人脸识别技术识别服务对象，根据服务对象提出的有关营养与健康方面的咨询问题，与专业知识库、健康和体质数据库进行匹配，提供服务对象体质评估与指导、营养配餐与咨询、健康跟踪与管理等服务。

2.2 工作原理

服务对象首次使用营养健康咨询服务机器人时，服务机器人利用人脸识别技术采集服务对象人脸特征等信息，再利用语音技术提出有关服务对象身体状态方面的问题，根据服务对象的回答结果，与人脸特征信息结合，生成包含服务对象人脸特征、身体状态等在内的数据记录，供本次及后续服务使用。从第二次使用服务机器人开始，通过人脸识别技术提取服务对象的数据记录，服务对象向服务机器人诉说自身有关体质、运动、营养以及健康等方面的问题，服务机器人依据问题中的关键字，与云端的营养健康专业知识库进行匹配，通过语音给出相应的体质评估、运动指导、营养搭配以及健康跟踪等回复。具体工作原理如图1所示。

2.3 关键技术

项目组研发的营养健康咨询服务机器人主要运用了以下关键技术。

2.3.1 知识库技术。知识库是人工智能（AI）和数据库（DB）两项技术的有机结合。不同领域有不同的专业知识库，营养健康的专业知识库具有咨询性质。其中，知识片（规则）的选定非常重要，要反映知识片的模块性和相互间存在的依赖关系，体现出知识体系的完整性。采用适当的数据结构可确保知识片存储与检索的高效性。

2.3.2 人脸识别技术。人脸识别是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术，包括人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取和人脸图像匹配与识别。通过安装在服务机器人身上的摄像头采集人脸的原始图像，对其进行灰度校正、噪声过滤等预处理，然后使用人脸识别系统完成特征提取，将特征数据与数据库中存储的特征模板进行搜索匹配，当相似度超过设定的阈值时，输出得到的匹配结果。

2.3.3 语义分析技术。语义分析技术是自我概念的特殊句式，是一个主—谓—表结构的逻辑判断句式。主语位置上的“我”要换成与“我”有关的更具体的事件和行为，表语位置上的词能根据一定的标准进行评价。结合营养健康专业领域的语言特征和专业词汇，建立营养健康专业词汇库和语料库，分析专业概念间的语义关系，从而建立专业语义网络。

2.3.4 人机对话技术。服务对象与机器人之间采用人机对话方式进行提问和回答。在语义分析的基础上，结合语音和人脸识别服务对象，建立服务对象数据库。结合知识库的结构，将语义与知识库条目进行匹配，从而为服务对象提供个性化且针对性强的营养健康服务。

2.3.5 数据库技术。数据库技术是管理数据的方法，而专业知识库和服务对象数据库都用到了数据库技术。通过分析设计数据库的结构，合理组织和存储数据，以減少数据存储冗余、实现数据共享、保障数据安全和高效地检索、处理数据。

2.3.6 云计算技术。云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态、易扩展且经常是虚拟化的资源。运用云计算技术的超大规模、虚拟化、高可靠性、高可扩展性和动态分配资源的特性，可解决机器人存储和计算能力不足的问题。

2.3.7 机器人开发技术。Microsoft Robotics Developer Studio、OROCOS、OpenJAUS以及CLARAty等是目前流行的开源机器人软件开发平台。项目组进行对比研究后，选择适合研发营养健康咨询服务机器人的平台，降低开发难度，提高开发效率，确保开发的系统健壮高效。

3 结语

健康是人类永恒的主题。服务机器人作为新一代智能产品，被视作21世纪高技术制造业和现代服务业的重要组成部分，是2015年5月8日国务院颁发的《中国制造2025》[5]规划纲要中列出的十大重点发展领域之一。项目组研发的营养健康咨询服务机器人，是一款基于营养健康知识库的机器人，契合了人们对营养健康服务的迫切需求，可以解决因专业从业人员相对不足、人们得不到及时专业的营养健康咨询及管理服务等一系列问题。下一步将在营养健康专业知识库的构建、存储和检索，利用语音识别和人脸识别技术建立和识别服务对象，人机对话中关键字的选取等技术问题方面进一步进行优化。

参考文献：

[1]中国政府网.关于促进健康服务业发展的若干意见[EB/OL].（2013-09-28）[2019-01-30].http：///zwgk/2013-10/14/content_2506399.htm.

[2]中国政府网.中国食物与营养发展纲要（2014—2020年）[EB/OL].（2014-01-28）[2019-01-30].http：///zwgk/2014-02/10/content_2581766.htm.

[3]中华人民共和国工业和信息化部.促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020年）[EB/OL].（2017-12-13）[2019-01-30].http：///n1146285/n1146352/n3054355/n3057497/n3057498/c5960779/content.html.

[4]黄人薇，洪洲.服务机器人关键技术与发展趋势研究[J].科技与创新，2018（15）：43-45.

[5]国务院.中国制造2025[EB/OL].（2018-05-08）[2019-01-30].http：///V20/SC/jjps/201505/t20150520_4605792.htm.

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