華盛頓大學(xué)的研究人員正在開發(fā)一種機(jī)器人系統(tǒng)

根據(jù)2010年的人口普查數(shù)據(jù)，美國(guó)大約有100萬(wàn)成年人需要有人幫助他們吃飯。這是一項(xiàng)耗時(shí)且常常很難完成的任務(wù)，主要是出于必要而非選擇。

華盛頓大學(xué)的研究人員正在開發(fā)一種機(jī)器人系統(tǒng)，可以幫助簡(jiǎn)化它。在識(shí)別盤子上的不同食物后，機(jī)器人可以制定如何使用叉子來(lái)拾取并將所需的食物送到人的口中的策略。

該團(tuán)隊(duì)在一系列論文中公布了其成果：一篇最近發(fā)表在IEEE機(jī)器人和自動(dòng)化快報(bào)上，另一篇將于3月13日在ACM / IEEE韓國(guó)人機(jī)交互國(guó)際會(huì)議上發(fā)表。

“依靠照顧者每天喂食每一口都會(huì)帶走一個(gè)人的獨(dú)立感，”相應(yīng)的作者Siddhartha Srinivasa說(shuō)，他是美國(guó)威斯康星大學(xué)Paul G. Allen計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的波音捐贈(zèng)教授。“我們這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是讓人們更多地控制自己的生活。”

我們的想法是開發(fā)一種自動(dòng)喂食系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以連接到人們的輪椅上，并為人們提供任何他們想吃的食物。

“當(dāng)我們開始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我們意識(shí)到：人們根據(jù)它的大小，形狀或一致性可以吃很多食物的方式很多。我們?nèi)绾伍_始?” 共同作者，艾倫學(xué)校的博士后研究員Tapomayukh Bhattacharjee說(shuō)。“因此，我們開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，了解人類如何食用葡萄和胡蘿卜等常見食物。”

研究人員在盤子里擺放了十幾種不同的食物，從堅(jiān)硬的胡蘿卜到軟香蕉。這些盤子還包括西紅柿和葡萄等食物，它們具有堅(jiān)韌的皮膚和柔軟的內(nèi)部。然后，團(tuán)隊(duì)給志愿者一個(gè)叉子，要求他們拿起不同的食物并將它們喂給人體模型。叉子包含一個(gè)傳感器，用于測(cè)量人們?cè)谑叭∈澄飼r(shí)使用的力量。

志愿者們采用各種策略來(lái)采摘具有不同濃度的食物。例如，人們以一定角度將香蕉等軟物串起來(lái)，以防止它們從叉子上滑落。對(duì)于像胡蘿卜和葡萄這樣的物品，志愿者傾向于使用擺動(dòng)動(dòng)作來(lái)增加力量并且每次咬一口矛。

“人們似乎不僅根據(jù)食物的大小和形狀使用不同的策略，而且還使用它的硬度或軟度。但我們真的需要這樣做嗎?” Bhattacharjee說(shuō)。“我們決定用機(jī)器人做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們把它放在叉子上，直到叉子達(dá)到一定的深度，不管食物的類型如何。”

機(jī)器人使用相同的力量和歪斜策略來(lái)嘗試拾取所有食物，無(wú)論它們的一致性如何。它能夠撿起堅(jiān)硬的食物，但它卻與柔軟的食物以及堅(jiān)硬的皮膚和柔軟的內(nèi)臟相媲美。因此，像人類一樣，機(jī)器人需要調(diào)整用于拾取不同種類食物的力和角度。

該團(tuán)隊(duì)還指出，采摘一塊食物并將其喂給某人的行為并不是彼此獨(dú)立的。志愿者經(jīng)常會(huì)專門定位叉子上的一塊食物，以便它可以很容易地食用。

Bhattacharjee說(shuō)：“你可以通過(guò)在棍子的中心歪斜來(lái)拾取胡蘿卜棒，但是一個(gè)人很難吃。” “另一方面，如果你在其中一端拾起它，然后將胡蘿卜傾向某人的嘴，那就更容易咬一口。”

為了設(shè)計(jì)基于食物項(xiàng)目而變化的歪斜和喂食策略，研究人員結(jié)合了兩種不同的算法。首先，他們使用一種稱為RetinaNet的物體檢測(cè)算法，該算法掃描印版，識(shí)別其上的食物類型，并在每個(gè)物品周圍放置一個(gè)框架。

然后他們開發(fā)了SPNet，這是一種算法，用于檢查特定框架中的食物類型，并告訴機(jī)器人獲取食物的最佳方式。例如，SPNet告訴機(jī)器人在中間串起一個(gè)草莓或一片香蕉，并在兩端之一處插入胡蘿卜。

團(tuán)隊(duì)讓機(jī)器人拿起食物并使用SPNet或更統(tǒng)一的策略將它們喂給志愿者：這種方法無(wú)論是什么，都會(huì)將每種食物的中心串起來(lái)。SPNet的各種策略優(yōu)于所有食物的統(tǒng)一方法或表現(xiàn)相同。

“許多工程挑戰(zhàn)對(duì)他們的解決方案并不挑剔，但這項(xiàng)研究與人們密切相關(guān)，”Srinivasa說(shuō)。“如果我們不考慮一個(gè)人咬一口是多么容易，那么人們可能無(wú)法使用我們的系統(tǒng)。那里有各種各樣的食物，所以我們面臨的最大挑戰(zhàn)是制定策略這可以解決所有這些問題。“

該團(tuán)隊(duì)目前正在與可訪問技術(shù)的任務(wù)中心合作，以獲得來(lái)自輔助生活設(shè)施中的護(hù)理人員和患者的反饋，以了解如何改進(jìn)系統(tǒng)以滿足人們的需求。

“最終我們的目標(biāo)是讓我們的機(jī)器人幫助人們自己吃午餐或晚餐，”Srinivasa說(shuō)。“但問題不在于取代護(hù)理人員：我們希望賦予他們權(quán)力。通過(guò)機(jī)器人幫助，護(hù)理人員可以設(shè)置盤子，然后在人們吃東西時(shí)做點(diǎn)別的事情。”