智慧图书馆测温服务机器人研究
刘晓叶
摘 要：
为了做好图书馆防疫防护和智能化服务工作，针对图书馆人员体温测量和环境维护常态化管理的问题，在梳理智慧图书馆建设和智能机器人技术相关研究的基础上，提出一种智能测温多功能服务机器人，实现对入馆人员无感动态测温管理。该机器人功能包括自主运动和定位导航、人脸识别与测温、环境杀菌消毒等功能。
关键词：
机器人; 人脸识别; 测温; 智慧图书馆
中图分类号：G250.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2021）09-10-05
Abstract：
In order to do a good job in library epidemic prevention and protection and intelligent services， aiming at the problems of library personnel temperature measurement and normal management of environmental maintenance， on the basis of combing the researches on the construction of smart libraries and smart robot technology， a smart temperature measurement and multi-function service robot is proposed to realize the non-sensing dynamic temperature measurement management for the admission personnel. The robot has the functions of autonomous movement and positioning navigation， face recognition and temperature measurement， environmental sterilization and disinfection functions.
Key words：
robot; face recognition; temperature measurement; smart library
0 引言
公共場所测体温是疫情防控的需要。高校图书馆作为人员密集地，馆内人员体温监测和环境卫生的保持是常抓不懈的任务。目前，图书馆入馆人员的测体温工作一般集中在入口处通过红外感应自动化测温设备完成，这为图书馆卫生防疫筑起了第一道防线。这种方法也存在不足之处，比如易受室外温度的影响导致测温异常，冬季测量体温过低出现测量失败，或在夏季受室外酷暑影响，导致体温过高报警。这种方法属于一次性体温测量实时报警装置，未能对入馆人员进行动态跟踪和健康管理提醒。
随着5G技术的不断完善和多媒体智能移动终端的普及，图书馆有条件探索更加优质多元的智慧化服务，以吸引更多的读者重返图书馆。因此本文提出疫情时期智慧图书馆建设背景下人员测温和环境消毒杀菌服务多功能机器人的应用研究。
1 研究现状
1.1 智慧图书馆
在大数据、云计算和计算机信息技术推动之下，以人工智能所引领的创新型智能社会逐步发展起来。技术的成熟加快了图书馆的智能化智慧化发展和应用，推动着图书馆由数字化到智慧化的转型升级[2]。
国内对智慧图书馆的研究已有许多。如王茜和张黎以云计算、大数据技术为基础，整合环境、设备、资源、读者等各方因素，构建起完善的智慧图书馆管理系统模型[3]。黄丽芳设计了以微信公众号、微信小程序和APP为媒介，构建包含读者模块和管理员模块的移动图书馆智慧服务平台，通过大数据处理技术，实时挖掘读者需求，为读者提供个性化知识推送服务[4]。杨焱和屈义华介绍了广州南沙图书馆将人脸识别技术、人工智能技术与图书馆业务系统的有效融合，实现人脸识别与图书管理系统对接，为读者提供更全面细致的个性化智慧服务[5]。
1.2 机器人技术
近年来机器人技术也更多地应用于智慧图书馆的研究与应用实践中来，快速有效地解决图书馆管理和服务中的一些问题，提高读者服务满意度的同时，减轻了工作人员的负担。机器人是一个智能化水平非常高的机械电子装置，可以模仿人的感官进行分析判断和交互，甚至拥有柔软、灵活的机械手进行抓取，帮助人们很好的完成部分工作;还可以是隐藏在数字化环境中完成特殊任务的隐形机器人。随着技术的进步，机器人会更多的走进人们的工作和生活。
在智能聊天机器人方面，清华大学率先将人工智能应用于图书馆咨询服务，开发设计了智能聊天机器人“小图”，并取得了良好的使用效果[6]。随后清华大学又开发“小图”APP和微信服务，迎合移动智能时代用户需求，用户可以利用智能终端在社交网络环境中，快捷方便地与“小图”交谈和查询信息[7]。在图书盘点业务中，南京大学图书馆联合计算机学院利用RFID技术中的自动识别技术和射频相位技，提高了图书智能盘点的精确度和快捷化，同时实现了图书盘点工作的智能化和常态化[8-9]。樊慧丽、邵波在回顾图书盘点技术发展历程的基础上，详细分析了基于超高频RFID技术的智能机器人图书盘点优势：准确高效长时间不间断工作，能够定位导航和自主移动，电量不足时能够完成自主充电，提高了图书盘点的效率;但是该机器人在与馆员互动交流和协作、图书馆复杂动态环境的适应方面还存一定的不足。未来发展要进一步加强人工智能与盘点机器人的深度融合，加强机器人的交互功能和人机协作功能设计、探索机器人的分身之术，以期实现日夜兼行、一机多用[10]。
在其他设计和应用方面：李宇飞等分析了视觉在机器人抓取规划阶段具有重要作用，在建立机械臂、相机和目标的运动关系的基础上，通过立体视觉完成对空间目标的位姿测量，实现机器人抓取工作[11]。张军等基于ROS机器人操作系统设计了一套低成本、高性能、易维护的移动机器人控制系统方案，并针对该方案设计了一套嵌入式硬件平台[12]。孙森震等提出一种基于可见光通信与双目视觉测量的高精度室内定位方法，并利用该方法研制了一款基于可见光通信与成像的定位模块，可以为室内移动机器人提供厘米级定位导航服务[13]。
机器人技术及其应用取得了丰硕的成果，为机器人技术在图书馆的设计和应用打下了坚实的基础，也必将加快图书馆智能化智慧化建设步伐。但是当前的机器人还缺乏足够的自主性和灵活性，在开放性的图书馆环境中的应用还面临很多挑战。
2 机器人系统总体架构
本研究在5G行业背景下根据智慧图书馆发展建设愿景的指引，结合当前疫情发展社会条件和图书馆实际工作需要，融合5G无线网络通信技术和人工智能机器人技术，分析设计一款高度智能的图书馆室内测温服务机器人。
该机器人搭载5G传输网络，基于机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）平台，使用即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技术，通过机器人搭载的Hokuyo激光雷达作为核心传感器采集环境信息，实现图书馆室内定位导航自主移动，完成人脸识别测温、环境消杀等工作任务。机器人系统总体架构如图1所示。
基于机器人系统总体架构，本研究提出一种入馆人员体温检测动态管理方法，其工作流程如图2所示。以入馆人员为管理对象，首先通过图书馆入口人脸识别和体温检测设备进行第一次人员信息记录和体温测量，并将数据记录在服务器端;入馆后人员的管理通过终端设备图书馆机器人和用户智能终端完成;其中机器人完成人员测温和数据统计分析结果播报，用户端可以是智能手机或者电脑等多媒体移动终端，用来接收服务器端发来的健康信息提醒。该方法在图书馆用户间进行人员体温检测，用户易于接受，在看书学习、行走或与机器人交谈等无形之中自动完成，一旦发现体温异常便启动数据存储、用户提醒和跟踪管理。另外，为了对长时间在馆人员的体温检测，设置循环测温管理服务，对用户入馆时间大于两小时将进行休息和测温提醒。机器人通过拓展功能应用增加多元知识服务和用户反馈等信息互动环节，可以让用户在轻松愉快的环境下实现体温检测。
3 机器人功能分析与设计
3.1 自主运动
自主运动是机器人的基本系统功能，包括控制系统和机械系统两大部分，是整个机器人系统的移动载体、信息采集载体和控制载体。控制系统决定着机器人的所有行为动作，是整个系统的决策和控制中心，保证机器人对目标任务完成的实时性、准确性和稳定性。机械系统主要由机械结构和传动装置组成，用于支撑控制系统硬件和执行机器人动作完成。
本研究采用轮式移动机器人结构，具有全向自主移动功能，能实现高效、稳定运动，并具备一定的越障和负载能力。机器人运动主要由底层转向驱动控制器完成对前轮转向电机的快速定位和后轮驱动电机的无级、平滑调速。机器人的核心控制器采用基于ARM架构的开源卡片式电脑树莓派3B，使用分布式机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）框架在Linux操作系统下进行软件开发。为了保证机器人能够更加灵活的运动，底盘采用麦克纳姆全向轮。底盘根据SLAM导航节点中传送来的运动控制信息（包含角速度和线速度）控制机器人运动。
3.2 室内定位和导航
该机器人要在图书馆开放区域实现自主移动，因此它必须具有良好的室内定位和导航功能，能够对静态和动态障碍物进行识别，尤其要避免机器人对人员因为判断不准而造成碰撞和伤害。机器人导航系统设计主要解决地图构建、定位和路径规划三个方面的问题。基本工作流程如图1定位导航模块所示。
首先，机器人在图书馆陌生环境的任意地点出发，在运动的过程中通过传感器感知环境特征，识别桌椅、建筑物立柱、墙角等障碍物信息，通过SLAM技术核心功能包中基于粒子濾波的gmapping算法，对激光雷达信息、里程计信息等数据进行分析处理，并根据这些环境特征信息对机器人位姿和运动轨迹进行校正调整，同时提取环境特征点集并构建出室内栅格地图[14-15]。
机器人完成先验地图构建之后，馆员通过人机交互界面设置导航目标位置，机器人通过全局路径规划计算出最优路径，控制系统根据规划结果发布控制指令给底层驱动系统，机器人收到指令开始按计划运动;但是，开放环境下机器人的运行途中难免会随机出现动态障碍物或其他环境干扰，因此，机器人不能严格按照全局规划路径运行，需要根据激光雷达实时扫描结果和里程计数信息，适时进行局部路径规划并调整路线，同时将局部调整信息反馈给控制中心进行全局优化以尽量实现全局路线最优。
3.3 人脸识别与测温
机器人运行在图书馆公共空间实现动态测温，必须要避免水杯、电脑等其他热源对测量数据的影响，要确定被测对象为人体，而机器人完成人体测温的最佳部位是人的脸部或头部，因此，首先需要机器人完成人脸识别。本研究采用微软Kinect-1深度相机作为机器人的眼睛，结合中科视拓SeetaFace2算法来进行人脸识别。其中Kinect-1深度相机包含一个高清摄像头和光学摄像头，通过结构光投射器向对象物表面投射可控制的光电、光线和光面获取深度数据，利用三角测量原理计算被测物的三维空间信息。SeetaFace2算法通过提取人体脸部特征点准确地锁定人的脸部，然后结合红外测温摄像头获取人的体温;当机器人检测到体温异常的人时可以在云端保留脸部信息，同时在边缘服务器完成处理并发送信息给体温异常人员手机提醒休息，并通知相应工作人员采取健康跟踪管理。另外，如果检测到多人，可以结合人工智能技术进行分析，实现即刻的全画面多人识别与测量。
为了保持图书馆安静的学习环境，机器人测温语音播报系统采用选择性开启播报模式。在公共区域进行多人员动态测温时采用终端APP短信息提醒服务;当用户与机器人进行面对面交流测温模式时，若发现被测人员体温异常选择语音即时播报和终端APP信息提醒双重服务模式，其中语音播报系统采用联网科大讯飞API的方式，进行语音识别和语音播报。
3.4 环境杀菌消毒
在做好人员体温检测的同时，公共区域和书库的环境消杀工作也需要同步做好。首先，该机器人可安装紫外线消毒灯，对图书馆书库和其他公共区域进行定时自动巡回消毒杀菌工作。另外，机器人还可以通过挂载双氧水喷雾器对大厅、楼道、卫生间，以及研讨间等区域执行全方位深度消杀工作。通过设定机器人程序在封闭环境中自动喷洒雾化的双氧水消毒液，可深入到人工消毒不能达到的细微缝隙，相对于普通的人工喷洒、擦拭，能更加有效地消除病毒和细菌。
3.5 拓展功能探析
在机器人应用前端开发室内导航服务，同时机器人在与用户的交互过程中，完成人员测温建康管理服务。智能有趣的设备和优质的服务给图书馆新用户留下良好的第一印象。
随着人工智能的快速发展，机器人增加机械手臂，在执行人员测温或环境消杀的过程中，如果发现馆内散落图书，可利用机械手捡取并存放在储物区。关于拓展应用，该智能机器人形同游走于图书馆的边缘服务器，连通多种信息资源中心和专家服务中心，读者可以通过机器人快速流畅的查找资源、视频交流甚至置身于虚拟的真实实验环境中，与专家在实际的项目工作环境中进行面对面的交流。另外，机器人也可以是一个行走于读者行列中的虚拟馆员，实时搜集和处理读者信息，拉近读者与馆员之间的距离，实时进行信息处理和交换，提高服务效率。
4 结束语
本文分析设计图书馆智能测温服务机器人，利用人工智能机器人技术做好后疫情时代图书馆的防疫防护和智能化服务工作。该机器人搭载5G传输网络，基于机器人操作系统ROS平台和SLAM自主定位导航技术，Hokuyo激光雷达作为核心传感器采集环境数据信息，实现图书馆室内定位导航;采用微软Kinect-1深度相机和中科视拓SeetaFace2算法利用红外测温仪实现人脸识别和测温，通过语音播报系统或客户端APP进行体温异常提醒。同时，为降低硬件成本该机器人融合多元技术因素，拓宽机器人应用领域，探索一机多用、日夜兼行的多模态工作模式，以充分发挥机器人的智能化、智慧化服务水平。另外，由于该机器人涉及功能较多，各功能模式的选择判断和自由切换及业务工作的完美呈现还需要进行大量的测试验证和使用磨合。
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