Thiết kế robot đồng hành cùng người cao tuổi có tích hợp thuật toán nhận dạng

Bài viết trình bày quá trình thiết kế một loại robot chăm sóc người cao tuổi, đó là robot đồng hành. Robot có phần thân phía trên theo mô hình giống con người và phần thân dưới có cơ cấu bánh xích để có thể di chuyển trên địa hình có bề mặt không bằng phẳng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế robot đồng hành cùng người cao tuổi có tích hợp thuật toán nhận dạng Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XIV về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), TP. HCM, ngày 23-24/12/2021 DOI: 10.15625/vap.2021.0042 THIẾT KẾ ROBOT ĐỒNG HÀNH CÙNG NGƯỜI CAO TUỔI CÓ TÍCH HỢP THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG Thân Thế Tùng, Đỗ Trí Nhựt, Nguyễn Hoài Nhân, Nguyễn Minh Sơn Khoa Kỹ thuật máy tính, Trường Đại học Công nghệ Thông tin ĐHQG TP.HCM 17521241@gm.uit.edu.vn, trinhutdo@uit.edu.vn, nhannh@uit.edu.vn, sonnm@uit.edu.vn TÓM TẮT: Dân số già đang gia tăng trên toàn thế giới, dẫn đến áp lực cho các cơ quan cung cấp dịch vụ y tế, nhân viên chăm sóc và các gia đình. Sự ra đời của robot chăm sóc người cao tuổi sẽ làm giảm đi sức ép đó. Ở bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày quá trình thiết kế một loại robot chăm sóc người cao tuổi, đó là robot đồng hành. Robot có phần thân phía trên theo mô hình giống con người và phần thân dưới có cơ cấu bánh xích để có thể di chuyển trên địa hình có bề mặt không bằng phẳng. Bộ điều khiển của Robot được thiết kế dựa trên công nghệ nhúng có tích hợp GPU để có thể tích hợp thuật toán nhận diện người già đáp ứng thời gian thực dựa vào cảm biến hình ảnh (camera) và tích hợp thuật toán video streaming theo cơ chế đường ống. Hệ thống nhúng có tích hợp 128 lõi GPU được thiết kế cho bộ điều khiển Robot có chức năng nhận dạng người cao tuổi thông qua khuôn mặt và tiến hành theo dõi đối tượng nhằm đạt được tốc độ xử lý thời gian thực (realtime) đến 14 khung hình trên một giây (frame per second-fps) bằng cách sử dụng giải thuật mạng nơron tích chập (NCNN). Bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý core ARM Cortex - A9 để điều khiển các bộ mô tơ bánh xích của Robot với tốc độ di chuyển 0.21 m/s với độ chính xác trên 90%. Ngoài ra, Robot còn thực hiện truyền dữ liệu hình ảnh của người cao tuổi đến người thân thông qua mạng internet với tốc độ 15 fps, độ trễ truyền nhận 415 ms đối với 4 người sử dụng đồng thời. Từ khóa: Robot đồng hành cùng người cao tuổi; hệ thống nhúng; nhận diện khuôn mặt; xử lý hình ảnh thời gian thực. I. GIỚI THIỆU Theo báo cáo Triển vọng dân số thế giới 2019 [1], dân số thế giới đang già đi với nhóm trên 65 tuổi tăng nhanh nhất. Dự báo đến năm 2050, 1/6 dân số thế giới sẽ trên 65 tuổi (khoảng 16%) và 1/4 dân số sống ở châu Âu và Bắc Mỹ có thể từ 65 tuổi trở lên, tức là cứ 4 người sống ở châu Âu và Bắc Mỹ thì có 1 người trên 65 tuổi. Cũng theo báo cáo này, năm 2018, lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, những người từ 65 tuổi trở lên có số lượng đông hơn trẻ em dưới 5 tuổi trên thế giới. Những người cao tuổi từ 80 tuổi trở lên dự kiến có thể tăng gấp gần 3 lần, từ 143 triệu người năm 2019 lên 426 triệu người vào năm 2050. Dân số già đang gia tăng trên toàn thế giới, điều này cho thấy nhu cầu sức khỏe của họ là một vấn đề quan trọng đối với các cơ quan cung cấp dịch vụ y tế, các chính phủ, nhân viên chăm sóc và gia đình của họ. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các robot chăm sóc sức khỏe có vai trò trong việc hỗ trợ người lớn tuổi hoàn thành các hoạt động thường ngày, giúp theo dõi hành vi, sức khỏe người già và là bạn đồng hành khi họ một mình [2]. Trong tương lai gần, thế giới sẽ thiếu hụt trầm trọng nhân viên chăm sóc người cao tuổi, đây là nguyên nhân khiến chi phí chăm sóc người cao tuổi tăng cao, tạo ra gánh nặng cho gia đình và người chăm sóc. Vì vậy Robot là sự bù đắp thích đáng cho sự thiếu hụt đó, nó sẽ thay thế con người chăm sóc, giúp đỡ và giám sát người cao tuổi (WHO, 2016). Theo Masaki Onishi, một nhóm nghiên cứu thuộc viện nghiên cứu Riken (Nhật Bản) [3]: các Robot RIMAN đồng hành phục vụ cho con người có thể di chuyển theo dõi và thực hiện một số chức năng như ẵm người, nghe nhịp thở và phân biệt được một số mùi vị. Theo nhóm nghiên cứu về Robot thông minh Gregoire Milliez ở Mỹ [4], các robot thông minh chăm sóc sức khoẻ đa năng sử dụng trong gia đình thường có chức năng hỗ trợ theo dõi, giám sát phát hiện tình huống bất thường, điều khiển thiết bị trong nhà, theo dõi chăm sóc người cao tuổi nhắc nhở tư thế và lịch trình, cung cấp đa phương tiện tương tác xã hội trên môi trường mạng,… Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện thiết kế Robot di động có chức năng đồng hành cùng người cao tuổi dựa trên việc nhận dạng hình ảnh (khuôn mặt và thân thể) và có thể tương tác với người thân dựa trên nền tảng IoT. Cấu trúc bài đăng như sau: Phần II mô tả toàn bộ thiết kế của Robot bao gồm cả phần cứng lẫn phần mềm ứng dụng, các giải thuật; Phần III mô tả chi tiết các kịch bản thực nghiệm, đồng thời thu thập kết quả tương ứng của Robot với các kịch bản và thống kê số liệu thực nghiệm; các đánh giá kết quả thực nghiệm được trình bày ở Phần IV và cuối cùng là kết luận về đề tài đề xuất trong bài đăng này được tóm lượt trong Phần V. II. THIẾT KẾ ROBOT A. Tổng quan hệ thống Dựa trên một số nghiên cứu về các loại Robot theo dõi đối tượng như Robot đồng hành của nhóm Masaki Onishi [3], Companion Robot [4] và OpenBot [5]. Chúng tôi thiết kế một robot có khả năng theo dõi người cao tuổi khi họ ở nhà một mình với khả năng di chuyển trên mặt phẳng với tốc độ bằng với tốc độ di chuyển của người cao tuổi. Robot sử dụng thực hiện xử lý ảnh đầu vào trên một camera duy nhất để nhận diện, xác nhận đối tượng, sau đó sẽ tiến hành quá trình theo dõi, đồng hành cùng đối tượng. Đồng thời Robot cũng truyền dữ liệu hình ảnh đến người thân của họ thông qua mạng internet. Những đặt tính này được tham khảo từ những nghiên cứu trong bài báo [6] của Giáo sư M. Bakar. Thân Thế Tùng, Đỗ Trí Nhựt, Nguyễn Hoài Nhân, Nguyễn Minh Sơn 51 B. Phần cứng Robot 1. Mô hình thiết kế phần thân theo Humanoid Robot Cấu trúc Robot di động đồng hành cùng người cao tu ...