面向共存的家居与机器人协同设计：一种面向老年人辅助生活的通用化方法

《Disability and Rehabilitation: Assistive Technology》：Designing homes and robots for co-existence: a universal approach to assisted living for older adults

　　

本研究提出一套将家用机器人整合进居家环境以辅助老年人(OAs)完成工具性日常生活活动(IADLs)的系统框架。随着许多老年人在健康受限下仍力求维持独立，现有辅助机器人在非结构化日常家居中表现不佳。为此，研究人员采用以环境为中心、结合通用设计原则的集成方法，降低机器人复杂度并提升协助效能。材料与方法：通过对老年人及联合医疗专业人员(AHCPs)调研，识别最困难的IADLs与运动模式及机器人偏好特征，据此并行开发改造后居家环境与兼容辅助机器人的实物原型；环境适配如壁挂分配器、定制餐具手柄与重设抽屉，在保留功能下降低机器人灵巧度需求。结果：协同设计证明环境改造可显著简化机器人要求，低灵巧度机器人成功执行取物、倒液、开容器等关键任务，显示策略性环境设计能提升机器人在日常活动中的性能、可用性与可靠性。结论：集成式环境中心设计框架使辅助机器人对老年人更实用、有效且可扩展，通过家居改造与机器人能力对齐，促进独立与生活品质，为功能性机器人辅助生活方案奠基。

研究背景与问题提出

随着预期寿命延长，老年人在熟悉环境中“就地养老(ageing in place)”的需求日益突出。老年人基本日常生活活动(ADLs)多可自理，但工具性日常生活活动(IADLs)（如备餐、服药管理、轻家务）随年龄相关身体、认知或感觉衰退而受限，增加对照护资源的依赖。物理辅助机器人（区别于社交辅助机器人）虽在移动操作、感知交互上取得进展（如PerMMA、Toyota HSR、Stretch等），但其真实家居部署仍受限于非结构化环境中的感知、导航与操作挑战，尤其是高灵巧度抓取易碎、不规则物体时表现不稳。传统路径倾向让机器人越来越复杂、昂贵，而“机器人包容空间(RIS)”与“通用设计(UDRob^TM)”思路主张反向优化环境以降低机器人负担，但缺乏系统、低成本、可标准化的设计方法论。该研究即在上述背景下，提出环境—机器人协同设计的集成框架，并以厨房为首要场景验证。

研究人员开展的工作与结论意义

研究人员通过调研明确老年人功能需求，依通用设计七原则筛选环境改造项，构建机器人包容厨房数字与局部物理原型，并研制四自由度遥操作移动辅助机器人MARIS（Mobile Assistive Robot in an Inclusive Space）进行任务验证。结果表明：环境适配（分配器、电动升降柜、统一手柄、U形布局等）可让低灵巧度机器人稳定完成搬运、倾倒、开抽屉等任务；MARIS作为概念验证平台证明了“简机器人+改环境”路径的可行性。该研究发表于《Disability and Rehabilitation: Assistive Technology》，意义在于把辅助机器人从“单纯提升机件智能”转向“空间—物件—机器人”共同进化，为可负担、可规模化的居家辅助技术方案提供基础。

主要关键技术方法（≤250字）

研究人员采用两类问卷调研：对22名职业/物理治疗师（AHCPs，经验均数9.4年）邮件调查IADLs困难度与运动技能频次；对17名60—80余岁、ADL自理无认知障碍的老年人面对面访谈，获取机器人外观/自主性偏好与环境改造接受度。随后用功能步骤分解法将IADLs拆为动作与操作技能，以多准则排序提取15项优先动作；依通用设计七原则改编评价矩阵筛选概念，用SketchUp建模机器人包容厨房，用形态学图表组合方案；并行开发MARIS（3WD全向底盘+垂直电缸+固定横臂+二指夹持器+单滚转腕），在实验室局部物理原型与MSPhysics仿真中做任务评估；最后回访18名AHCPs做可用性评价。

研究结果（保留小标题）

理解老年人功能需求：AHCPs调查显示服药管理、电话使用、备餐、厨房轻家务为最需协助IADLs；动作层面搬运、倾倒、开容器、抓握高频困难，且弱点为上肢力量而非精细灵巧。老年人访谈中70.6%愿适度改家居，52.9%偏好“机器状”外观、小于人身、半自主。

机器人包容空间设计：确立物件改造、活动执行适配、双人可用性、实施可行性四原则；厨房场景中用热水分配器替水壶、干料/奶/皂分配器、按钮盖容器、加宽盘缘、电动柜升、推启抽屉、冰箱内小抽、U形布局（灶台外凸、器械底座抬高、走道加宽）等降低机器人DOF与力矩需求。

MARIS开发：规格限定4-DOF（3位移+1操作）、垂直达1200mm、抓径≤85mm、载荷≈1.8kg、DC电池、遥操作、成本受限；选用Omni三轮平台、RG2夹持器、自定义步进+行星减速滚转腕、LEFS25A电缸、Xbox遥控、Arduino Mega控制。原型刚度尖挠≤2mm，夹持开闭~80ms，倾倒慢速可控。

MARIS评价：实验室中完成搬杯盘、倒液、按按钮、开改型抽屉；仿真补充全流程验证并暴露轨条回弹、低侧壁、倒锅需倾锅器等待解项。AHCPs再评中94.4%认有协助需求，88.9%认有助独立，但72.2%认为纯遥操作对老年人认知/灵巧负担过重；83.3%担忧环境改造成本与空间阻力，建议新建筑预嵌标准。

讨论与结论翻译

讨论指出当前遥操作不可直接落地，未来须提升自主性、把倾锅器与食品接触端执行器实体化、界面加电量/视角反馈、减振并标准化厨房原始设计。结论：本研究建立并评估了将辅助机器人引入居家协助老年人IADLs的探索性框架；局部原型（低复杂度MARIS+部分优化环境）证明环境—机器人协同设计至关重要——适配环境后简易机器人亦可完成复杂任务。未来需在自主性、环境/物件改造、机器人细化三方面推进。平衡机器人能力与环境设计，是实现可负担、实用且广被接受的居家辅助机器人、支撑老年人独立生活之核心。