//Logo Image
作者:陳明周、胡正鈺、蔡宗成(2001-11-7);推薦:徐業良(2001-**-**)
附註:本文參加九十學年度「元智大學工學院學生專題論文競賽」。

遠端網路代理機器人之設計與應用

摘要

遠端網路代理機器人(Telepresence agent)是應用“Telepresence-遠端臨場”技術為發展核心,並以網際網路作為傳輸管道的一項全新的溝通工具,不僅能傳輸影像與聲音,更希望能將“存在感”透過網際網路傳達至遠端,使人與人之間的溝通,多了一份真實與臨場感。本文將介紹“Telepresence”的定義與概念以及各項應用,並介紹本研究所發展“網路遙控賽車”及“遠端網路代理機器人”兩項應用。

1. 簡介

網際網路、行動電話等多元化的溝通方式不斷地推陳出新,使得大眾有很多溝通方式的選擇,一般的民眾對於新的溝通方式的接受程度也越來越高。然而目前的溝通方式僅止於文字、聲音、影像的傳輸,本研究中設計之“遠端代理機器人(Telepresence agent)”則是以“Telepresence-遠端臨場”為技術核心的溝通方式,不僅能傳輸影像與聲音,更希望能將“存在感”透過網際網路傳達至遠端,使人與人之間的溝通,多了一份真實與臨場感。

早在80年代,NASA就將“Telepresence”應用在太空科技上,幫助太空人處理外太空困難與危險的任務【Akin, 1983】。1986年,麻省理工學院Sheridan教授就具體解釋“Telepresence”的定義【Sheridan, 1986】:

藉由遠端真實環境的一些設備,偵測所處環境的情況,近端使用者接收到這些設備所傳回來的影像、聲音等環境資訊,讓使用者能感受到身處於遠端真實的環境裡。」

“Telepresence”由字面上解釋,就是以電訊、電傳的方式(tele),將使用者的“存在感(presence)”傳至遠端,也讓使用者有身處遠端的感受。根據Sheridan的建議,存在感包含三個部份【Sheridan, 1992】:

(1)       資訊回饋的解析度。

(2)       使用者有能力改變這些資訊的狀態。

(3)       使用者可以了解遠端環境的情況。

所以“Telepresence”遠端臨場技術可說是許多科技的應用與結合,圖1“Telepresence”系統架構圖,使用者利用控制界面透過溝通層將本身的意志與動作灌注於遠端工作地區之代理機器人,此控制界面可為電腦鍵盤、滑鼠、搖桿、行為模式或生理訊號…等;溝通層如網際網路、衛星、無線通訊等,在遠端之代理機器人將當地之“環境資訊”如影像、聲音、溫度等回饋給使用者,讓使用者有身處當地的臨場感。

1. “Telepresence”系統架構圖

“Telepresence”遠端臨場的發展前景,可由其相關研究論文自“Telepresence”一詞被提出後立即逐年增加看出,圖2為自線上資料庫IEEE“Telepresence”為關鍵字蒐尋所得的論文篇數,由曲線走向可以很明顯看出其增加的趨勢,足可證明此領域在學術研究上受重視的程度。

2. “Telepresence”近年相關論文數

由於此領域為結合各種應用科技,相關研究文獻中提到可以運用的範圍也相當廣泛,以下提出幾項較具代表性的研究報告做說明:

(1)       Carnegie Mellon大學所開發的遠端手術系統【Shimoga et al., 1994】,應用“Telepresence”技術於開刀手術台上,醫生操作著機器人在手術台上執行手術,而醫生們透過“Telepresence gear”清楚的看到遠端的情形並且利用“Telepresence glove”將機器人執行手術所感測到的觸覺和力量回饋給醫生,而當醫生開刀時手部的顫抖則會過濾掉,如此能增加手術時的安全性。

(2)       NANA Ames Research Center Monterey Bay Aquarium Research Institute所研究的深海探測機器人【Stoker et al., 1995】,也是利用“Telepresence”的概念,並結合虛擬實境技術,在南極的海域進行海底生態的探測與研究。

(3)       安全防護機器人【Robert et al., 1991】,將“Telepresence”應用在看守與火災的偵測方面,使用者可以透過機器人上的攝影機與感測器去了解當地的狀況,並且可以針對各種況況做出反應,如此不但使警衛可以降低自身安全的顧慮也達到看守及巡邏的效果。

本文除第一節介紹“Telepresence”的定義與概念以及各項應用之外,第二節開始介紹本研究所發展的“網路遙控賽車”及“遠端網路代理機器人”兩項應用。網路遙控賽車是將現今非常風行的虛擬網路遊戲予以實體化,透過網路操控一台架有攝影機的真實遙控車,在一個實際場地上進行探險與競賽,也可說是遠端網路代理機器人表現的一種形態。接下來介紹的遠端網路代理機器人則是本文介紹的重點,其產品定位是設定在老人照護,在遙遠外地工作的子女所設計雖不能親自來到父母親面前,仍能透過此網路代理機器人將子女的存在感傳遞給父母,使父母有子女隨侍在旁的感覺。本文中將介紹其設計規劃、細部設計、實地試用狀況及檢討。

2. 網路遙控賽車

觀察上述的研究報告,以及目前國內盛行的網路遊戲的風氣,我們興起了將“Telepresence”應用於網路遊戲的想法,適逄元智大學資工系舉辦「數位生活(e-Life)創意大賽」,於是我們組隊以「網路遙控賽車」為主題參加比賽,並且很榮幸地獲得「2001年元智大學資訊週數位生活創意大賽-優等獎」。

網路遙控賽車有別於市面上一般的線上遊戲,我們提供遊戲者能在虛擬網路上直接操控一台真實的車子,並在真實的場地裡進行比賽,將遊戲操作介面架設在網站上,遊戲者不須專屬遊戲程式,只要使用瀏覽器,登入到指定網頁,並利用車子上所架設的無線CCD攝影機作為影像回饋,便可進行網路遙控賽車遊戲競賽。

如圖3所示,我們設計一台架有攝影機的真實遙控賽車,並搭建驚險刺激的比賽場地,使用者可在任何時間、任何地方,連接到網路遙控賽車的操作網頁上,遙控賽車前方的影像會傳達至網頁上的影像視窗,讓使用者如臨其境般地操作著遙控賽車,就像在真實的場地暢快地奔馳。

3. 網路遙控賽車

經由網路遙控賽車的實作經驗,再仔細檢討後,發現其符合傳達遠方“臨場感”給使用者的定義,但卻不能讓遠方的人們深刻感受到使用者的“存在感”。如何讓使用者透過一套系統來看到想看到的景象,移動到想要到的地方,就好像有一個分身、代理人一樣,可以跟遠端的人、事、物作最直接的溝通則成為接下來研究的重點。

3. 遠端代理機器人的設計規劃

為了讓我們的研究能充分的表現出使用者的存在感,因此我們產生新的構想,應用“Telepresence”概念成為一種新的溝通方式,不同於現有的電話或視訊會議系統,不但能夠傳送聲音、影像,更能將一個人的存在感完整的傳至遠方。根據這個想法,我們提出“Telepresence agent-遠端網路代理機器人”研究概念,希望能成為新一代的溝通工具。首先我們將此遠端網路代理機器人所要達成的設計目標(mission statement)設定如下:

「代理機器人作為使用者在遠端的助手與溝通工具,能充份表達近端使用者之存在感,並與遠端人們進行最直接的互動與溝通,並將所需資訊由遠端傳回給近端使用者」。

具體而言,我們希望結合網際網路,讓使用者直接控制遠端網路代理機器人,傳送使用者實體的“存在感”,而遠端的“臨場感”也以各種感測訊號透過網路回饋給使用者。

我們希望設計一種新的溝通工具,提供一種更具臨場感、真實表達使用者存在的溝通方式,即使雙方處於遙遠的兩端,更能擁有最直接的互動,因此我們觀察日常人們交談時常有的習慣,發現聲音及臉部表情的互動是必備要件,頭部擺動、腳步移動、手勢及軀幹的動作可幫助我們更清楚地表達自已,由上述的觀察再加上“Telepresence”的概念,我們規畫出遠端網路代理機器人整體系統具有以下的基本功能:

(1)       以網際網路作為溝通管道。

(2)       使用者能隨意操作著代理機器人觀看所需要的角度。

(3)       能有自由的行動能力,到達使用者想到達的地方。

(4)       影像與聲音的雙向溝通。

(5)       即時的訊息傳輸與回饋。

設定了設計目標與所要達成之基本功能後,接下來要建構整體系統概要圖,以找出系統所需包含的元件,並將各個元件分為幾種特定群組,依照特定群組建立系統大略幾何佈置圖,並找出群組間的交互作用【Ulrich and Eppinger, 1995】。整體系統包含Client端(使用者操作端)及Server端(代理機器人所處環境),圖4Client端系統概要圖,代理機器人傳回之影像、聲音會及時顯示在螢幕上,使用者操作搖桿產生控制訊號,並將這些訊號透過網路傳送至Server端,控制代理機器人的頭部機構與行動機構,觀看所需觀看的角度、到達想要到達的地方;而使用者臉部表情可藉由CCD攝影機傳送至代理機器人上所裝設的LCD顯示螢幕。

4. Client端系統概要圖

5Server端系統概要圖,Server端接收Client端經由網路傳送過來的控制訊號,以無線方式傳送至代理機器人的中央處理器,而這中央處理器包含無線接收模組與馬達驅動IC,無線接收模組接收到Server端傳送的數位訊號,控制馬達驅動IC,驅使代理機器人的頭部機構與行動能力的傳動馬達,產生指定的動作;頭部機構上所裝設的CCD攝影機將前方影像經過網路傳回至使用者的顯示螢幕;LCD顯示器可以顯示使用者的臉部表情,再加上語音傳輸,以雙向溝通方式達到最直接的互動。

5. Server端系統概要圖

4. 遠端代理機器人的細部設計

由以上系統概要圖,可以將圖中的實體元件分為幾個群組,建立如圖6所示的遠端代理機器人整體系統的初步幾何佈置圖;在Client端,將電腦、控制搖桿組合成一群組,其功用為接收使用者之控制指令,經過自行撰寫的電腦程式判斷與處理,例如何時控制代理機器人頭部旋轉機構,何時控制其行動機構等,依序透過網路傳送至Server端;在Server端,電腦與無線發射模組為一個群組,Server端電腦接收到控制指令後,同樣經過程式判斷與處理,控制無線發射模組傳送數位訊號;代理機器人包含CCD攝影機、頭部機構、中央處理器與行動機構為一個群組,以中央處理器為控制核心,接收數位訊號,控制頭部與行動機構的馬達,產生指定動作,而CCD攝影機將擷取之影像傳回Client端,達到影音溝通之功能。接下來,進一步介紹遠端代理機器人所需之技術作一說明。

6. 系統幾何佈置圖

l          搖桿控制

我們使用搖桿來操控代理機器人頭部轉動與移動,本計劃目前應用技術為DirectX7 SDK(Software Development Kit)軟體開發模組,撰寫Visual Basic程式並引用DirectX7 SDK來控制輸入設備,例如鍵盤、滑鼠,或遊戲專用的搖桿、飛行舵等;程式將搖桿上的元件分為按鈕(button)與軸,按鈕就類似開關,有開(按下)與關(放開)兩種狀態,而軸的狀態可分為轉動方向與轉動值(X軸與Y軸),由按鈕與軸互相搭配,便可產生控制代理機器人的頭部與移動操作指令。

l          網路遙控技術

本研究以“Telepresence-遠端臨場”為技術核心,控制原理如圖7所示,我們使用Visual Basic語言撰寫TCP/IP程式,建立Client端與Server端溝通的橋樑,Client端之應用程式自動偵測使用者何時操控搖桿輸入控制指令,經過判斷,將符合的命令字串透過TCP/IP傳送至Server端,而Server端接收到命令字串後,判斷符合命令的副程式,這些副程式便是控制代理機器人頭部機構轉動與移動的控制指令,並透過網際網路作為傳輸管道,使用者將控制指令,如頭部轉動、移動訊號透過網路傳至Server端,傳送至Server端後,以程式判斷出遠端代理機器人下一步的動作,並控制無線發射模組傳送無線訊號至代理機器人之中央處理器,控制馬達產生所需之動作。

7. 網路遙控原理說明

l          無線收發模組電路

無線收發模組是一種常用的無線電遙控電路,常用於汽機車遙控、防盜保全等;本研究結合無線收發模組電路與馬達驅動IC作為代理機器人的中央處理器,無線收發模組分為發射器與接收器,基本原理如圖8所示,Server端電腦連接無線發射器,總共有四組數位輸入訊號,而中央處理器上的無線接收器上有四組數位輸出訊號,可以產生01等訊號,以兩組互相排列組合,真值表如表1所示,作為馬達驅動IC輸入訊號,便可無線遙控馬達正轉、反轉、停止與煞車等動作。

8. 無線遙控說明

1. 無線接收器真值表

l          代理機器人外型與機構設計

遠端代理機器人可說是使用者的分身,人性化的設計是必須的,我們設計一類似人頭部轉動的二維機構,可模擬人頭部點頭與轉頭等動作,圖9為代理機器人頭部機構實體圖,馬達1提供水平旋轉運動,模擬人類頭部的轉動;馬達2帶動一四連桿機構,當馬達2轉動時,可以模擬人類頭部仰視、俯視等動作;四連桿機構提供一平台,用來架設CCD攝影機。

10為代理機器人行動機構說明,在左右兩邊裝設減速馬達,兩顆馬達的轉速與方向的控制,可操控代理機器人前進、後退、轉彎等動作;馬達帶動履帶傳動機構的設計可增加代理機器人移動時的穩定效果;鉛蓄電池提供所有代理機器人傳動機構、影音設備等電力來源,鉛蓄電池比一般乾電池蓄電能力效果佳,且可重複充電,缺點是體積龐大,增加馬達負荷。

9. 頭部旋轉機構說明

10. 移動機構說明

我們使用一中空塑膠圓管作為代理機器人的軀幹,中空塑膠圓管本身質輕與易加工,並可承受頭部機構與其他設備等軸向重量,相關電路也可收藏在裡面,減少複雜電路,再與行動機構結合,便可完成遠端代理機器人之雛形,為了讓代理機器人有一個人性化的外表,加以少許包裝完成如圖10的遠端網路代理機器人設計原型。

10. 遠端網路代理機器人成品圖

4. 遠端代理機器人的試用

遠端網路代理機器人目前產品定位則是設定在老人照護,在遙遠外地工作的子女所雖不能親自來到父母親面前,仍能透過此遠端網路代理機器人將子女的存在感傳遞給父母,使父母有子女隨侍在旁的感覺。本研究完成之設計雛形在資策會舉辦的第五屆長青資訊月展出,在展覽的過程中,遠端網路代理機器人引起長輩們高度的興趣及不斷的詢問與試用,顯示這個新的溝通方式是可被高齡人士所接受的,觀察高齡人士現場試用過程,也發現利用遠端網路代理機器人的確達成了比單純影音訊號更多向度的表達與溝通。圖11為長青資訊月展覽的情況。

11. 資策會展覽現況

在參展期間經過七天實際試用,我們發現一些技術缺失與困難,仔細檢討,可歸納出以下幾點,說明如下:

          影音訊號易受干擾

在進行「網路遙控賽車」計畫,我們使用影音擷取卡,將CCD攝影機所拍攝的影像數位化,並透過網路傳送至使用者顯示螢幕,雖然有些許延遲現象,但可證實影音訊號可透過網路傳送;而限於長青資訊月的參展場地,遠端代理機器人是以雙向影音溝通,並沒有透過網路傳送,可以有清晰與及時的影音訊號,但是在參展期間,眾多參觀民眾會干擾到影音訊號,效果不佳。

          馬達負荷過重

遠端代理機器人所需電源的設備包括CCD攝影機、無線影像傳輸器、LCD顯示幕、中央處理器與馬達等,電力需求高,就必須增加鉛蓄電池數量,導致整體重量增加,馬達轉速降低,無法類似人行走的速度,甚至發生馬達與傳動軸脫離狀況,在鉛蓄電池數量無法減少的情況下,可以更改馬達規格,尋求效率更高的馬達。

5. 結論與未來研究方向

本研究開發的遠端代理機器人雛形已經完成,並已具備大部分功能,在長青資訊月展出時也獲得不少的回響,但是經過較長期試用及與顧客直接的溝通,我們也發現許多需要改進的地方。在未來的研究方向,除了改進前一節提到的技術困難外,我們並希望增加遠端代理機器人的功能,例如使用者可以調整代理機器人的身高,得到不同的觀看感受;也可以加裝一機器手臂,使用者可控制機器手臂來表達使用者的手勢,使“存在感”提高至另一層面。

參考文獻

Akin, D.L., Minsky, M.L., Thiel, E.D., and Kurlzman, C.R., Space applications of automation and robots and machine intelligence systems (ARAMIS)Phase , NASA Contract Rep.3734, 1983.

Robert, J.S., Ryoji N., and Junji, N., “Telepresence Mobile Robot for Security Applications” Proceedings. IECON '91., International Conference, Industrial Electronics, Control and Instrumentation, Vol. 2, pp.1063 –1066, 1991.

Sheridan, T.B., “Human supervisory control of robot system,” in Proc IEEE Int. Conf. Robotics Automation. San Francisco. CA. pp.808-812, 1986.

Sheridan, T.B., “Musing on Telepresence and virtual presence,” Presence, Vol.1, No.1, pp.120-126, 1992

Shimoga, K.B., and Khosla, P.K., “Touch and Force Reflection for Telepresence Surgery” Engineering in Medicine and Biology Society, 1994. Engineering Advances: New Opportunities for Biomedical Engineers., Proceedings of the 16th Annual International Conference of the IEEE, Vol. 2, pp.1049-1050, 1994.

Stoker, C.R.; Burch, D.R.; Hine, B.P., III; and Barry, J. “Antarctic undersea exploration using a robotic submarine with a Telepresence user interface.” IEEE Expert, Vol. 10, Issue. 6, pp.14-23, 1995.

Ulrich, K.T., and Eppinger, S.D., Product Design and Development, McGraw-Hill, New York, 1995.