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作者:黃傑容、林冠宏、彭及聖、劉建新、黃振嘉(2002-12-24);推薦:徐業良(2002-12-24)
附註:本文登載於元智大學機械工程學系九十一學年度學士論文集。

互動式遠端弈棋系統之研發

摘要

本研究針對高齡者族群設計一套互動式遠端弈棋系統,遠端使用者透過網際網路作為遠端遙控的媒介,運用單晶片控制近端高齡者實體棋盤,驅動步進馬達進行二維X-Y平面運動機構與磁力吸頭的定位。與一般電腦弈棋遊戲不同的是,近端高齡者操縱一副真正的棋盤與棋子,不是面對呆板的電腦螢幕、利用滑鼠在電腦上下棋,而是能夠真正以雙手直覺式操控。

1.     研究背景與目標

隨著醫學和科技不斷的發展,人類的壽命逐漸的增長,老年的人口比例已經大幅的增加。根據經建會的資料,臺灣地區在199465歲以上人口即已達7%,而開始邁入高齡化社會,估計未來老年人口(65歲以上人口),1996-2000年平均每年增加55千人,占總人口比率由7.7%提高為8.4%2000-2010年平均每年增加47千人,占總人口比率再升為9.8%2010-2025年平均每年增加達124千人,占總人口比率更升高為16.5%1】,高齡化社會的來臨,使老人的健康問題漸漸被受到重視。

除了老化所帶來的生理退化之外,社交生活對銀髮族而言也十分重要,社交活動比較活躍的老人通常除了在體能之外,在心智上也能保持很好的狀態。簡單的社會活動包括訪友、下棋、上餐館、打牌…等,不同的活動參與,可刺激老人的智力、活動力及體力的運用與保持。雖然老人的休閒活動是如此重要,但在國內似乎不太受到重視,在眾人大聲疾呼給與青少年安全且多樣的休閒活動時,老人的休閒品質的提升似乎被遺忘了。如何設計適當的老人休閒產品,提升老人休閒品質,進而幫助他們的心智保持年輕時的巔峰,是一個值得研究的課題。

市面上許多搭配擬真的周邊產品遊戲機,包括吉他、爵士鼓、光線槍、賽車方向盤、球棒…等,這些東西大幅提升使用者的臨場感。對於高齡者而言,使用搖桿或鍵盤來下棋,不但無法直覺式地操作棋子,多數高齡者對科技有一份恐懼,降低高齡者從事休閒活動的興趣。

近年來網際網路的發展已日趨成熟,各種網路技術也隨之蓬勃發展,不論是檔案的傳輸、影音的傳送、遠端遙控…等,都已廣被應用在日常生活中。各式電玩遊戲亦以線上及時對戰為主流趨勢,若能結合網際網路功能,近端高齡者可藉著休閒活動的同時與遠端子女或朋友溝通,在休閒活動外進而達到情感的交流與關懷的目的。

擬真化與網際網路應用是休閒產品發展的趨勢,本研究目的即在設計一套互動式弈棋系統,以網際網路為架構,透過瀏覽器連上指定網頁,輸入所要控制的伺服端IP位址,便可透過網際網路可以很容易的找到志同道合的朋友一起遊戲,還能夠讓在外地工作的子女可以隨時透過網際網路與年邁的父母保持互動。而近端的實體棋盤與棋子,拉近高齡者與科技的距離,藉著高齡者進行休閒活動的同時,訓練高齡者思考能力與肢體活動能力,藉此提昇高齡者健康與休閒生活的品質。

2.     應用遠端臨場技術的設計概念

本研究所設計的遠端互動式弈棋系統,給予老人真實的弈棋操作環境。此一真實的平台擁有著真正的棋盤與棋子,近端高齡者實際移動真實的棋子,加上視訊設備提供即時遠端操縱者的影像與聲音,達到真實的感受。

此系統最關鍵的技術為「遠端臨場(Telepresence)」技術,此項技術在80年代就已在太空任務中廣為使用,它能提供的不只是聲音與影像的傳輸,而是要使用者感覺自己真實的存在另一空間或時間之中,透過網際網路傳輸自己與他人的“存在”。學者Sheridan解釋Telepresence遠端臨場技術為“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”【2】。我們將應用此技術嘗試與傳統遊戲結合,讓老人可隨時享受真實的遊戲體驗。

在遠端控制所需軟體工具方面,VB語言供了一個“Microsoft Winsock Control”控制元件,在操縱程式上設定其相關屬性與方法,便能搭起應用程式與TCP / IP之間的橋樑,設計出所需的遠端遙控相關技術,也就是遙控端與伺服端的應用程式。當用戶端的應用程式裡有指令輸出選擇介面,當使用者動作其指令時,用戶端便將此命令的字串透過TCP / IP傳送到伺服端,當伺服端接受到命令字串後,判斷符合操作命令的副程式,便開始執行動作,執行完畢後,回傳訊息給用戶端,便完成所指定的動作。利用這個技術,操作者不必在現場也能對所操縱的物件下達命令,我們所設計的平台上,將使用此技術,讓使用者身處任何地方,也能控制在遠端的機台。

1是本研究互動式遠端弈棋系統之架構圖,我們希望提供一套能與老人下棋的系統,顛覆傳統市場的象棋遊戲,除了擁有真實的下棋平台,更結合現代科技,創造出一款與眾不同的產品。如圖1所示,操作者在一副真正的棋盤,以自由活動的棋子下棋,高齡者不必利用滑鼠鍵盤,而是能夠真正的動手移動棋子,藉由拉近高齡者與科技產品的距離。遠端操作者B可利用電腦下棋,或採用同樣之弈棋系統下棋,而本系統運用遠端臨場技術,利用網路即時影音傳輸技術,以及網路遠端遙控系統,透過網際網路傳輸,近端使用者的棋盤即時反應遠端使用者棋子作。本研究所設計的遠端互動式弈棋系統,給予老人真實的弈棋操作環境。此一真實的平台擁有著真正的棋盤與棋子,近端高齡者實際移動真實的棋子,加上視訊設備提供即時遠端操縱者的影像與聲音,達到真實的感受。

1. 系統流程圖

3.     機台硬體設計

互動式遠端弈棋系統硬體部分包括支撐架構、X-Y平面滑移機構、以及磁力吸附裝置等三個子系統。

(1)   支撐結構

2為互動式遠端弈棋系統機台設計圖,外型為一正方體,其上平面的大小與棋盤相當,利用四個邊的受力來加強棋盤的支撐,而在四個支撐柱的下端給予補強,以避免下棋時的過度用力造成變形,在主結構中間的空間利用上,將X-Y平面移動系統所含的傳動元件、動力源、和移動裝置,作空間的壓縮,使之簡單化。

2. 互動式遠端弈棋系統機台設計圖

(2)   X-Y平面滑移機構

3為本設計之X-Y平面滑移機構,主要功能在接收遠端控制訊號後,透過磁力吸附裝置吸附有磁性的棋子,帶動棋子至棋盤上指定位置。X-Y平面滑移機構利用步進馬達搭配皮帶輪和皮帶,以帶動滑座,步進馬達由其驅動器供給電能,而驅動器則接受電腦控制,電腦逐一收集感測器介面的輸入訊號,加以處理後,控制XY軸馬達的定位及轉速,依照順序完成電腦程式所設定的步驟。X-Y平面滑移機構中使用有齒的定時帶,而非一般的平皮帶齒,定時帶因為有齒,皮帶與皮帶輪之間不會發生打滑,比較可以確保傳動關係。

3. X-Y平面滑移機構

(3)   磁力吸附裝置

如前所述,磁力吸附裝置的主要功能是吸附有磁性的棋子,如圖4、圖5所示,利用直流小馬達作為動力來源,控制磁鐵吸頭的上升下降,並配合X-Y平面滑移機構,便可進行X-Y平面的棋子定位動作,在此鐵吸頭的圓棒另一端,掛一荷重,當斷電時磁力吸附頭便因重力而自動歸位

4. 磁力吸附裝置示意圖

5. 磁力吸附裝置實體圖

4.     X-Y滑移定位控制系統設計

X-Y滑移定位控制系統以單晶片(PIC)作為核心,利用PIC所發出的數位脈衝訊號控制步進馬達動作,目的在接收遠端電腦傳來之指令,控制步進馬達將棋子移動至預定的位置。控制系統包括步進馬達驅動器、單晶片、及控制程式等三個單元,分別描述如下。

(1)    步進馬達驅動器

選定步進馬達、求得步進角後,利用單晶片控制介面卡上腳位電壓訊號的改變產生脈波,再依照需要輸入脈波數來控制步進馬達產生正轉、反轉等動作,經過驅動器放大訊號,便能控制步進馬達。

(2)    單晶片(YZ-PIC控制器)

我們以元智大學機械工程學系吳昌暉教授針對PIC16F877所開發的「元智皮可單板控制器」為系統核心,可單向驅動8個直流1A以下的負載、或正反轉變速驅動4個小馬達或兩個步進馬達,並有許多空間供使用者自行加裝各式周邊電路。

PIC16F877除了基本電路所佔用的7支接腳外,其餘的33支接腳都可當成輸出、輸入接腳,輸入輸出埠是單晶片基本界面,可以與周邊電路進行電路控制和信號傳輸與檢測。PIC8位元的單晶片,以接腳特性分組,每組盡量湊滿8支接腳,並將I/O命名為PORTA(RA0~RA5)PORTB(RB0~RB7)PORTC(RC0~RC7)PORTD(RD0~RD7)PORTE(RE0~RE2)等。

(3)    控制程式

PIC16F877常用的語言有組合語言與C語言兩種,組合語言是將每一個機器碼使用一個文字代號代表,比較接近處理器真正動作模式;而C語言是比較符合人們的使用習慣,事先將組合語言組合成C語言形式,使用較為方便。

6為本系統控制程式,X-Y滑移定位控制系統有兩個步進馬達,步進馬達可以有正反兩種方向的轉動,當其驅動器在其 “cw”接收脈波訊號時,它就會順時針方向轉動,而如果在其“ccw”收到一脈衝訊號時,則馬達會往反方向轉。馬達1的驅動器接到pinb1pinb2pinb1接到ccwpinb2接到cw;馬達2的驅動器接到pinb3pinb4pinb3接到ccwpinb4接到cw。接著讀取從鍵盤輸入的訊號,假如訊號是“a”,這時只有pinb1pinb2接收到訊號,所以會往左轉(x方向)5倍的步進角,轉動的角度跟所走的距離關,激磁的速度則與馬達轉速有關;訊號為“b”pinb3pinb4收到訊號,所以會往後轉(y方向)5倍的步進角,訊號為“c”時,pinb2pinb4收到訊號,所以會向前向右轉(右上田字)5倍的步進角。

6. X-Y滑移定位控制系統程式

目前本系統仍以近端電腦單機操作作測試,接下來需配合網路作遠端控制。遠端控制系統主要分為Server端程式及Client端程式,Server端程式即以VB設計能控令字串按鈕,控制步進馬達正轉、反轉,再將相對應制電壓改變,並以迴圈形成連續脈波訊號,而在Client端程式裡,則配合設計需求設計命的副程式設計在Server端裡,如此便能透過網路遙控步進馬達。

除網路遙控之外,遠端遙控之互動式下棋平台本系統也將透過網路提供視訊功能,將棋盤狀況提供給遠端使用者。此視訊系統要求,以一般市售的會議視訊系統即時影像處理功能即可達成。

5.     成果與討論

本研究目前已經完成初步的第一代系統,使用者可以利用電腦輸入方式控制棋子X-Y平面定位與滑移動作,未來將繼續增加網路控制及視訊系統的功能。未來的發展,系統體積縮小與機構運動流暢度是要繼續努力的方向。此外經過實際運作測試之後,我們發現到步進角精確度長期往復運動下,誤差會慢慢累積,未來必須針對定位歸零更深入地研究。希望再不久的未來,此機台能真正用在老人休閒活動上。

6.     感謝辭

在研究過程中,要特別感謝徐業良老師的協助,徐業良老師及王崇飛老師給予我們許多的意見與忠告。最佳化設計實驗室的學長們也給予我們許多的指導,在設計過程中有許多的困難,對於每個成員的配合及努力,所花的心血,相信也會得到甜美的果

7. 參考文獻

[1]     經建會人力規劃處,民八十六年,“未來人口高齡化趨勢之國際比較”,http://cepd.spring.org.tw/News/newinform/970902.html

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