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作者:林能祺、馬安一、楊哲彰、陳義榮、邱柏硯(2003-10-29);推薦:徐業良(2003-10-29);最後更新:楊哲彰(2004-03-21)

Telepresence Gazer之設計

摘要

隨著通訊技術以及資訊科技的發展,人們溝通與資訊交流的方式已能同步整合影音訊息的傳送,增加了溝通時的真實與臨場感受。在以文字、聲音、影像作雙向溝通之外,本研究更嘗試在利用網際網路溝通過程中加入機械性的動作的傳輸,透過網際網路「遠距(tele-)」的方式傳輸實體的「存在(presence)」,並結合日常生活應用發展一套“Telepresence Gazer”,除了建構一種新的遠端溝通方式外,並進一步提供遠端監控的功能。

關鍵詞:遠端臨場、網際網路、遠端監控。

Abstract

With the rapid development of information and communication technology, information interchanged has integrated both audio and video signals to enhance the reality in communication. Our research attempts to transmit the mechanical presence through the Internet, and develops a “Telepresence Gazer”. Telepresence Gazer not only provides a new way of communication, but also provides the remote monitoring function to meet further needs by industry or commercial applications.

Keywords: telepresence, Internet, remote control.

1.         遠端臨場技術

通訊技術的演進開始漸漸改變人類的溝通方式,通訊的範圍與距離越來越大,溝通的工具,更因為同步整合影音訊息的傳送,因此增加了溝通時的真實與臨場感受。在以文字、聲音、影像作雙向溝通之外,本研究發展“Telepresence Gazer”的設計目標,則是在進一步提供機械性動作的傳輸,這樣的設計想法就如同在遠端建立一個「代理人(agent)」,能依據使用者的意志作溝通、肢體動作、甚至監控的功能。

「遠端臨場技術(Telepresence)」是結合虛擬實境與遠端遙控的新興研究領域,遠端臨場技術由字面上解釋,是Tele(電傳、遠傳)加上Presence(臨場、存在)的意義組合,將遠端真實的環境資訊傳回給近端的使用者,讓近端使用者有身處遠端環境的臨場感。早在80年代,NASA就將遠端臨場技術應用在太空科技上,來幫助太空人處理外太空困難與危險的任務,Akin等人[Akin et al, 1983]定義遠端臨場技術為:「在工作端的機器人有足夠的靈活度讓操作者執行人類一般工作,在控制端操作者能夠得到足夠量與質的感官回饋訊號,讓操作者得到工作端的臨場感。」所以遠端臨場技術就是將遠端環境的狀態真實地呈現給使用者,讓使用者有身歷其境的感受,不同於虛擬實境應用,使用者藉由遠端臨場可接觸到遠端真實的人、事、物,產生互動關係。本研究則希望將遠端臨場技術建構在網際網路上,使其應用更方便、普及。

2.         Telepresence Gazer整體設計概念

本研究發展之Telepresence Gazer定位在居家環境中裝設,長時間在外的屋主可以透過網際網路與系統連線,開啟視訊功能,操縱其移動,檢視家中四周的環境是否有異樣;家長或是家庭醫師也可用同樣的方式,探視家中的高齡者或幼童,甚至可以使用音訊對話,即時開始語音互動。在此概念下,Telepresence Gazer的基本功能如下:

(1)   遠端使用者影像檢視:近端使用者可藉由網際網路連結至Telepresence Gazer後,在電腦上直接瀏覽同步視訊影像,並可針對不同的網路傳輸速度選擇畫面解析度。

(2)   音訊雙向同步溝通:系統搭配音訊模組,遠端使用者可與對方進行同步語音雙向對話。

(3)   系統機動性:整體系統可以在遠端環境內自由走動,攝影機也可經由特定機構進行轉動,所有的機構動作可由遠端使用者經由瀏覽器網頁操控。

影像及音訊傳輸上,主要是結合現有網路攝影機(IP CAM)產品達成。在機動性設計上,Telepresence Gazer採用軌道方式設計,系統搭配傳動裝置於軌道中移動。除了上述基本功能之外,我們並進一步規劃遠端監測自動預警模式,裝置各式感測器,藉由判斷室內突發聲響或其他異常狀況,Telepresence Gazer將會主動傳送訊息及畫面至遠端電腦,以提醒遠端使用者留意。

依此設計概念,圖1Telepresence Gazer系統概要圖,說明系統中各個元件裝置的相互關係與工作流程。近端使用者透過「網際網路」及遠端Gazer上的「集線器」,連接至搭載「聲音模組」之「網路攝影機」,遠端之影像即可以循相反路徑傳輸回近端使用者,聲音則可作雙向傳輸(由「麥克風」接收、「揚聲器」播放)。近端使用者並可透過「單晶片網路伺服控制器」控制「直流減速馬達」帶動「攝影機承載架」作上下左右轉動,以擷取所需影像,亦可控制「伺服馬達」帶動「傳動機構」、使Gazer在軌道上行走。所有設備都經由「電源供應模組」提供所需電力。

1. Telepresence Gazer系統概要圖

3.         子系統設計

系統概要圖中的實體元件,可進一步依據功能分成控制介面、感測子系統、傳動機構子系統、及電源供應模組等四個子系統,圖2為產品幾何大略佈置圖,表示各模組的相對位置,以下詳細討論各子系統之設計。

2. 系統大略統佈置圖

(1)   控制介面

控制介面包含控制軟體以及PIC_Server單晶片網路伺服控制器,為系統核心。本機台使用之單晶片網路伺服控制器是由元智大學機械系自行開發,將PCI14F452 8Bits單晶片結合網路通訊機制,除了基本的訊號I/O功能之外,更可呈現動態HTML網頁功能。EEPROM允許使用者撰寫程式並燒錄於記憶體中,即可依使用者需求執行特定功能。Telepresence Gazer的控制軟體以Visual Basic程式開發,安裝於近端電腦中。欲使用Telepresence Gazer時,直接開啟電腦中的控制程式,系統便自動與PIC_Server單晶片控制器和網路攝影機連線,待登入PIC_Server控制器後,出現的網頁瀏覽器介面如圖3所示,網頁可顯示攝影機擷取的即時畫面,「遠端地圖」可告知使用者遠端場地佈置;使用者可依照網路速度調整「模式選擇」中的畫面解析度選項,以得到較佳的瀏覽效果,「動態顯示欄」可以文字方式顯示系統訊息。右下角四個方向鍵以滑鼠點選控制攝影機鏡頭的轉向,「前進」與「後退」鍵可控制機台於軌道中的行進。

3. 網頁介面設計

(2)   感測子系統

包含網路攝影機、音訊模組、麥克風、揚聲器、以及未來可能加入的其他感測器,可擷取遠端影像、聲音、和其他訊號。網路攝影機採用Axis Communications公司的AXIS 2100 Network Camera,該款為定址型網路攝影機,可由使用者指定的網路IP位址直接與電腦連線,影像訊號不必經過額外的驅動軟體處理即可傳送回網頁瀏覽器。音訊模組為同廠型號的AXIS 2191 Audio Module,搭配麥克風和揚聲器,可達成雙向語音互動功能。遠端的聲音首先經由麥克風收錄後,訊號傳送至音訊模組進行訊號處理,再將音訊送至網路攝影機和影像訊號一併由網路傳送回電腦端控制軟體,近端使用者的音訊亦同樣依照反向路徑傳送至音訊模組後,再由揚聲器發聲。至於其他感測器,如溫溼度等等感測元件都可以藉由與PIC_Server控制器的I/O連接阜連接,將電訊由網路傳送回近端電腦控制程式進行處理,但本機台初步並無安裝感測器,可視需要加裝。

(3)   傳動機構子系統

傳動機構包含軌道,以及驅動系統機身於軌道中移動,和控制攝影機承載結構的轉向以改變影像範圍的兩個傳動機構。軌道外觀如圖4所示,軌道以圓形中空不銹鋼管為主體,於兩側加裝PUPE材質的長條,並於各自組件上鑽孔,以螺栓緊鎖接合,該長條的頂面為與裝置傳動機構(輪胎)承載的接觸面;整個軌道總成與室內輕鋼架的接合,以不破壞輕鋼架為前提,與天花板鎖合於輕鋼架上,此固定方式能夠使軌道更穩固,不易左右晃動,且不必破壞輕鋼架本體,完全合乎美觀的訴求。圖5中軌道剖面圖說明軌道組裝的方式。

4. 軌道外觀示意圖

5. 軌道組裝剖面示意圖

軌道傳動機構設計如圖6所示,組件均為壓克力材質。傳動方式以3個輪胎承載於軌道,由於考慮到軌道彎曲處行進間所產生內外輪差速之問題,因此採用單邊兩輪傳動,以伺服馬達(FUTABA S3001)為動力源,由PIC_Server單晶片網路伺服控制器以PWM訊號控制。一般伺服馬達多應用於遙控載具的機構控制,例如車輛轉向或飛機機翼等等,其轉軸輸出僅有90度(±45度)限制,無法連續旋轉而成為有效的動力源,因此此處伺服馬達需進行改裝,解除轉軸角度限制並重新調整內部的電位計準位,使伺服馬達可依據PWM信號產生正反轉動作以及不同的轉速。驅動輪單側並裝設2個輔助輪,以防止行進時可能造成的偏移或不穩定現象,特別是位於軌道彎曲處更能發揮功效。支撐輔助輪的長條矩形薄板具有撓性,可隨著不同的軌道直徑或曲率半徑而彎曲,有類似彈簧的功能,此設計方式可增加傳動機構與軌道的密合度。圖7為傳動機構與軌道的嵌合情形。

6. 軌道傳動機構設計

7. 傳動機構與軌道嵌合示意圖

雖然Telepresence Gazer能夠於軌道中任意移動,但是在視野上仍然會有許多死角,因此於攝影機承載結構中加入轉向機構,提供水平與垂直轉向,達成改變擷取視野之要求。攝影機承載結構如圖8所示,分別由兩具DC 6V7rpm減速馬達驅動產生水平與垂直方向轉向,並且透過適當電壓匹配微調馬達轉速。馬達轉軸的角度遞增量以PIC_Server控制器輸出電壓的持續時間決定,驅動電壓為5V,輸出持續時間設定為450ms,約產生22度的角位移。此外並加裝極限開關限制轉動的極限角度,防止因過度的單向轉動造成連接線材拉扯、纏繞與捲曲。水平、垂直轉動角度範圍分別約320度與150度,加上網路攝影機本身的廣角鏡頭,可達成大範圍的全周視野瀏覽。

8. 攝影機承載機構

Telepresence Gazer在外形的設計上,以“結構即外觀”的設計手法,並大量使用螺絲螺帽等傳統機械元件,達成減少材料並強調視覺上的機械強健性的目的,賦予使用者心理上的可靠與安全感。材料選用上以半透明的機身結構材質,減少視覺上厚重的感覺,帶給使用者輕盈外形印象,此外半透明的機殼也可透視內部元件裝置以彰顯科技感;強烈的機身色彩,以呼應當今產品重視個人化的設計風格。

機箱主要用於裝載系統的主要裝置,包括PIC_Server控制器、音訊模組、電源供應模組、集線器、揚聲器等,又支撐整個攝影機承載架,因此承受相當多的重量,因此考量結構之強健性,材料採用5.5mm壓克力版,以兩個「口」字形結構為基礎骨架,再與其他結構件組合而成,機箱內部以隔版分層,分別放置不同的裝置(如圖9)。

9. 機箱外觀設計示意

(4)   電源供應模組

Telepresence Gazer採用外部供電,電路設計如圖10。電源先經過外部的變壓器(DC 12V 100W)變壓後,連接至系統內部的配電模組,由於系統內各個元件的電源需求在DC 5V~DC12V不等,因此電源供應模組將電源劃分成數個輸出,每個輸出線路均以穩壓ICLM7805LM7806)以及電容穩壓,穩壓IC加裝散熱鰭片並設置冷卻風扇,以確保電源供應的穩定,並且避免穩壓IC過熱燒毀。

10. 電源供應模組電路圖

4.         系統整合

Telepresence Gazer各子系統經過個別測試,確認各功能正常且無相互干涉之後,最後進行系統整合,如圖11與圖12所示。在機台啟動電源後,近端使用者僅需開啟控制程式即可連線登入系統,待連線成功後隨即產生如圖13的介面畫面,即可正常操作。系統可於軌道中的移動、影像全周瀏覽、音訊互動等預設的基本功能。Telepresence Gazer於軌道中的最大移動速度約為8cm/s,可由改變PWM信號調整伺服馬達之轉速。

11. 系統整合外觀示意圖

12. Telepresence Gazer實體成品

13. 控制介面網頁

5.         結論與討論

本研究嘗試在利用網際網路溝通過程中加入機械性的動作的傳輸,並結合日常生活應用發展一套“Telepresence Gazer”,除了建構一種新的遠端溝通方式外,並可進一步提供遠端監控的功能。目前本系統已可達成預設的基本要求與功能,除了對於性能上的改進,如系統穩定性、反應速度、介面親和性以及本體外觀等等之外,未來的訴求為同步影像與聲音的雙向互動,遠端與近端可同時以影音方式溝通,此外更可以進一步結合模擬的機械性肢體動作來傳達模擬情緒的呈現,達成真正Telepresence-遠端臨場的訴求。

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.

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