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作者:林能祺、馬安一、楊哲彰、邱伯硯(2004-02-18);推薦:徐業良(2004-03-29)
附註:本文描述92年資訊月「遠距看護」主題館展出之遠距看護車設計,製作成果於9211月底至931月於台北、台中、台南、高雄巡迴展出。

92年資訊月主題館遠距看護車之設計與製作

1.         設計計畫背景與目的

元智大學機械工程學系在應用「遠端臨場(Telepresence)」技術的產品開發與應用,已有初步的研究成果,如遠端代理機器人、網路遙控車(圖1)、Telepresence Gazer(圖2)等,都屬於相關的技術應用。92年全國資訊月承辦單位台北市電腦同業公會邀請本系參與92年資訊月「遠距看護」主題館展出,配合本年度資訊月主題「駕馭無線科技,體驗行動生活」,以無線網路架構為前提,應用遠端臨場技術,設計一部「遠距看護車」。

1. 網路遙控車

2. Telepresence Gazer

92年全國資訊月「遠距看護」主題館為一個概念性的展示,展出場地設計如圖3所示,我們將製作一部小型機動車輛,放置於縮小的居家環境模型,車輛上裝設網路攝影機以及無線網路通訊裝置,遠端使用者可以透過網際網路,經由近端居家的無線網路設備與看護車連線,車輛中配備的網路攝影機,可將影像傳遞回遠端使用者,遠端使用者並可控制車輛在居家環境中自由走動,藉由即時的畫面影像得知居家中或高齡者的狀況。在資訊月主題館概念展示中,使用者是在圖3縮小的居家環境模型前方四個操作台操作遠距看護車。

3. 展出場地設計

2.         遠距看護車設計概念與產品架構

遠距看護車設計概念敘述如下:

“遠端使用者透過電腦上的「軟硬體操作介面」,經由網際網路進入近端「無線基地台」,再以無線方式連接至看護車上的「無線橋接器(wireless AP)」,透過「集線器(hub)」連接遠距看護車上的「網路攝影機(IP cam)」和「單晶片網路伺服器(PIC server)」,控制網路攝影機之動作,並控制「致動器」(伺服馬達)使看護車自由行走。網路攝影機拍攝之影像循相反路線即時回饋給遠端使用者,控制器亦可將遠端訊號(如電瓶電量)循相反路線即時回饋給遠端使用者。所有設備固定在看護車「車體結構」上,並以「外殼」覆蓋,各項電力設備均以「電瓶」透過「配電線路」供應所需電流。”

由此設計概念描述可知本看護車所需主要元件包括:遠端電腦操作介面、近端無線基地、無線橋接器、集線器、網路攝影機、控制器、致動器、車體結構、外殼、電瓶、以及配電線路,產品概要圖如圖4所示。除了遠端電腦與近端無線基地台之外,其他裝置皆裝設於照護車外殼內。

4. 產品系統概要圖

3.         控制與通訊系統設計

遠距看護車控制之控制與通訊系統從圖4遠端電腦VB Client軟體程式,連接到主機端控制器。其中無線橋接器和集線器為市售現有產品,無線採目前普及的802.11b (2.4GHz, 11Mbps)規格。主機端採單晶片網路伺服器(如圖5)裝置在車輛上,遠端電腦為使用者操控端,兩者都必須撰寫個別的控制程式,才能使系統通訊正常運作。

5. 單晶片網路伺服器

(1) 主機端單晶片網路伺服器

單晶片網路伺服器程式流程如圖6所示,當照護車電源啟動後,單晶片網路伺服器開始讀取並執行燒錄於晶片內的程式設定,開始接收來自遠端的電腦命令,依據所接收到的指令,輸出訊號給伺服馬達達成特定的動作。此外單晶片網路伺服器並包含電力偵測程式,以一定的取樣頻率偵測電瓶的電壓(剩餘電力),並將電源剩餘量傳回遠端電腦,在螢幕上作電量顯示。

6. 主機端單晶片網路伺服器控制流程圖

(2) 遠端VB Client軟體程式

遠端電腦的操作介面因應展出之需求,採用市售電玩遊戲控制器(方向盤),兼顧趣味性以及操作之簡便;位於方向盤上有額外的6個功能鍵,可針對不同需求作設定,在本次製作中,功能鍵將規劃用於網路攝影機的控制,分別控制鏡頭轉動與影像縮放功能,如圖7所示。

7. 操控介面(Logictech WinMan® Formula Force™ GP

VB Client操控端的電腦啟動後載入程式,便開啟網路主控程式,待與照護車連線後,主程式會以一定的取樣頻率讀取方向盤、油門與煞車等操控裝置,偵測個別的信號變化量,此處便開始一個高頻率的迴圈判斷式,若信號沒有變化,程式便不會送出新控制指令到主機端單晶片網路伺服器,即車輛將維持原來的運動狀態;若轉動方向盤或改變油門煞車踩踏的近給量,則系統會把偵測到的改變量,依照程式設計內容轉換成一個特定的指令,傳送至主機端單晶片網路伺服器,以控制致動器的和網路攝影機的動作。此外,主機端單晶片網路伺服器有電瓶電力偵測模式,因此也會不斷得將電力資料(剩餘量)傳回控制端螢幕顯示,提醒使用者以及系統維護人員,整個流程如圖8所示。

遠端VB Client電腦程式設計比起主機端單晶片網路伺服器要複雜許多,除了要求每個輸出命令的精密之外,更重要的是必須避免程式的邏輯錯誤。舉例來說,萬一使用者油門煞車同時踩踏,程式該如何回應?我們在程式開發與測試的過程中,不斷的揣測可能的「指令衝突」情況,也針對這些不明確的控制命令額外設計了特定的輸出,以類似真實車輛的特性,設計這些特殊的指令。藉由程式的撰寫,對於車輛的控制固然可以達到相當精密且逼真的效果,但是在此我們也必須同時考慮執行效能的問題,更精密的控制意味著更龐大的程式,可能會造成反應速度過慢的副作用,因此權衡控制精密度與程式執行效能就變得格外重要。此外為了控制網路攝影機,本研究向台灣新力公司取得該產品的程式碼,攝影機的鏡頭轉動以及影像縮放將由VB Client端電腦直接控制,不須經過主機端單晶片網路伺服器。

8. 遠端VB Client程式控制流程圖

4.         其他子系統的設計

(1) 車體結構與外殼

車體結構之製作考慮成本因素,採用壓克力與塑料為主體,同時兼具加工容易、組裝拆卸簡易之優點,設計外觀如圖9所示。車輛外型為求美觀,外殼以透明PVC塑料材質,經由真空成形方式製造,經過裁減,再進行最後塗裝後可得成品,如圖10所示。

9. 車體結構組裝設計

10. 真空成形外殼製作成品

(2) 傳動設計

車輛的致動器以兩具直流伺服馬達為動力源(Futaba S3003 RC Servo,如圖11),分別驅動左右前輪,車輛的轉向即以驅動輪的左右相對差速達成。採用伺服馬達為致動器的好處在於,其轉軸角度以及轉速可藉由PIC_Server的輸出端以PWMPulse Width Modulation,脈波寬度調變)信號作精密控制,但需要說明的是,一般伺服馬達常見於遙控機具的機構控制,其轉軸輸出角度範圍有設限制,常見者約為90度,亦有180度者,因此並非如一般馬達可做360度的連續旋轉,因此本製作計畫中的伺服馬達必須額外改裝,解除輸出轉軸角度限制並進行凖位(neutral position)校正,才能成為一個有效的動力源。

11. Futaba S3003伺服馬達

(3) 電源供應模組

電源由電池供應,採用湯淺公司(YUASA Batteries Inc.)NPH5-12型鉛酸電瓶(12V,最大輸出電流5Ah),該款電瓶外觀圖樣美觀,性能優異,並且可以倒置使用(一般鉛酸電瓶無法倒置使用),因此相當符合我們設計需求。電源配置方面,總電源由此電瓶輸出後,經由多重穩壓後再分配給各個裝置,並加裝散熱風扇與散熱鰭片,避免因降壓產生的高溫降低工作穩定性。電瓶與電源電路都以模組化方式規劃,電瓶位於車體前端,電源電路則裝置於車體前端底盤下。

12. 電池式樣(NPH5-12,台灣湯淺電池)

13. 配電線路板製作

14. 電源模組裝配

(5) 網路攝影機

遠距看護車之網路攝影機由台灣新力公司贊助,採用該公司SNC RZ 30N網路定址攝影機,如圖15所示,鏡頭可作水平340度、垂直115度的轉動變換,大範圍的影像瀏覽,同時兼具安定迅速的機構動作。該攝影機具備68萬畫素CCD元件,48dB高視訊訊噪比(SN Ratio),畫質可達DV水準,可作12倍光學變焦,25倍數位放大,此外PCMCIA的無線網路卡以及快閃記憶卡,同樣都可以使用在此攝影機上。

15. Sony SNC RZ30N網路攝影機

5.         系統整合與測試

遠距看護車系統整合時,主要測試的要項如下:

(1) Client端電腦程式與作業系統之相容性以及穩定性

Client端電腦程式以Visual Basic語言開發,安裝於Windows XP環境下應已具備完整的相容性,為求執行的穩定性,必須經由反覆測試找出程式存在的邏輯錯誤,降低程式出現當機或沒有回應等等的不穩定情形。

(2) 單晶片網路伺服器、網路攝影機、以及無線橋接器的各個IP位址之設定

Client電腦端與看護車連線時,必須確定軟體內各裝置的IP位址設定皆正確,否則將會產生無法相互連線的情況,使車輛功能無法正常執行。

(3) 無線網路的通訊品質,包含影像傳輸速率設定、功率以及外部干擾

架設無線基地台時,位置必須依據場地範圍加以考量,避免訊號強度過弱所造成無資料回應的情形。在無線通訊較複雜的環境中,必須考慮干擾的問題,可藉由無線基地台設定過濾網路卡號以及SSIDService Set Identification,服務區識別碼)對應,避免其他無線網路使用者或主機端干擾。影像傳輸率的設定關係到使用者的操作感受,若網路通訊良好時可提高畫面傳輸率,一般設定在4~15 f/s之間較為合適。

(4) 單晶片網路伺服器以及網路攝影機的工作執行的穩定性

上述兩項裝置的工作穩定性與電源供應有關,特別是單晶片網路伺服器為本照護車的核心裝置,必須確保電源供應的穩定性。此外,單晶片網路伺服器的程式內容過大也會降低工作的穩定性。

(5) 待機時間與電池壽命

看護車電源使用台灣湯淺公司的NPH5-12可充電鉛酸電池,經測試最長待機時間可達2小時。但充電電池會因為反覆充放電,使電池蓄電能力降低,且充電時間也將隨之變長,電池在充電之前,盡量將剩餘電力完全釋放,可維持充電的蓄電品質。

16為系統整合後之遠距看護車最終成品,圖17VB Client電腦端網頁介面。圖1819為資訊月實際動態展出之狀況。經過資訊月長達一個半月,台北、台中、台南、高雄不同場地展出,上萬民眾實際操作,遠距看護車均能維持強健之操作品質。

16. 最終成品

17. VB Client電腦端網頁介面

18. 實際動態展出(台北世貿中心)

18. 遠端電腦操控機台

6.         結論與討論

本計劃嘗試整合相關資訊產品軟硬體,配合無線通訊技術,已經初步呈現「遠距看護」的概念性功能展示,希望能夠藉此確立醫療看護應用領域的可能性,並持續發展進一步的改進與研究。資訊月展出期間,從許多廠商的觀點,讓我們得以了解最終商品化目標所應有的技術規模,也從參展民眾的使用經驗,讓我們思考產品的功能取向與需求。未來遠距看護車將逐步朝向實體化發展,追求在不同領域之實際應用,並增加其功能,例如AGV(Automatic Guiding Vehicle)、影音雙向溝通、機械性互動呈現、以及更多的環境感應功能,同時要求系統的穩定性。我們更期待新的通訊介面的相容性,進一步將操作的平台拓展至行動電話通訊設備上。

7.         致謝

感謝台北市電腦同業公會能夠邀請我們參與本年度資訊月展出,籌備製作期間電腦公會黃振猷先生給予我們許多協助;感謝台灣新力公司提供相關硬體設備;感謝徐業良教授、吳昌暉教授給予技術上的指導與建議;3423最佳化設計實驗室學長的鼓勵與協助,得以使製作計劃順利完成;展出期間,廠商、學術單位以及參展民眾的意見同樣彌足珍貴,感謝大家。