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作者:謝佩均(2004-04-27);推薦:徐業良(2004-05-07)
附註:本文為申請93年度醫療機電系統與身心障礙科技輔具設計學生專題實作競賽計畫構想書。

T-Carer網路遠端照護機器人雛形設計與製作」計畫書

二、構想書內容

(一)中文摘要

本計畫應用Telepresence遠端臨場的技術,設計製作一網路遠端照護機器人雛形,名為T-Carer,讓醫護人員能從遠端透過網際網路,登入到醫院的T-Carer機器人,遠端控制T-Carer穿梭在病房中巡房問診或照顧病患。除了醫院應用外,亦可應用在家庭照護。本計畫以發展T-Carer小型雛形,展現其關鍵技術為目標。

(二)背景與目的

醫護人員的尋房問診,能對病患情況的隨時掌握,也讓病患瞭解自己病情發展,是一項非常重要的互動醫療方式,然而對醫護人員來說,也是相當沉重的工作負擔。圖1是美國intouch-health公司研發的Dr.Robot機器人,他可以代替醫師到各個病房觀察或詢問病患的情況,醫師可以利用電腦,透過搖桿操作Dr.Robot機器人行走在各個病房,醫師可以透過Dr.Robot上的攝影機了解病患的情況,也能透過麥克風和病患溝通,而病患可以由Dr.Robot上的顯示器看到醫師的臉,有如醫師附身在Dr.Robot機器人上,目前美國已有少數部分醫院實際利用此套系統,且成效不錯。

    

1. 美國intouch-health 公司的Dr.Robot機器人

而本計畫所要製作的T-CarerT-Carer網路遠端照護機器人雛形,也是一部類似的機器人,醫護人員能從遠端透過網際網路,登入到醫院的T-Carer機器人,遠端控制T-Carer穿梭在病房中巡房問診或照顧病患。本計畫以發展小型模型,展現其關鍵技術為目標,目前並已與署立桃園醫院養護之家討論後續在養護之家可能的應用。除了醫院、養護之家外,一般家庭遠距居家照護,也是可能的應用範圍。

T-Carer系統架構如圖2所示,遠端醫護人員或家人可以透過網際網路進入近端無線基地台,以無線方式與T-Carer上的單晶片網路伺服器PIC Server溝通,控制T-Carer的行動平台循預先鋪設之AGV軌道行進、停止,穿梭在各個病房中,操作者可藉由T-Carer上的定址攝影機與語音模組,與被照護者進行雙向語音溝通。此外T-Carer將裝置各類感測器,感測環境狀況資訊傳回遠端或作因應動作。T-Carer以內部電池為電力來源,且以單晶片控制使其能自動判斷且回到充電區進行充電。

2. T-Carer系統架構圖

()專題實作計畫研究方法與進行步驟

依此上述功能規劃,如圖3所示,本計畫T-Carer機器人應包括影音溝通與攝影機、AGV式行動平台、環境感測裝置、無線網路通訊介面、與單晶片控制系統等五項子系統,其中以單晶片控制系統為主要核心,連接控制其他子系統。

(1)單晶片控制系統

T-Carer的控制核心是一塊八位元單晶片微控制器,如圖4。元智大學機械系投入網路伺服單晶片研究已有相當成果,所研發的「韌體乙太網路驅動程式(Firmware Ethernet BIOS)」,不僅使單晶片擁有各種網路通訊與伺服器的功能,也大幅簡化應用程式的開發流程,提升系統的彈性、可靠度與普及性。

4. 網路伺服單晶片

(2)影音溝通與攝影機系統

T-Carer應用網路攝影機(Network IP Camera)與語音模組(Audio Module),達成單向影像傳輸與雙向語音溝通功能(如圖5)。醫護人員可以使用個人電腦,連上網頁瀏覽器,登入系統指定IP位址,即可直接在網頁上透過攝影機看到病房中的影像,醫師與醫療人員只需個人電腦上的麥克風、擴音喇叭即可直接透過語音模組與病房中的病患雙向語音溝通。

5. 網路攝影機與語音模組

(3)AGV式行動平台

自走車的控制方法可分為接觸式與非接觸式,接觸式是在地面鋪設實體軌道以供自走車行走,非接觸式有雷射導引、GPS定位系統等,其中產業界經常使用的無人搬運系統AGV(Automatic Guided Vehicle),應用光或磁的感測器依地面使用反射光程度的不同或磁帶帶有磁性不同的訊號差,告知行動電腦自動判斷左、右轉。本計畫使用AGV式行動平台,讓T-Carer依循指定路徑前進、後退、左右轉彎與停止等動作。

經過評估後使用光電感測器較適合本計畫,如圖6,只要在遠端監控場地內舖上不同於地面顏色的軌道貼紙,或是以噴漆形式,便可讓AGV可直接循著軌跡前進、後退、轉彎等動作,軌道直接貼附地面,不需地面施工,也不影響人員移動。且將路徑資訊交由網路伺服單晶片來設定作動模式,機器人便會自動尋跡前進。

6. AGV自走車感測器佈置

(4)環境感測裝置

T-Carer本身也安裝環境感測系統,如內建超音波感應器,當軌道前方有障礙物時,便會自動停止,發出警示聲響,待障礙物移除時,再自動前進。當有人員從周圍接近時,系統也會自動停止,避免意外狀況發生。同時也可以視需求加裝其他環境感測裝置,如溫度、濕度等,將監測場地環境狀況傳回給遠端使用者,甚至將來設計能夠擷取生理訊號讓醫療人員更快速的掌握病患情況。。

(5)無線網路通訊介面

T-Carer需要兩組IP及無線區域網路,無線網路採用IEEE 802.11G技術,其資料傳輸的頻帶為超高頻2.4GHz,避開一般的無線電、手機、醫療器材所使用的頻帶,減少了無線訊號間的干擾。如圖7所示,可在同一層的病房區內架設多點小功率的無限網路基地台,以多點基地台漫遊形式,橘色區域為無限網路收訊範圍,避免通訊死角,且使用小功率基地台,以減輕對醫療器材不必要的干擾。

7. 病房區測試場地平面圖

(四)題實作計畫執行進度與甘梯圖

本計畫預計將進行的步驟與工作包括:

1.      遠端監控系統的評估與設計,完成影音溝通與攝影機系統、網路控制系統

2.      整合AGV無人自走車運行與測試,完成AGV式移動平台及環境感測裝置。

3.      整合前兩項與測試場地無線區域網路,完成T-Carer機器人架設並測試運行效果。

4.      系統整合測試。

預定實施進度等列表如下:

一、預定實施進度

 

  

  

           月份

 

工作項目

(以功能別描述)

4

5

6

7

8

9

比重

%

遠端監控系統的開發設計評估

 

(A)

 

 

 

 

20

整合AGV無人自走車運行與測試

 

 

(B)

 

 

 

20

機器人實際架設與測試運行效果

 

 

 

 

(C)

 

30

機器人完成裝置與整體系統整合測試

 

 

 

 

 

(D)

30

階段報告

 

 

(E)

 

 

 

0

整體報告

 

 

 

 

 

(F)

0

累計工作進度%

10

30

50

70

90

100

100

二、查核點說明

查核點編號

預定完成時間

查核點概述

A

93.05

完成遠端監控系統設計評估,完成初步系統架構。

B

93.06

完成路徑追蹤移動系統,準備整合機器人。

C

93.08

整合完成機器人與有初步的測試說明。

D

93.09

完成整體整合的系統完成T-Carer機器人。

E

93.06

階段報告,說明並報告遠端監控系統架構。

F

93.09

整體報告,繳交機器人整體軟硬體設備。

()專題實作計畫預期成果

本計畫將依據圖7的布置,製作小型醫院模型,發展T-Carer小型雛形,但擁有前述完整系統,以展現其關鍵技術之可行性。如成果可行,未來並將進一步與署立桃園醫院養護之家合作,將T-Carer放大,在養護之家測試使用。