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作者:蔡宗成(2004-06-05);推薦:徐業良(2004-06-07)

具基礎自主行為能力之遠端臨場照護機器人之研發-計畫構想書

中文摘要

本計畫應用遠端臨場於照護機器人的研發,應用在高齡者照護。遠端臨場技術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。高齡者最需要的是子女與照護者的關懷、溝通、噓寒問暖,本計畫發展的照護機器人應用遠端臨場為技術主軸,目的在提供對高齡者子女與照護者更便利、更人性化日常生活溝通互動的工具。

本計畫發展之照護機器人基本上由使用者直接操控,但本身仍具備基礎自主行為能力。照護機器人能夠感知、判斷,並做出自主反應以避免本身因為外在環境或是受到不當操作等因素而產生功能失效;在機器人未受操控時,使用者可以設定自動運作模式,讓照護機器人依循指定路線行進,高齡者居家環境如有緊急狀況發生時,照護機器人也能感知、判斷,並透過網路主動傳訊給子女或救護單位前來處理。本計畫除技術研發外,更以能達成商品化應用為具體目標。

關鍵字:遠端臨場,照護機器人,高齡者照護

英文摘要

This project applies the “telepresence” in the development of homecare robot for taking care of the elderly. The concept of “telepresence” describes the combinations of technologies that send the “presence” of a user to a distant place, and provide the user a feeling of actual presence in the distant place. The goal of this project is to provide a convenient communication tool for children and caregivers to take care of the elderly.

This homecare robot also has basic autonomous behavior ability to avoid functional failure while while detecting obstacles or inappropriate operation. In autonomously navigate mode, the homecare robot patrols appointed route for security, and will send urgent messages to caregivers when urgent situations are detected. This project will promote the research achievements to commercial applications.

Keywords: telepresence, homecare robot, elderly care

1.     研究動機與目的

1.1 「遠端臨場(Telepresence)」相關研究

隨著寬頻網際網路的普及,各種網際網路相關技術蓬勃地發展,使用網際網路作為資料傳輸的管道,透過網路,使用者可以傳輸文字、影像與聲音等多媒體資料。更進一步地,各類設備均嘗試與網路連接,使用者可以透過網際網路傳輸控制指令,遠端監控另一端的設備,相關應用如遠距醫療照護、資訊家電等,在近年來受到非常多的矚目。

遠端臨場技術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(Telepresence)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。遠端臨場技術在80年代初期開始發展,美國太空總署NASA最早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等人定義遠端臨場技術為[Akin et al., 1983]

“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。”

麻省理工學院Shedidan教授則具體解釋“Telepresence”為[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。”

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。

遠端臨場技術應用範圍廣泛,如早期Robert等人發展安全防護機器人系統[Robert et al., 1991],將遠端臨場技術應用在防護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環境狀況,並且可以針對各種狀況做出反應,如此警衛可以降低自身安全的顧慮也達到看守及巡邏的效果。

遠端臨場技術也應用在醫療手術系統上,Green等人開發一套遠端臨場外科手術系統[Green et al., 1995],如圖1,應用遠端臨場於開刀手術台上,醫生操作這套設備在手術台上執行外科手術,並將手術台上的影像傳送至醫生前方的顯示螢幕上,也將執行手術時所感測到的觸覺和力量回饋給醫生,這套系統會將醫生執行手術時,過濾掉手部些微的顫動,幫助醫生執行更精密的手術。Carnegie Mellon大學所開發的遠端臨場手術系統[Shimoga et al., 1994]也是類似的研究。

1. 遠端臨場外科手術系統[Green et al., 1995]

在教育應用上,Burgard等人設計一套博物館導覽機器人[Burgard et al., 1999],如圖2,人們可以從世界上不同地方透過網際網路登入此系統,操控博物館導覽機器人參觀博物館,博物館因為這套系統而使得參觀人數增加50%以上。

2. 博物館導覽機器人

3是美國intouch-health公司研發的Dr.Robot機器人,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,並透過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。

    

3. R2D2醫生幫手機器人

1.2 元智大學老人福祉科技研究中心目前研發成果

元智大學各系所過去幾年來一直有教授的研究領域是在醫療、復健、輔具等相關科技研究,經過長時間的討論、規劃,從2001年開始籌備、並於20031月在元智大學校內正式成立「老人福祉科技研究中心」,是全國第一個以老人福祉科技為研究主題的研究單位,希望能結合不同專長領域的教授,以及校內外產、官、學界的資源,以科技服務廣大的高齡人口族群。

元智大學老人福祉科技研究中心之研發方向規劃為生活照護、健康保健、以及科技輔具三大主軸,以一至兩年內可以完成的計劃為優先進行項目,強調其市場性及共用性(也就是不完全以高齡人士為唯一可能使用顧客),同時考量大學特質,將以技術門檻較高的科技產品為主,並積極尋求產業界合作開發。目前校內各學系參與共同研究教授共10人,碩博士研究生及大學部專題生超過30人。

老人福祉科技研究中心成立至今獲得社會廣大的迴響,除了獲得國科會多項計畫補助外,並與國內外各單位合作進行研究,中心研發成果已獲得五項國內外專利,並有數項專利已在申請中,多項成果更獲得產業界投資為實際商品化進行準備。本中心在遠距照護方面研究尤其具有前瞻性,應用遠端臨場(Telepresence)的概念,進行「遠端臨場照護機器人」的研究開發,已有三年經驗。民國九十年即獲邀再資策會主辦之長青資訊月,展出遠端臨場照護機器人之概念雛型。去年並完成「遠端臨場照護機器人」之雛形載具「遠距照護車(T-Carer)」的核心技術開發,獲邀在九十二年資訊月主題館全國巡迴展出一個半月。T-Carer結合“Tele-“遠傳、“Car”行動載具、“Care”照護、“-er”人性化等意涵,藉由網際網路涵蓋全球以及802.11無線通訊行動自由的特性,從世界上任何一個有網路的角落,都得以從遠端控制機器人在高齡者的身邊自由行動,控制照護車前進、後退、轉彎等動作,並可控制照護車上的攝影機作拍攝、對焦、轉動等功能。

4左上為遠端遙控照護機器人之雛形載具-遠距照護車T-Carer,九十二年資訊月「遠距看護」主題館展示區設計成縮小比例家庭場景(圖4右上),民眾在現場設置的四個操作台上(圖4左下),操控遠距照護車的方向盤、油門和煞車踏板在家庭場景中遊走觀看,並準備十道關卡,如失火、昏迷、淹水、電線走火等題目,讓民眾駕駛遠距照護車一一過關,體驗遠距看護的應用,圖4右下是行政院游院長實際操作遠距照護車的狀況。經過資訊月長達一個半月的展期,每天有超過500人試駕,足以證明遠距照護車T-Carer技術穩定性已獲得考驗。遠距照護車傳輸模式與核心技術目前已在申請專利中。

4. 遠端臨場照護機器人之雛形載具-遠距照護車T-Carer

遠距照護車整體系統架構如圖5,遠端的使用者透過方向盤、油門控制遠距照護車的移動能力,也可控制網路攝影機的動作,而網路攝影機所拍攝的影像透過網路回傳至使用者的電腦螢幕上,在遠距照護車這端,只要環境可連接網路,使用者的控制指令便可透過無線基地台以無線區域網路802.11b,傳輸指令至遠距照護車上的無線橋接器後,經由集線器後進入單晶片網路伺服器,便可執行使用者的控制指令。

5. T-Carer系統架構

T-Carer採用八位元單晶片微控制器做為其控制系統的核心,如圖6,並自行研發一套「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。只要設定一組IP位址,連上網路後,使用者便可透過網路與此單晶片伺服器進行雙向溝通,繼而控制遠距照護車的伺服馬達而達到自由移動能力。

6. 單晶片網路伺服器

1.3 本計畫目的

本計畫為單一個別型計畫,目的即在應用已掌握的網際網路遠端遙控移動載具技術,研發一遠端臨場照護機器人整合系統,應用在高齡者居家照護。本計畫以三年為期,除技術研發外,更以在三年計畫完成後,遠端臨場照護機器人能達成商品化應用為具體目標。本計畫發展之遠端臨場照護機器人技術發展重點說明如下:

(1)      以遠端臨場(teleprensence)為技術主軸,以網際網路為傳輸平台

高齡化社會吸引許多研究在照護機器人的研發上[Graf et al., 2002, Takahashi et al., 1999, Prassler et al., 2001],研究重點多半在增加機器人的智慧與能力,以主動協助高齡者如餵食端茶、電器開關、輔助起床與行走等功能,但是高齡者對這類高科技的接受程度,以及這類智慧型照護機器人的成本與普及性,仍然有待考量。高齡者最需要的還是子女與照護者的關懷、溝通、噓寒問暖,本計畫發展的照護機器人應用遠端臨場為技術主軸,目的在提供對高齡者子女與照護者更便利、更人性化日常生活溝通互動的工具。如何讓照護機器人擁有更豐富的表情與肢體動作,能夠更生動地表達遠端子女與照護者的「存在感」,是本計畫在遠端臨場技術後續研發的重點。

本計畫以網際網路為照護機器人的傳輸溝通平台,影像、語音、與機械動作操控指令,都透過網路進行雙向傳輸,高齡者家中只要有本計畫之照護機器人與網路連接設備,外地子女可從任何地方連上網路登入照護機器人系統,便可從遠端控制機器人在高齡者的身邊自由行動,展現肢體動作,並作影音雙向溝通,提高其便利性與普及性。照護機器人上並將提供傳輸介面,可連接至生理訊號量測設備,量測高齡者之體溫、血壓、心電圖等生理訊號,透過網際網路即時傳輸至遠端。

(2)      具備基礎自主行為能力

本計畫發展之照護機器人基本上由使用者直接操控,但本身仍具備基礎自主行為能力。本計畫在照護機器人自主行為能力技術研發重點有二,一是當照護機器人因為外在環境、網路延遲、或是受到不當操作等因素而產生功能失效危險時,照護機器人能夠感知、判斷,並做出自主反應以避免本身功能失效。例如遇到障礙物時,會自動停止運作或是繞道而行,或是當照護機器人偵測到本身電力不足時,自行回到充電站進行充電。

基礎自主行為能力技術研發第二個重點,是在機器人未受操控時,使用者可以設定自動運作模式,讓照護機器人依循指定路線行進,高齡者居家環境如有緊急狀況發生時,照護機器人也能感知、判斷,並透過網路主動傳訊給子女或救護單位前來處理。如此照護機器人除了前述關懷、溝通的功能外,亦有居家保全、緊急狀況報知的功能。

(3)      商品化應用之考慮

如前所述,本計畫發展之遠端臨場照護機器人以能達成商品化應用為具體目標。照護機器人使用環境設定在居家環境,使用者設定為高齡者及其子女與照護者,系統乃至環境的建置成本、操作介面、人因工程的考量、乃至於系統的可靠度與維修性,都是本計畫在系統整合與測試時必須考量的重點。

2.     研究方法

2.1 本計畫技術架構

在前述研究目的下,本計畫發展之照護機器人技術架構如圖7

子女或照護者使用網頁操作介面透過網際網路登入照護機器人系統,在高齡者居家環境中,以無線區域網路進行傳輸,使用者可以影音模組與高齡者進行影音互動,並可透過照護機器人的核心是單晶片網路伺服器(PIC server),接收、運算、傳輸操控指令與訊號,操控移動載具傳動機構控制照護機器人在高齡者居家環境自由移動,也可控制照護機器人表情、肢體動作,與高齡者作更生動的溝通互動。

照護機器人具有生理訊號傳輸介面,可連接一般居家醫療量測設備如體溫、血壓、ECG等,量測數據經由網路晶片伺服器傳輸至網頁上,子女或照護者可藉由這些數據瞭解高齡者的身體狀況,醫生也可進行線上問診服務。

照護機器人有一組感測器對機器人本身與環境狀況持續感測,並與單晶片網路伺服器連結將感測訊號作運算及判斷,當判斷照護機器人有失效危險時(如操作不當、遇到障礙物、電量不足),單晶片網路伺服器即控制移動載具傳動機構作出停止、障礙迴避、就充電位置等自主行為反應。

在無人操控的狀態下,使用者亦可使用者可以設定自動運作模式,事先規劃指定行進路徑,照護機器人依照對環境感測訊號了解自身位置,依循指定路徑行進。同時另一組感測器負責作緊急狀況(如高溫、巨響、即預設之高齡者緊急狀況輸入)之感測,感知、判斷緊急狀況時,單晶片網路伺服器即透過網路主動傳訊給子女或救護單位前來處理。

7. 本計畫照護機器人技術架構

在此技術架構下,本計畫所需研究發展之技術項目條列如下:

(1)   行動載具技術研發

本計畫已掌握網際網路遙控行動載具技術,但考量照護機器人功能增加、主體結構擴大等因素,馬達負載、傳動機構設計是本計畫研發重點。

(2)   溝通要素研發

本計畫照護機器人溝通要素上,影音溝通採用市售IP CAM達成,如何以機構方式讓照護機器人具有豐富的表情與肢體動作是本計畫研發重點。

(3)   生理訊號量測傳輸介面開發

本計畫將在照護機器人上裝置生理訊號量測與傳輸介面,可連接一般居家醫療設備如體溫計、血壓計,並將開發網路示波器功能,使能透過單晶片網路伺服器即時傳輸如ECG等較複雜之生理訊號。

(4)   基礎自主行為能力之建立

本計畫將建立照護機器人本身失效危險的感測、判斷並作出自主動作反應,能自主依循使用者預設路線行進,以及緊急狀況感知、判斷並透過網路主動傳訊等三項基礎自主行為能力。

(5)   商品化應用考量

使用者網頁操作介面的設計,照護機器人外觀尺寸與親和力等人因工程考量,系統乃至環境的建置成本,系統的可靠度與維修性,都是本計畫在系統整合與測試時必須考量的重點。

2.2 進行步驟與預期成果

本計畫希望以三年時間研發完成一遠端臨場照護機器人整合系統,並能達成商品化應用為具體目標。本計畫進行步驟如圖8所示,本計畫先前已經做過長期基礎研究,對於遠端臨場技術、高齡者照護需求,均已有深入瞭解與資料蒐集,未來三年將分為技術建立è原型建置è系統測試等三個階段進行。

第一年主要工作在作溝通要素研發、生理訊號量測傳輸介面開發、基礎自主行為能力之建立等三項技術能力之建立,具體查核點為完成類似圖4規模的小型照護車,在小型照護車上實現、證實所有技術。

第二年則開始全尺寸原型建置工作,重點在於照護機器人主體結構的建立、人因工程考量、以及系統整合,具體查核點為完成照護機器人全尺寸原型,並在照護機器人上實現、證實所有預期功能。

第三年的工作為系統測試,這個階段以商品化應用考量為主要工作,除在真實高齡者居家環境長期測試,驗證系統之可靠性與維修性外,並將進行專利申請以及邀請相關廠商以商品化角度評估設計等工作,具體查核點為完成照護機器人測試,並可立即作後續商品化與技術移轉工作。

8. 本計畫進行步驟

2.3 研究團隊

本計畫即為元智大學老人福祉科技研究中心機械工程背景之徐業良教授與吳昌暉教授共同主持。

徐業良教授為機械系系主任兼老人福祉科技研究中心主任,研究專長在機械設計,將負責本計畫整體規劃、控管、與系統整合。徐業良教授除發表多篇學術期刊論文外,並與政府單位、產業界密切合作,完成許多實務性設計計畫,近五年(1998~2003)共獲得11項中華民國及美國、歐盟專利。在機械設計領域中,徐業良教授近年來專注於直接與人互動的「生醫機械」設計,前述近五年來獲得之專利中,幾乎全是在此領域實務設計的成果,如人工膝關節、腦科手術自動骨骼鑽孔裝置、工地用安全帽、助行器、輪椅等。

昌暉教授研究專長在機電整合,並於三年前便投入多功能泛用型微控制器技術開發,已有非常具體的成果。吳昌暉教授將負責本計畫照護機器人之核心單晶片網路伺服器之研發,並指導本計畫中機電整合部分之研究。吳教授在機電整合、嵌入式系統方面有長期的教學與研究經驗,並多次主持醫療機電方面研究計畫。

除兩位實際執行計畫教授外,元智大學老人福祉科技研究中心整合校內不同領域專長教授,在不同領域的研究議題上均能順利獲得支援,中心並與署立桃園醫院養護之家有長期合作關係,能夠從高齡者照護實務層面提供諮詢。

參考資料

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Prassler, E.; Scholz, J.; Fiorini, P., “A robotics wheelchair for crowded public environment,” Robotics & Automation Magazine, IEEE, Vol. 8, Issue: 1, pp.38-45, 2001.