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改寫:謝佩均(2005-07-21);推薦:徐業良(2005-07-22)
附註:本文為九十四學年度元智大學機械工程研究所謝佩均碩士論文「具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發」第一章。

具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人之研發—研究背景與目的

1.     遠端臨場技術

隨著寬頻網際網路的普及,各種網際網路相關技術蓬勃發展,透過網路來傳輸或接收資料都非常方便,使用者可以傳輸文字、影像、聲音等多媒體資料來互動溝通。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,相關應用如遠距控制、資訊家電等,在近年來受到非常多的矚目。

遠端臨場(telepresence)」技術是結合虛擬實境與遠端遙控的新興研究領域,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”[Sheridan, 1986],“藉由遠端真實環境的一些設備,偵測所處環境的情況,而近端使用者接收到這些設備所傳回來的影像、聲音等環境資訊後有如身處於遠端真實的環境裡。

遠端臨場讓使用者有身歷其境的感受,不同於虛擬實境應用,使用者可接觸到遠端真實的人、事、物,而產生互動關係。傳輸自己與他人的「存在感」。

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]

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. Dr. Robot醫生幫手機器人

2.     本研究目的

本研究的目的在應用遠端臨場技術,整合研發一部具基礎自主行為能力之遠端臨場機器人。遠端使用者可透過網際網路直接操控機器人在遠端遊走,並可感知遠端環境狀況,與遠端作雙向影音溝通,但機器人本身仍具備基礎自主行為能力,在機器人未受操控時,可設定依循指定路線自主行進,並能夠感知、判斷外在環境,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;環境如有緊急狀況發生時,機器人也能感知、判斷,並透過網路主動傳訊給遠端使用者或救護單位前來處理。

本研究是一系列遠端臨場機器人研究的一部份,圖4是一系列遠端臨場機器人研究原型,包括Telepresence Agent(2002)Telepresence Gazer(2003)Telepresence Carer(2003)、和Telepresence AGV(2004)Telepresence AgentTelepresence Gazer兩項研究達成基礎網路遠端控制與影音溝通功能;Telepresence Carer設定遠距居家照護為應用主題,開始使用無線網路當溝通平台,讓機器人能夠更自由的移動,且曾於2003年資訊月作為期一個半月的全省展覽,證實此架構之強健性;Telepresence AGV加入工業界常用無人自走車的技術,在沒有使用者的操控時也能依循的固定的軌跡在遠端環境中行走。

4. 一系列遠端臨場機器人研究原型

而本研究整合先前的技術,讓機器人具有更完整的基礎自主行為能力,同時本研究設定工廠遠端監控為應用對象,依據一實際工廠的場地與監控需求來設計此遠端臨場機器人。

參考資料

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.

Green, P.S., Hill, J.W., Jensen, J.F., and Shah, A., “Telepresence surgery,” IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, Vol.14, Iss.3, May-June, pp.324 -329, 1995.

Shimoga, K.B., and Khosla, P.K., “Touch and Force Reflection for Telepresence Surgery,” Engineering in Medicine and Biology Society, 1994. Engineering Advances: New Opportunities for Biomedical Engineers, Proceedings of the 16th Annual International Conference of the IEEE, Vol. 2, pp.1049-1050, 1994.

Burgard, W., Cremers, A.B., Fox, D., and Hahnel, D., “Experences with an interactive museum tour-guide robot,” Artificial Intelligence, Vol. 114, pp.3-55, 1999.

http://www.intouch-health.com/