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作者:黃冠穎,林能祺,許博爾(2009-04-20);推薦:徐業良(2009-04-21)
附註:本文為參加「98年智慧居家服務型機器人產品創意競賽」創意構想書。

TRIC-應用於與高齡者互動溝通之遠端臨場機器人

1.     簡介

「高齡化社會」的現象是世界各國普遍面臨的問題,高齡者最大的風險不全然是健康問題,孤立(isolation)也是相對隨之產生的問題,高齡者需要能經常和朋友、親人、照護者互動溝通,讓自己的生活不致封閉,從而有更高的社會參與[1]。本計畫結合遠端臨場(Telepresence)技術與遠距居家照護系統(Home telehealth system),開發應用於與高齡者互動溝通、適用於居家環境之服務型機器人TRIC(Telepresence Robot for Interpersonal Communication)

遠端臨場技術主要目的,是將近端真實的環境資訊回傳給遠端的使用者,讓遠端使用者有身處近端環境的臨場感,而使用者也藉由遠端臨場技術接觸到近端真實的人、事、物,並與之產生互動關係。遠端臨場機器人TRIC以網際網路為傳播媒介,其身上備有攝影鏡頭與麥克風,並具有表情與肢體動作等人類於互動溝通中所需要的元素,只需將TRIC放置於高齡者家中,遠方子女或照護者便可透過網際網路操控TRIC,在高齡者家中自由走動,並與家中高齡者噓寒問暖,彷彿“附身”於TRIC上,讓高齡者與遠方子女間之互動不只是透過電話的聲音,更加入影像與肢體動作傳達。除遠端臨場技術外,TRIC也將遠距居家照護系統生理及環境訊號監測的基本功能整合其中,監測到緊急狀況時,使用者也可利用TRIC的移動功能及時檢視。

TRIC於開發過程中透過加強擬人化的肢體情緒展現方式、外觀與使用者介面的親和力來強化TRIC的互動溝通能力,並同時結合遠距居家照護系統之應用情境,藉由不斷實地測試、瞭解使用者的期望與家庭應用環境的限制,來改善TRIC各部份功能需求,使其使用性與互動性更完善,朝著商品化的方向邁進。

最後,TRIC在設計過程中十分強調以低製作成本、穩定的系統、簡便的操作方式與實際使用性為考量,以「家電產品」為定位,期望能迅速商品化,實際推廣於一般家庭中使用。

2.     設計概念

TRIC定義為在家庭環境中與高齡者互動溝通之遠端臨場機器人,在設計概念上具有應用遠端臨場技術與人互動溝通、適用於一般居家環境,以及以家電產品為定位等三大特徵。以下將逐項敘述此三大特徵。

(1)   應用遠端臨場技術與人溝通互動

TRIC應用遠端臨場技術進行遠距溝通,複製了人們於三度空間中真實面對面接觸的經驗,期望於兩端的人有共處於同一空間的真實感,是一個截然不同的遠距溝通方式[2]。如圖1所示,遠端使用者(子女或照護者)透過遠端臨場技術將自己投射在近端的機器人身上,依附在機器人上行動;近端使用者(高齡者)則同時擔任觀察者和對話者的角色,藉由觀察TRIC的行為,認同其為遠端使用者的“替身”,而與其產生互動、對話;遠端使用者也透過此技術,讓自己產生沈浸在近端環境的感覺,使用者、參與者都能感受到與對方彷彿在同一環境互動、對話。圖2TRIC配合遠端臨場技術之實際應用情境示意。

1. 遠端臨場技術之應用架構

2. 遠端臨場技術之實際應用情境示意

TRIC在整體外型的設計概念上,除了有機械式與電子式的動作元素,藉此豐富TRIC擬人化的肢體表現,並給予高齡者更真實的感受外,更加入彈性機構,模仿人體在行走時身體隨性晃動的自然現象,並配合本身情緒抒發的呈現方式,讓TRIC更完整地傳達遠端使用者(子女或照護者)的情感,也讓近端使用者(高齡者)更清楚地感受到遠處的人就在現場陪伴的實際感(如圖3)。

3. TRIC居家環境實際應用圖

(2)   適用於一般居家環境

TRIC在功能與通訊架構設計上,一開始即以適用於一般居家環境,及一般居家使用者為設計考慮重點。與實驗室專用環境比較,居家網路環境較不完備,且空間較擁擠、複雜,使用者又未受過相關之專業訓練,因此TRIC採用之通訊技術、外型尺寸、操控方式、乃至於障礙物閃避、室內導航等智慧功能,都必須針對居家環境作最適當的考量,以在居家環境中能夠「方便使用」為目標。

(3)   以家電產品為定位

一般居家照護機器人開發著重於先進技術的展現,離真正能夠商品化應用,往往還有相當長的距離。為能真正展示商品化的可行性,TRIC以「家電產品」自我定位,設計重於貼近真實的人際互動溝通,具有輕量化設計、成熟的發展技術、穩定的系統架構與低廉的製作成本等特色,簡易的機體操作性可讓人輕易上手,使TRIC具有相當水準的商品化價值。藉由TRIC建立高品質的互動溝通模式,讓高齡者可以輕鬆、自在、有尊嚴地實現「在宅老化」,TRIC商品化後在市場競爭上亦應具有獨特的優勢。

3.     系統架構

4所示為TRIC的系統架構,共區分為9項技術模組,每項技術模組都定義為獨立的網路模組,皆可獨立運作與維修,模組之間則透過LAN架構做訊息與指令傳輸,提供TRIC更豐富、便利的功能組合與更佳的系統擴充性。

4. TRIC的資料傳輸架構

(1)    遠端使用者介面

如圖4所示,遠端使用者(子女或照護者)透過遠端使用者介面,經由網際網路投射至TRIC,與近端使用者(高齡者)進行雙向溝通與互動。

為增加遠端使用者操控的便利性與直覺性,TRIC搭配WII Remote(圖5)與一般家用電腦作為遠端使用者的控制媒介之一,遠端使用者可以三維的動作操控TRICWII Remote內建的三軸加速規可偵測手把在空間中的角度與加速度,TRIC遠端使用者介面中以一自行設計的Visual Basic程式軟體擷取三軸加速規數據,模擬使用者的動作姿勢,並搭配WII Remote上不同的按鍵,轉換成為TRIC的操作指令。若不使用WII Remote,也可採用單一IE網路流覽器作為遠端使用者介面。

5. WII Remote

(2)    網路伺服主機ARM

TRIC選用凱斯電子科技公司(http://www.kaise.com.tw/)生產的KS_2410(如圖6)作為整體系統的網路伺服主機,接收遠端使用者所下的指令後判斷所需執行的動作,並將欲執行之動作分配傳送至各指定模組。

KS_2410處理器使用ARM920T核心的Samsung S3C2410X,作業系統為嵌入式ARM-Linux作業系統,此Linux系統具有開放的源碼,可自行修改所需的功能。KS2410支援3RS-232通訊埠及1個網路插槽,提供資料通訊功能,資料儲存以MMC記憶卡為載體;周邊設備除I/O類比輸入、I2C連接埠外,還包括了3USB埠、音源輸入/出與彩色LCD面板等功能擴充插槽,在硬體搭配上可自行規劃,使整體具有硬體隨插即用的擴充彈性。

6. ARM為核心的KS_2410開發版

(3)    無線通訊系統

7TRIC的系統通訊架構示意圖,TRIC運用嵌入式ARM-Linux系統來開發對內的網路功能,並以區域網路(LAN)方式建構內部的資料傳輸模式;對外的廣域網路(WAN)則是透過3.5G無線網路路由器與網際網路連接。

如圖7所示,遠端使用者發出HTTP訊息後,經由網際網路傳送給TRIC3.5G無線網路路由器接收訊息後轉送給ARM,由ARM解碼再將訊息透過TCP方式轉發給指定的技術模組執行動作;若各個技術模組需回報資訊,也都會經由ARM匯集資訊後回傳給遠方使用者,且各模組之間皆可透過網路互相溝通。

TRIC採用的3.5G無線網路路由器為sapido gr1500,除包括一般乙太網路(WAN/LAN)連接埠,支援IEEE802.11b/g標準,與IPMACSPI等過濾與偵測功能之外,另具有兩組USB連接埠,可支援3.5G網路卡與USB網路攝影機,達成TRIC圖像擷取與行動上網等功能。

7. 系統通訊架構示意圖

(4)    影音傳輸模組

TRIC利用ARM的影音處理能力,搭配USB網路攝影機“Logitech Quick Cam Pro 4000”攝影機(如圖8),配合整體機身的轉動與傾斜來帶動鏡頭的角度改變、收音麥克風與擴音喇叭等影音互動之裝置,擷取近端即時影像和音訊等資料,透過網際網路回饋給遠端使用者,達到互動溝通的目的。

8. Logitech QuickCam Pro 4000

(5)    移動控制模組

TRIC接收到遠端使用者的指令,經過ARM處理轉送至移動控制模組,控制TRIC各部位馬達的轉動,並搭配全向輪(omin-directional wheel)TRIC具有直走、後退、旋轉等移動功能。移動控制模組(如圖9)包含RS-E01直流馬達驅動器與PIC18F452單晶片,單晶片接收ARM傳來的訊號,經過演算後直接驅動馬達,控制機器人行走,其行走的方法有直走,左右斜走、左右平移、後退和順逆時針旋轉等方式。直流馬達採用三顆減速馬達,額定工作電壓12V,額定轉速與扭力分別為52rpm9kg-cm

9. 應用Omni-directional之馬達驅動模組實體圖

(6)    環境偵測模組

環境偵測模組主要功能在感測環境狀況,將TRIC所處環境資訊回傳給遠端使用者,並與移動控制模組結合,提供自主避障的功能。模組架構如圖10所示,核心元件為PIC18F452單晶片,環境感測元件主要是超音波感應器,其他並包括溫、濕度感測器等。

10. 環境偵測模組系統架構

TRIC使用SRF05超音波感測器來測定與前方物體的距離,可感測3公分至3公尺的距離。圖11SRF05超音波測距模組外觀,包含了超音波發射器、接收器、與控制電路;溫、濕度則是採用ETC公司的SHT75(如圖11右)來偵測現場的環境參數。

11. SRF05超音波感應器與溫濕度感測器

(7)    室內導航模組

為降低遠端使用者的操控負擔,室內導航模組計算TRIC於居家環境中的位置,自行規劃行走路徑,遠端使用者不需親自操作,只需在遠端使用者介面上指定如客廳、臥房或是居家環境中使用者所指定的位置,TRIC即可自行前往。

TRIC採用Zigbee無線通訊模組(如圖12),在居家環境建置簡單的無線網路感測器 (wireless sensor network),利用Zigbee的訊號強度值(RSSI)與歷史行走之數據設計定位演算法,推算出TRIC在環境中的位置。

12. Zigbee無線模組

(8)    電源管理系統

TRIC內部備有電源管理系統,當TRIC在無人使用的狀態下,電源管理系統將自動進入待機模式,若遠端使用者登入後則自動回到工作模式,恢復正常機能。此外,TRIC還可監測電池電壓,當電壓低於工作電壓值時,TRIC閃爍紅色警示燈號提醒使用者需充電;當TRIC接上充電器時,則停止電池對TRIC本體供電而改由市電供電,維持TRIC正常運作。

(9)    近端使用者介面

TRIC為遠距居家照護機器人,為了將遠端使用者的情感完整地呈現於近端的環境中,本產品於TRIC中加入擬人化的表情模組,並使用溫和的暖色系色調,搭配親和力高的外觀設計,讓機器人不再是冷冰冰的個體。

13TRIC表情控制模組系統架構,內部元件包括有PIC18F452單晶片、兩顆RC Servo、以及表情顯示LED陣列。PIC18F452為模組控制核心,接收由ARM主控端傳來的訊息,對RC Servo控制,讓機器人的眉毛產生動作;表情顯示則由LED則透過不同陣列方式,傳達微笑與傷心等各種表情。

13. 表情控制模組系統架構

4.     設計原理

TRIC提供高齡者與子女或照護者之間一種新型態的溝通方式。針對遠端臨場應用的相關文獻,歸納出遠端臨場機器人8種主要的設計元素[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]如表1,並逐項檢討TRIC所包含之設計元素與其達成之方式。其中Stereoscopic elementsStereophonic elements的設計元素,除成本考量因素外,也因這兩項設計元素雖然有助於提升機器人在控制和操作上的流暢度,但在機器人本身給人的立體感受度上增加有限,因此本產品將優先針對前6項設計元素進行設計。

1. TRIC所含之設計元素

Design Elements

Corresponding Technological Strategies

Data transmission

建立網路型態的系統通訊架構與選用ARM作為系統控制核心

Teleoperation

移動平台的設計

Supersensory

透過影音設備傳遞更細微的視覺、增加各式感測器以偵測四周環境

Anthropomorphic elements

擬人化外型與行為

Eye contact

控制TRIC注視使用者

Autonomous behaviors

將控制權分享予機器人所在之環境或使用者

Stereoscopic elements

Not included

Stereophonic elements

Not included

TRIC最主要的功能是進行人際溝通,包括語言溝通(verbal communication)及非語言溝通(nonverbal communication)TRIC藉由「影音傳輸模組」達成語言溝通功能,而非語言溝通包含了眼神、臉部表情、手勢、身體的姿態及移動等肢體動作,TRIC則依靠「近端使用者介面」傳達快樂、悲傷、驚訝、害怕、生氣、和厭惡等基本情感六種基本情感,搭配「移動控制模組」表達肢體動作元素,強化人際之間的互動與溝通。

此外,data transmissionteleoperationanthropomorphic elements的遠端臨場設計元素,則分別由前述「遠端使用者介面」、「無線通訊模組」、「網路伺服主機」、「電源管理系統」與「室內導航模組」等模組功能組合達成。

5.     規格說明與效能展示

2TRIC整體規格表,TRIC的重量與大小相當於一部桌上型電腦主機,符合本產品開發輕型居家機器人的目的;電源系統部分,採用可支援10C放電的LiFePO4 Li-ion電池,增加整體供電效能,且使用時間與充電時間比值約1.5,同時也增加系統電源管理,讓TRIC進入待機模式,可大幅增加TRIC使用時間。

2. TRIC整體規格表

L×W×H

380×380×700mm

Battery type

LiFePO4 Li-ion

Weight

8.5kg

Battery capacity

12.8V 10Ah

Varied speed

10~25cm/sec

Battery operation time

120~150 minutes

Circumrotation radius

0mm

Battery recharge time

90 minutes (6A)

由以上資料顯示,TRIC的體積適中、重量輕巧、活動效能佳,適合於居家環境中使用。其使用方便,設定簡單,介面和善,使用者毋需面對艱難的設定,即可使用,因此更容易將TRIC商品化。

6.     操作方式

TRIC運用遠端臨場技術,將時空切割成近端環境(高齡者所處居家環境)與遠端環境(子女或照護者所處環境)此兩種環境,在操作上也針對此兩種不同的使用環境,設計讓彼此皆能擁有相同感受程度的互動介面。

在遠端使用環境中,為了增加遠端使用者彷彿親臨近端現場環境的感受度,並同時達到容易操作為目的,本產品增加了Wii Remote控制介面於遠端使用者介面,一方面可增加遠端使用者在操作環境上的擬真感受與直覺式的操作,同時讓使用者在使用的過程中具有娛樂的效果。TRIC透過網路攝影機與收音麥克風將影音資訊傳至遠端使用者的電腦,讓遠端使用者能透過電腦介面,了解近端的真實環境,配合使用者運用Wii Remote在立體空間中上、下、左、右的揮動與功能按鈕,對近端環境的TRIC下達指令(如圖14),並搭配麥克風,將遠端使用者的各種肢體語言與情緒展現投射至近端環境中。

14. 遠端使用者介面

而在近端使用環境中,TRIC則為實際與人溝通互動的人機介面,故在外型設計上採用流線型、圓弧曲線與暖色系色彩等設計元素,為TRIC增添更柔性且舒服的視覺享受與親和力。為了在遠端臨場設計元素中,豐富TRIC本身擬人化的肢體表達方式,與強化TRIC自主性的反應,在設計上加入了機械式與電子式等做動元素,藉由豐富與多變的做動模式來模擬人們在交談時自然表現的肢體語言。另外,TRIC更加入了彈性機構,毋需依靠遠端使用者的操作,即可讓TRIC在行走或其他肢體做動時,造成彈性機構的隨意晃動,藉此模擬人們活動時隨性的身體擺動,也讓TRIC本身更為活潑逗趣。

在使用情境上,遠端使用者將情感投射在TRIC藉由聲音的傳達與肢體展現,讓近端使用者感受遠端使用者真實的情感舒發。並運用TRIC的影音功能,捕捉近端使用者的影像與表情,回饋給遠端使用者,讓彼此感覺如同共處在同一空間中。

7.     製作成本概估

本機器人的研發自數年前開始,應用遠端臨場的技術進行相關的研發,至今已投入多位碩博士生的人力資源進行開發,極力針對技術完善、創意構想、實際使用、市場價值與遠距照護效能等方面進行測試評估。

TRIC的設計概念上,著重於貼近真實的人際互動溝通,重量輕量化,穩定的系統運作與低廉的製作成本等特色,身上配有攝影機、麥克風,以及高興、傷心等表情和肢體動作等人與人之間溝通的元素,遠端使用者(子女或照護者)只需將TRIC設置在高齡者家中,當子女或照護者不在高齡者的身旁,就可以透過網際網路來操控TRIC,讓TRIC在家中四處自由走動,扮演家人(或照護者)的分身,陪伴高齡者,同時也可了解高齡者在家中的生活起居以及居家的狀況。

以產品設計而言,除成本考量外,使用者介面、操作難易、重量、體積等因素,均列入商品化的設計考量,也因此TRIC的開發以穩定的系統、簡易的操作方式與具實質人際溝通等為設計原則,並以低耗電量、重量輕、元件數少為目標,更因其價位低廉、擴充性便利,TRIC具有相當程度的商品化價值與競爭優勢,藉此進入現在居家照護的市場,成為提供解決高齡化社會問題中,高齡者居家照護方式的產品。表3TRIC的商品化雛型製作成本。

3. TRIC整體材料經費表

材料名稱

金額

備註

移動式網路伺服器(ARM

8,000

 

直流馬達驅動模組

3,200

2個直流馬達驅動器

表情控制模組

7,500

LED表情顯示幕、攝影機

環境偵測模組

2,700

3個超音波感測器

室內導航模組

22,400

16Zigbee模組(30居家空間)

載具

5,000

3個支撐架、支撐平板等材料

Omni-directional移動平台

4,000

3個全向輪、3個直流馬達等

電源管理系統

4,000

LiFePO4 Li-ion電池、電源轉接板

其他

2,500

線材、無線路由器、螺絲、螺帽等

總和

59,300

 

TRIC的整體成本約為五萬餘元,因其低廉的製作成本,讓TRIC在商品化量產方面擁有絕對的優勢,使用者只需將TRIC安置於家中,搭配簡易的安裝與介面設置即可使用。本產品日後將對整體的軟/硬體與成本配置進行最佳化之規劃與技術合併,賦予實際商品化的可行性與市場價值。

8.     作品特色與未來目標

本產品於2007年開發出雛型,為了解TRIC應用遠端臨場設計元素所開發的溝通功能是否可行,本產品於雛型開發後,經過57位近端使用者(51男性、6位女性)的試用,遠端使用者透過網際網路與近端使用者實際互動溝通,使用問卷來了解TRIC用於人際溝通上的成效評估。根據問卷的呈現結果,其中有100%的使用者認為與TRIC的語音溝通傳遞清晰;89%的使用者注意到TRIC的臉部表情;86%的使用者認為與TRIC有眼神上的接觸;42%的使用者認為他們是與TRIC進行溝通,而非遠端的使用者[11]

此外,為了解TRIC的控制介面是否易於操作,於開發過程中邀請10位未操控過TRIC的使用者(9位男性,1位女性)在遠端操控TRIC通過障礙物,並於操控期間使用TRIC大部分的功能,透過操控時間的比較(相較於熟悉TRIC操作者)以了解控制介面的設計是否恰當、TRIC是否易於操作。

而經由本測試數據(如表4)可得知一般使用者只需約3次的操作,便可熟悉TRIC的絕大部分功能,顯示TRIC的人機控制介面易於操作。

4. 遠端使用者操控測試數據

目標A

測試1

測試2

測試3

平均時間(sec

47

34

31

達成率(受測者平均時間/熟悉TRIC操作者時間)

61.7%

85.3%

93.5%

目標B

 

 

 

平均時間(sec

154

121

113

達成率(受測者平均時間/熟悉TRIC操作者時間)

61.0%

77.7%

83.2%

目標 C

 

 

 

平均時間(sec

92

68

69

達成率(受測者平均時間/熟悉TRIC操作者時間)

70.7%

95.6%

94.2%

本產品近年來持續的改善工作包括「人際互動溝通」方面,朝著提升影音功能與改進TRIC的肢體情緒表現,提高TRIC對於近端使用者的存在感與擬人的真實感;在「提升系統核心」方面,選用ARM作為TRIC的系統核心,提升TRIC的擴充性與穩定性;在「適用於居家環境」方面,注入如聽聲辨位功能、自動充電等技術,增加適應居家環境的必備功能;在「商品化」方面,除了在外觀設計上持續努力設計出更容易被大眾喜愛的外型之外,也將提高系統的穩定性及增長使用時間,使TRIC邁向商品化,期望未來能打入市場。

朝著遠端臨場照護機器人的目標實行,本產品的設計人員秉持著以「人際溝通互動」、「提升系統穩定」、「適用於居家環境」與「邁向商品化」為我們的發展主軸,所有的設計元素皆以此四大主軸為發展方向,並希望與遠距居家照護系統(血壓、血醣監測)結合,讓本產品的功能更多元,並向外推行本產品的設計理念,讓遠距居家照護系統更加完善。.

9.     結論

TRIC的整體系統運作如圖15所示,遠端使用者利用互動介面,透過網際網路將資訊傳遞給TRIC,透過TRIC身上的「影音傳輸設備」,將近端環境的影音等資訊回傳給遠端使用者;藉由「表情模組」的展現,傳達遠端使用者的情緒與肢體語言,達成遠端使用者控制TRIC與人遠距溝通互動的目的;透過「環境偵測模組」、「移動控制模組」與「室內導航模組」等功能互相配合,讓遠端使用者能輕易的控制TRIC移動;透過「電源管理模組」,TRIC自己隨時監控電量,讓TRIC常保持於正常運作狀態;透過3.5G 網路的實現,讓TRIC具有行動上網的能力,隨時隨地都能陪伴在高齡者身邊。

15. TRIC整體系統運作圖

TRIC的開發至今,始終朝著「人際溝通互動」、「提升系統穩定」、「適用於居家環境」與「邁向商品化」等4大目標繼續實行。在「人際溝通互動」方面,其外觀也參考使用者的意見持續改善中,採用流線型、圓弧曲線與暖色系色彩,搭配機械式、電子式和彈性機構等肢體較活潑的表現方式,讓TRIC更具親和力,為TRIC增添更豐富的遠端臨場設計元素與視覺享受,增加近端使用者的認同感和滿足感;在「提升系統穩定」方面,運用ARM作為系統核心,並運用網路的方便性與良好使用性等特色,重新建置TRIC的系統架構,使其整體系統運作更穩定、更具擴充便利性;在「適用於居家環境」方面,則以更為便利的操作方式與提升部份技術為改善標的,以及增加更豐富的遠端臨場設計元素,讓TRIC能給予近端使用者更真實的存在;而在「邁向商品化」方面,持續針對實際使用與遠距照護效能等方面進行測試評估,期望能賦予TRIC實際商品化的可行性與市場價值。

綜觀TRIC的設計理念,使人口老化所產生的高齡者照護問題能獲得有效解決,讓高齡者能透過網路與遠端的家人或照護者透過實體的人際溝通,獲得心靈層面上的滿足。

台灣將逐步邁向高齡化社會,未來的居家照護機器人是一片廣大的市場,藉由居家照護機器人的比賽,將我們目前開發的產品TRIC商品化後,家家戶戶中都可以放置一台TRICTRIC成為子女或照護者不在高齡者身旁陪伴時,便可透過網際網路與高齡者溝通,進而與高齡者互動。有了TRIC的陪伴,讓老人們不再感到孤寂,讓未來以老年人居多的社會更加的和樂。

參考文獻

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