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作者:鄭智銘、陳延暉、王竹安(2009-07-16);推薦:徐業良(2009-07-16)

智慧型機器人輪椅人機協同控制介面規劃

智慧型機器人輪椅(Intelligent Robotic Wheelchair, iRW)重新定義了輪椅操作的方式,輪椅不再是完全被動、單向接收命令的行動輔助,而是具有機器人的特徵,能夠自主判斷、與使用者對答、配合使用者意願,進而以互動性協同控制機制共同完成動作。

本計畫智慧型機器人輪椅人機協同控制介面規劃有以下兩項特色:

(1)     在功能面上,智慧型機器人輪椅人機協同控制介面規劃了語音操控、面板觸控、搖桿操控等三種控制方式,並整合了獨立行動、生活休閒、健康照護、人際溝通等四種類型的生活輔助功能。

(2)     在情感面上,智慧型機器人輪椅不再只是輪椅,而更強調其機器人個性(本文以下也均改稱iRW,不再稱呼輪椅),都由使用者賦予特定的“暱稱”(例如「伙計」),使用者可以藉由口語化的方式向iRW下達指示,iRW僅會針對說出“暱稱”的使用者進行反應,並以閃光或是聲音的方式回應主人,就像是使用者與iRW間專屬的密語,建立起使用者與iRW間特殊的情感牽聯。

本文首先敘述iRW之人機協同控制介面規劃,接著分別敘述行動輔助、健康監測、環境控制、對外通訊、以及事件排程與貼心留言等功能介面之規劃。

1.     控制介面規劃

1為本計畫iRW外型概念設計,考慮不同層次的使用需求,iRW人機協同控制介面規劃中,使用者可以藉由面板觸控、語音控制、手動操控三種方式與iRW進行溝通。各項控制介面規劃原則敘述如下:

1. iRW外型概念設計

(1)   面板觸控

本計畫iRW整合了多項功能,必須仰賴視覺顯示才能夠迅速、有效地提供使用者大量資訊。觸控面板以視覺方式呈現使用者所需的服務整合介面,藉由直覺式的觸控可以快速地提供使用者所需的服務資源。

如圖1所示,iRW於手把處裝置一10吋觸控面版。圖2所示為觸控面板首頁畫面,登入系統後首先會於畫面上方顯示使用者名字與現在時間,並於中央處顯示今日待辦與提示事件以及所接收到的即時貼心簡訊。介面上藉由導航、健康、氣氛、通訊區分四大功能項目,使用者藉由手指點選所需要的功能按鈕以進入功能頁面。

觸控面板各項功能按鈕的設計上需符合高齡者的需求,在設計上有以下考慮:

a.        觸控面板上以藍色(導航)、綠色(健康)、黃色(氣氛)、紅色(通訊)區分四大功能區塊,以鮮豔色彩區隔出四大功能區塊。

b.       文字上使用較大的字體,各項功能按鈕的間距加大,降低誤讀與誤觸的可能性。

c.        各項功能按鈕以視覺圖示為主並輔以文字說明,藉由圖像與文字的並呈輔助使用者做出直覺、正確的操作。

d.       降低各項操作的複雜度,各項操作以2層功能頁面、3個觸控動作為極限。以導航功能區塊為例,僅需按導航鍵後帶出導航頁面,並選取導航地點兩個動作便可以完成。

e.        四大功能以多工方式執行,使用者可以任意在四項功能頁面中切換,在各項功能執行時,各功能按鍵右方會出現快速鍵,可以即時中斷該項動作的執行。例如自動導航中會出現「停」快速鍵、聆聽電台時會出現「靜」快速鍵,可以即時中斷導航功能或是靜音。

2. iRW觸控面板首頁畫面

(2)   語音控制

語音控制是本計畫iRW人機協同控制介面最主要的研究項目,期望能提供使用者方便、互動性的操作體驗,減輕使用者操作負擔,不需要克服對科技的恐懼,藉由日常對話般地的互動式溝通達到操控iRW的目的,更建立起使用者與iRW間特殊的情感牽聯。

語音控制模式中,使用者可以藉由語音控制方式要求iRW執行各項功能,圖1中標明了iRW上麥克風位置,使用者在距離麥克風5~10公分處說出語音指令,以進行語音控制。

語音控制指令的規劃上以口語化、互動性、直覺式為要點,每一個iRW均被使用者賦予一個“暱稱”,並藉由口語化的語音指令(例如「伙計,前進」)要求iRW達成所預期的動作。

(3)   手動操控

搖桿手動操控模式是一般電動輪椅常見的操控模式,也是一般使用者最習慣的操控方式,因此本計畫iRW仍然保留此控制模式。

1中也標明了iRW上手動搖桿位置,手動操控模式僅能提供行動上的輔助,可以直接反應使用者的操作動作與行進方向,當推動手動搖桿前、後、左、右四個方向時iRW也會做出對應的前進、後退、左平移、右平移等直覺式的移動,並可進行較細微的移動以到達預期的位置。

2.     行動輔助功能

使用者可以藉由面板觸控、語音控制、手動操控三種方式操作iRW的行動輔助功能。表1整理了三種控制介面行動輔助功能的規劃,詳細敘述如下。

1. iRW的三種控制介面行動輔助功能規劃

 

面板觸控

語音控制

手動操控

人機介面

觸控面板

麥克風

手動搖桿

使用者自主性

模式開啟

觸碰面板上「導航」功能鍵,進入頁面後選擇自動導航地點

使用者呼喚iRW的暱稱,接著說出語音控制指令,例如:「伙計,前進」

開啟手動搖桿開關

功能項目

預設導航按鈕:臥室、廁所、餐廳、廚房、護理站、門口等

Ÿ    基本指令:前進、後退、靠左、靠右、左轉、右轉、停止。

Ÿ    導航功能:電腦資料庫中預設的導航地點。

Ÿ    近接模式:唸出「近接模式」並回答「確認」後,每項語音指令只會微動3cm以進行較精確的控制。

Ÿ    一般模式:前進、後退、靠左、靠右、左轉、右轉。

Ÿ    近接模式:移動距離大幅減少。

避障功能

電腦自動避障

語音警示音提示前方有障礙物,隨即停止進入近接模式。

語音警示音提示前方有障礙物,使用者需自主判斷是否閃避、開啟近接模式或是繼續行駛。

2.1 面板觸控

使用者於圖2觸控面版首頁畫面上點選「導航」功能鍵以進入導航功能頁面(如圖3之示意圖),功能頁面中已預先以圖像方式設定常用位置,例如圖3中之臥室、廁所、餐廳、廚房、護理站、門口等地點,點選後iRW會自動行進至目的地,並自動閃避路途中的各項障礙物。自動導航模式進行中,除了可以藉由觸控面版上「停」按鈕,使iRW退出自動導航模式並停止之外,當語音控制或手動操控模式被開啟時,均會強迫退出自動導航模式,使用者需要再利用觸控面版重新輸入自動導航目的地。

3. 觸控面版導航功能頁面示意圖

2.2 語音控制

使用者以呼喚iRW的暱稱並加上語音指令的方式,例如「伙計,到廚房」,操控iRW行動功能。iRW語音控制規劃有以下三類語音指令:

(1)   一般移動指令

iRW預設為一般操作模式,其基本駕駛功能語音指令包括「前進」、「後退」、「靠左」、「靠右」、「左轉」、「右轉」、「停止」等7個指令。使用者呼喚iRW的暱稱後隨即唸出語音指令,「前進」控制iRW移動1公尺,「後退」、「靠左」、「靠右」則分別控制iRW向後方或左右移動0.5公尺,「左轉」、「右轉」控制iRW轉動90度,當使用者唸出「停止」iRW便會自動停止。

當行進方向遇到障礙物時,電腦會以語音以及面板顯示的方式提示「有障礙物」,iRW會暫時停止動作並進入「近接模式」,等待使用者接下來的指令;待離開障礙物範圍後,電腦會以語音與面板顯示方式提示離開障礙物,恢復一般操作模式。

(2)   自動導航指令

使用者呼喚iRW暱稱後隨即唸出導航地點,例如「伙計,到廚房」,如果「廚房」一詞在系統資料庫內,電腦會以語音與面板顯示方式覆誦詢問「是否確認導航到廚房?」,待使用者回答「確認」後隨即進行自動導航。導航過程中iRW自動閃避路途中的各項障礙物,但當使用者唸出「停止」時,iRW便會強制退出自動導航模式,等待使用者重新輸入。

(3)   近接模式

如前所述,當行進方向遇到障礙物時,電腦會以語音及面板顯示的方式提示「有障礙物」,iRW會暫時停止停止動作並進入近接模式,等待使用者接下來的指令。使用者也可利用麥克風唸出「伙計,近接模式」指令,電腦會以語音與面板顯示方式覆誦詢問:「是否確認進入近接模式?」,待使用者回答「確認」後隨即啟動近接模式。

在近接模式中,使用者仍可使用「前進」、「後退」、「靠左」、「靠右」、「左轉」、「右轉」、「停止」等7個指令,但各項語音移動指令只會使iRW微步移動,「前進」控制iRW移動0.1公尺,「後退」、「靠左」、「靠右」分別控制iRW向後方或左右移動0.05公尺,「左轉」、「右轉」控制iRW轉動10度,使用者可以利用此種模式進行較細微動作,例如靠近床沿、餐桌、馬桶時。

2.3 手動操控

使用者開啟iRW左手把上手動操控開關後,手把上的燈號亮起,電腦以語音與面板顯示方式提示進入手動操控模式,使用者即可利用搖桿進行iRW的操控。手動操控主要包括「基本駕駛」和「近接模式」兩項功能。

(1)   基本駕駛功能

本計畫開發之iRW採用全向輪底盤,基本上可以向任意方向前進,並可原地旋轉,因此基本駕駛功能中當搖桿往任意方向推動時iRW便會向該方向前進前進、而順時針或逆時針旋轉時iRW會向右或左旋轉10度,待搖桿恢復初始中央位置時iRW便停止。

當前進方向遇到障礙物時,電腦會以語音以及面板顯示的方式提示「有障礙物」,iRW會暫時停止動作並進入近接模式,等待使用者接下來的指令;待離開障礙物範圍後,電腦會以語音與面板顯示方式提示離開障礙物,恢復一般操作模式。

(2)   近接移動功能

近接移動功能提供使用者進行較細微動作,例如靠近床沿或是靠入書桌與餐桌時,使用者朝預定移動方向推動搖桿後立即放開歸位,此時iRW便會進行“近接動作”,各項移動只會使iRW微步移動約10cm

當前進方向遇到障礙物時,iRW會強迫停止並進入近接移動模式,並以語音與面板顯示方式提示前方有障礙物,此時使用者任一方向的動作(不論是推動搖桿後立刻放開或是持續壓向某一方向不放)僅能使iRW移動10cm;待離開障礙物範圍後,電腦會以語音與面板顯示方式提示離開障礙物,恢復一般操作模式。

3.     健康監測功能

本計畫iRW上配置健康監測系統,包含即時血氧監測設備以及血糖血壓量測設備,血氧監測設備需長時間配戴於使用者身上,用於即時生命跡象(血氧濃度、心跳、呼吸頻率)的監測;而血糖與血壓量測設備則是依據個別使用者需要定時量測與上傳。

4為觸控面版健康功能頁面示意圖。血氧監測為持續型的生命訊號監測,使用者配戴血氧監測設備後,血氧濃度、心跳頻率、呼吸頻率、壓力指數等項目將持續性地被紀錄並顯示於健康功能頁面。

對於需要定時量測血壓血糖的慢性病患,醫師、護理師、照護者可以藉由網頁介面進行使用者每日的健康事件排程,藉此可以提醒使用者每日血糖血壓量測時間,以及用藥時間等提示。如圖4所示,當到達預定健康量測時間時,健康功能按鈕旁會自動產生一綠色「量」按鈕,並以文字提示使用者「量測血糖血壓」,健康功能頁面中也會顯示「請立即量測血糖」與「請立即量測血壓」等文字提示訊息。待血糖與血壓量測完成後,使用者按下綠色「量」按鈕進行血糖與血壓的量測值由血壓血糖計上傳至iRW之上之伺服器,健康功能頁面隨即顯示如圖5所示本次的量測結果,而綠色「量」按鈕也將消失。

4. 觸控面版健康功能頁面示意圖

5. 健康功能頁面量測結果顯示

使用者於iRW上所進行的量測資料都將忠實地記錄下來,子女、照護者、護理師、醫師均可以經由IE瀏覽器,利用血糖血壓健康管理介面(如圖6),以專屬的帳號與密碼從遠端登入iRW,以進行各項生理量測記錄的瀏覽。

6. 血糖血壓健康管理介面

4.     氣氛調整功能

藉由iRW的觸控介面,可以選擇收聽電台、遙控電視、調整室內燈光等三項功能。如圖7所示,觸控面版按下「氣氛」按鈕後即出現氣氛功能頁面,可以點選欲收聽的電台頻道、用以控制電視頻道及音量、開啟或關閉室內燈光。使用者選定電台頻道後,氣氛按鈕的左方會出現「靜」按鈕,並有文字敘述目前播放的頻道內容,使用者可以按下「靜」按鈕關閉音量。

7. 觸控面版氣氛功能頁面示意圖

5.     通訊功能

iRW觸控面板整合了網路視訊與語音通訊功能,使用者按下「通訊」按鈕後進入通訊功能頁面,使用者可以點選左方進入語音撥號頁面或是視訊通訊頁面。圖8所示為語音通訊頁面,使用者除了可以使用數字按鍵輸入電話號碼並播出外,也可以點選常用快速撥號鍵播出;圖9為視訊通訊頁面,已內建常用的使用者位置,僅需要點選使用者名稱便可以進行視訊通訊。

使用者進行通訊中,「通訊」按鈕左方會出現「切」按鈕,並顯示目前通訊中的對象,使用者可以隨時按下「切」按鈕中止通訊。當外界來電時操作面板會顯示一對話框詢問使用者是否接聽來電,若使用者按下「接聽」按鍵進行通訊時,氣氛功能中的電台播放將會強迫靜音,通話結束後使用者需要自行再度開啟播放功能。

8. 語音通訊頁面示意圖

9. 視訊通訊頁面

6.     事件排程與貼心留言

使用者開啟iRW觸控面版之後,會自動進入如圖10所示「今日行程」與「貼心簡訊」頁面,輔助使用者掌握每日健康、娛樂、通訊等待辦事項,並且呈現來自各方的即時關懷訊息。其資訊輸入方式如圖11所示,擁有管理權限的管理者(醫師、護理師、照護者、親屬)可以藉由遠端的瀏覽器進行,事件排程與貼心留言等功能。

10. 今日行程與貼心簡訊

11. 資訊輸入方式

12iRW遠端瀏覽器登入介面,iRW本身具有獨立IP位址,輸入欲登入iRWIP位址、姓名或身份證字號,隨後鍵入登入者的帳號與密碼便可帶出如圖13的排程與貼心簡訊頁面。iRW的網頁介面會隨著登入者的權限而帶出不同的畫面。以管理者權限帳號密碼登入iRW,可為iRW使用者設定各項待辦事項並發送貼心簡訊;一般權限的使用者僅能發送貼心簡訊而無法進行事件排程。

登入者變更後的行程會更新於圖10中的每日行程頁面,而即時性的貼心簡訊除了也會在該頁面下方顯示之外,另會跳出一對話框,提供使用者在第一時間以最即時的方式掌握各方的貼心關懷。

12. iRW遠端瀏覽器登入介面

13. 事件排程與貼心簡訊輸入網頁(遠端瀏覽器管理者頁面)