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作者:盧嘉泓、陳延暉(2010-05-14);推薦:徐業良(2010-05-18)
附註:本文為參加PMC99年智慧型機器人產品創意競賽」夢想實現組之創意構想書。

TRiCmini-應用於人際溝通互動之遠端臨場迷你機器人

Mini Telepresence Robot for Interpersonal Communication

1.     摘要

高齡化社會現象在全世界都是越來越嚴重的問題。由於現代社會生活與工作型態的變遷,高齡者子女往往無法常伴左右,高齡者獨居的比例越來越高(單獨居住或高齡夫妻同住)。高齡者最大的風險不全然是健康問題,而是孤立(isolation),高齡者需要經常和朋友、親人、照護者聯繫溝通。

本作品利用遠端臨場(Telepresence)技術,開發人際溝通互動之遠端臨場服務型機器人—Telepresence Robot for Interpersonal Communication (TRIC)。遠端臨場技術的主要目的,是將近端真實的環境資訊回饋給遠端的使用者,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。高齡者家中的TRIC可被親友或照護者登入,親友與照護者可看見高齡者的影像並作雙向的對話,還可操作TRIC做出不同的動作與表情,將自身的情緒投射到TRIC上,而高齡者藉由與TRIC互動而感覺到親友或照護者彷彿就在身旁一般。

本作品是TRIC新一代版本,定位為「家電產品」,期盼能實際推廣於一般家庭中使用,因此外型比起前一代更加輕巧、小型化,暱稱為「TRiCmini」。除遠端臨場溝通功能外,TRiCmini更強調友善可愛的外表與生動的表情、肢體動作等人類於互動溝通中所需要素,希望能提升高齡者與之互動的興趣;本作品TRiCmini將以「機器人群」的方式呈現,每個TRiCmini基本架構相同,卻都有不同造型,除了表現其可複製性及產品多樣性等商品化要素之外,更將呈現TRiCmini的「網路社群」,如同時下流行的FaceBook,使用者可將其他擁有TRiCmini的使用者加為”好友”並與之對話,強調高齡者和家人間的互動、甚至是與其他高齡者的互動,從而使高齡者有更高的社會參與。

2.     設計概念

TRiCmini定位為在居家環境中與高齡者互動溝通之遠端臨場機器人,在設計概念上有三大思考主軸:

(1)   應用遠端臨場技術與人的溝通互動

TRiCmini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,期望近端與遠端的人們有共處於同一空間的真實感,是種截然不同的遠距溝通方式。如圖1所示,遠端使用者透過網際網路操控近端的TRiCmini行動,將自身投射在TRiCmini身上;近端使用者則同時擔任觀察者和對話者的角色,藉由觀察TRiCmini的行為,認同其為遠端使用者的「替身」,而與之產生互動、對話;遠端使用者也透過影音等訊號傳輸,讓自己產生沈浸在近端環境的錯覺,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。

1. 遠端臨場技術之實際應用情境示意

在人際溝通功能上,TRiCmini藉由加強擬人化的肢體、情緒展現方式,及外觀與使用者介面的親和力,來強化使用者與其互動溝通的意願;TRiCmini外型設計摒棄一般機器人硬式外殼,改採絨毛玩具式軟質設計,不僅討喜可愛,更可依使用者不同的喜好有不同的衣飾搭配,大大增加了TRiCmini的個人化的設計與趣味。

(2)   以家電產品為定位適用於一般居家環境

TRiCmini以家電產品自我定位,在設計中強調外型輕巧、製作成本低廉、系統穩定且操作簡便;為適用於居家環境,TRiCmini在通訊架構只需使用一般家中常用之寬頻網路環境與無線網路設備即可。居家環境空間往往較擁擠、複雜,使用者又未受過相關之專業訓練,因此TRiCmini設計了簡易的遠端操作介面,也藉由在實際居家環境中不斷的測試,瞭解在居家環境中如充電方式等各種狀況與限制,進而改善TRiCmini各部份功能

(3)   建立TRiCmini的「網路社群」,增強高齡使用者社會參與

TRiCmini創造了利用網際網路溝通的全新平台,設想未來商品化後,將為所有TRiCmini建立互相溝通之網路社群。如圖2所示,除了遠方子女、照護者與家中高齡者的互動溝通之外,高齡者也可利用簡易的遠端操作介面,將其他擁有TRiCmini的使用者加為”好友”並與之對話,強調高齡者主動和家人、甚至是與其他高齡者的互動,從而使高齡者有更高的社會參與。

2. 網路社群概念圖

3.     系統架構

3TRiCmini基本功能示意圖,TRiCmini定位為在居家環境中與高齡者互動溝通之遠端臨場機器人,基本功能包括影音互動、情緒動作與表情變化的展現、以及控制TRiCmini全向移動等,障礙物閃避功能則可幫助遠端的使用者更容易操作TRiCmini

3. TRiCmini基本功能示意圖

如圖4所示,為達成前述功能,TRiCmini設計了7項技術模組。遠端使用者利用「遠端使用者介面」登入操作近端的TRiCmini近端則由「無線網路模組」接收訊號,傳訊給「情緒模組」或「移動控制模組」控制TRiCmini動作,同時透過「影音模組」將近端的狀況真實呈現給遠端使用者,「電源模組」管理TRiCmini的電力,最後「近端使用者介面」即為TRiCmini的整體外型。

4. TRiCmini系統架構圖

4.     設計原理

4中的7項技術模組之設計原理,分別說明如下

(1)    遠端使用者介面

遠端使用者透過遠端使用者介面,經由網際網路投射至TRiCmini,與近端使用者進行雙向溝通與互動。為降低遠端使用者操控的困難,除了傳統的滑鼠點擊式電腦操作介面外,TRiCmini也可搭配使用專用之觸控面版,操作介面皆經過人因工程的評估而設計出操作簡易的介面。

(2)    無線通訊模組

為了降低製造成本與外型大小,TRiCmini不使用普通的電腦主機,而採用自行開發之PIC單晶片嵌入式網路伺服器pic_Sever v3(圖5)為核心,並結合市售無線網路卡,達成無線網路功能。遠端使用者利用遠端使用者介面發出HTTP訊息後,經由網際網路傳送給近端使用者設置於家中的無線網路路由器,以無線方式傳送給在TRiCmini上的無線網路卡接收,轉送至pic_Sever v3,解碼處理後以I2C方式轉發給指定的模組執行動作;若各個模組需回報資訊,也經由pic_Sever v3集後回傳至遠端使用者介面。

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5. 自行開發之PIC單晶片嵌入式網路伺服器pic_Sever v3

(3)    情緒表達模組

TRiCmini以眼睛的表情、雙手的擺動、與身體的移動動作等三種方式來表達情緒,情緒表達模組也建構在pic_Sever v3上,並搭配伺服馬達控制的雙手及LED構成的雙眼TRiCmini預設了高興、難過、生氣等三組情緒狀態可供遠端使用者控制,皆配合了對應的眼睛表情變化、雙手擺動及身體的移動動作。TRiCmini的眼睛由LED陣列所組成,以不同的表情來表達TRiCmini的情緒狀態,身體的移動則是由移動控制模組負責。接到遠端情緒指令時,pic_Sever v3直接控制眼睛與雙手擺動,同時透過I2C命令移動控制模組產生對應的身體動作。

(4)   影音模組

TRiCmini使用市售的IP Cam與喇叭作為其影音模組攝影機鏡頭可透過網路控制其轉動及仰角讓遠端使用者更可以掌握近端的狀況,同時此攝影機也可收音並配合喇叭作放音,讓TRiCmini達到單向影像、雙向聲音互動的功能。

(5)   移動控制模組

移動控制模組包含全向輪平台(圖6)與自製之pic單晶片馬達控制器;馬達控制器接收pic_Sever v3傳來的訊號,經過演算後驅動馬達,控制TRiCmini行走,可選擇的行走方式有前進後退、左右平移、順逆時針旋轉等三種模式;移動控制模組同時也負責TRiCmini閃避障礙物的工作,接收超音波感測器的訊息,演算處理後控制TRiCmini作障礙物閃避。

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6. 全向輪平台

(6)   電源模組

TRiCmini電源模組由磷酸鋰鐵充電電池與一電源電路板組成,負責電力的管理。7為電源電路板電路圖,當電池電力不足(低於12.8V)時,電源電路板LED2亮起發出警示而如一般家電產品,充電時僅需將TRICmini變壓器連接再插上家中插座充電即可(電源電路板LED1亮起,顯示連接市電;LED3亮起,顯示為充電狀態)。當連接市電時電源模組會自動將動力源切換為市電,電池充電完成(高於13.8V)後,充電功能會自動切斷以保護電池(LED3熄滅),但是TRICmini電力源還是保持市電直到與插座分離。

7. 電源電路板電路圖

(7)   近端使用者介面

近端使用者介面即是TRiCmini本身外型TRiCmini必須要吸引使用者與之互動,所以TRiCmini的整體外型尺寸小巧可愛,設計時使用流線與圓弧並搭配舒適的顏色營造其親和力,摒棄傳統機器人冷冰冰的硬式外殼,改採如絨毛玩具般軟質材料,甚至可以幫TRiCmini“換衣服”,讓TRiCmini更有個性更個人化,也大大增加了趣味與互動性

5.     規格說明與效能展示

1TRiCmini整體規格表,TRiCmini的重量與大小相當於家中的熱水瓶,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。

1. TRICmini整體規格表

L×W×H

290×260×400mm

Battery type

LiFePO4 Li-ion

Weight

3.5kg

Battery capacity

12.8V 10Ah

Varied speed

10~20cm/sec

Battery operation time

120~150 minutes

Circumrotation radius

0mm

Battery recharge time

90 minutes (6A)

6.     操作方式

8TRiCmini整體系統的運作圖,遠端使用者透過「遠端使用者介面」(如圖9,可為個人電腦軟體或專用之觸控面版),經由網際網路登入近端的TRiCmini,並透過「影音模組」回傳之聲音與影像觀察近端環境,從而對近端環境的TRiCmini下指令控制其移動,並將遠端使用者的語言、情緒投射到近端環境的TRiCmini,與近端使用者溝通。

8. 整體系統運作圖

9. 遠端操作者操作介面

近端環境中,TRiCmini本身就是實際與人溝通互動最重要的人機介面。TRiCmini外型設計小巧可愛,並加入了機械式與電子式的動作元素,豐富TRiCmini的親和力,另外加上可換衣的設計,讓使用者可自行搭配TRiCmini衣飾,使TRiCmini更具個性與個人化也增加其趣味與互動性。

10描述TRiCmini的使用情境,我們期望家電化的TRiCmini能夠更加普及,高齡者及其子女家中都可擁有TRiCmini,當子女想與高齡者對話時就可登入在高齡者家中的TRiCmini與之互動,當高齡者想與子女聊天的時,也可以使用TRiCmini專用之觸控面板輕鬆操作於子女家中的TRiCmini與親友互動。TRiCmini還加入網路社群的功能,使用者可以尋找同樣擁有TRICmini的其他使用者與之互為“好友”,並利用TRiCmini互動。

10. TRiCmini使用情境

7.     製作成本概估

如表2所示,實驗室原型TRiCmini的整體成本約為3萬元

2. TRiCmini整體材料經費表

材料名稱

金額

備註

pic_Sever v3

2,500

 

移動控制模組

6,000

包含控制晶片、馬達、輪子、超音波等

影音模組

6,500

包含IP CAM、喇叭

支撐架

3,000

全鋁製骨架

電源模組

6,000

LiFePO4 Li-ion電池、電源版

其他

3,000

線材、無線網卡、螺絲、螺帽等

總和

30,000

 

8.     作品特色與未來目標

本產品於2007年提出概念,並在隔年開發出雛型,本產品最大的特色在於其使用遠端臨場技術,有別於一般市面上陪伴高齡者的自律型(Autonomous)機器人,自律型的機器人可能在一開始接觸時會感到新鮮,但會隨時間拉長而失去其趣味與吸引性,利用遠端臨場的機器人因為背後是真實的人在操作,行為模式較有變化且有人性更可吸引人,並且遠端臨場技術較為單純且成本較低,更容易迎合市場的趨勢。

新一代TRiCmini外型上摒棄一般機器人硬式外殼設計,導入軟性材質,還可以幫TRiCmini換衣服,為冷冰冰的機器人增添了趣味與個人化要素;網路社群概念的應用,拓展了高齡者的社會參與,同時也架構出未來可能的商業模式雛型。

本產品已經製造出初步的試作機(圖11),也設計出代表其形象的標誌(圖12)目前正在居家環境進行實地測試與改良,外型上希望可更加可愛並製作更多不同款式的外衣,整體系統希望穩定外也可更節省電力,並多方考慮家電產品使用的要素,當然也嘗試極力壓低製作的成本,希望最後能真正成為商品。

11. TRiCmini試作機圖

12. TRiCmini形象標誌

9.     結論

綜觀TRiCmini的設計理念,利用遠端臨場技術從而達到通訊方式一個新的高度,使人口老化所產生的高齡者心理照護的問題能獲得有效改善,讓高齡者能透過網路與遠端的親友或照護者透過有如實體的人際互動,獲得心靈層面上的滿足。台灣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,藉由此機器人產品創意競賽,開發居家環境中與高齡者互動溝通遠端臨場機器人TRiCmini,希望未來家家戶戶中都有TRiCmini,讓TRiCmini成為子女或照護者不在高齡者身旁陪伴時,最佳的陪伴者。有了TRiCmini的陪伴,讓老人們不再感到孤獨與寂寞,讓未來以老年人居多的社會更加的和樂。

10. 參考資料

Sheridan TB. Telerobotics, automation and human supervisory control. Cambridge, MA: MIT Press, 1992.

Schloerb DW. A quantitative measure of telepresence.Presence: Teleoperators and Virtual Environments 1995.

Rudolph, F.V., and Kathleen S.V., Inter-Act Using Interpersonal Communication Skills, Wadsworth, Division of International Thomson Publishing Inc. 1995.