//Logo Image
作者:盧嘉泓(2011-07-30);推薦:盧俊銘徐業良(2011-07-30)
附註:本文為九十九學年度元智大學機械工程研究所盧嘉泓碩士論文「基於人際溝通互動元素開發遠端臨場機器人-TRiCmini」第一章。

第一章 研究背景與目的

1.1 服務型機器人的發展與應用

「機器人」這個詞最早出現於西元1920年捷克科幻作家卡雷爾‧恰佩克(Karel Capek)的《羅索姆的萬能機器人》,作品中原文“Robota”往後及衍生為西文通行的“Robot”一詞,其字源有著奴隸、下人、勞役、苦工等意義。因此最初機器人單純是用來代替人類勞動而存在的,西元1979年美國機器人研究所(Robot Institute of America)則定義機器人為「一個可編程、具有多種功能的機械,透過多樣性的動作移動物料、工件、工具或其他各種設備,以達成提昇工作績效之目的」。

隨著科技的進步與人類生活型態的改變,機器人的功用已經不僅僅限於勞力的替代。根據應用領域的不同,現代機器人可大致可區分為「工業型機器人(Industrial Robots)」與「服務型機器人(Service Robots)」兩種,根據國際標準組織(ISO)定義,工業型機器人為「應用於工業自動化中,可自動控制、編成,達成三軸以上動作的多功能機械,其形式可為固定或移動」[ISO 8373, 1994],如定義所述,工業用機器人主要是幫助人類執行重複而單調的任務,提高生產效率。國際機器人聯盟(International Federation of Robotics)為服務型機器人下定義為「自動或半自動的機器,提供製造程序以外的服務,以促進人類的福祉」,其類型繁多,舉凡協助清掃、導覽、生理輔助到具有娛樂性與教育性的機器人皆有所發展。很明顯地,服務型機器人更貼近人類一般的生活,對於人類生活的影響也較工業型機器人更直接且快速。

依據操作方式的不同,服務型機器人可被分為「自律型機器人(autonomous robots)」與「操作型機器人(manual controlled robots)」。自律型機器人不需要被人操作,可自行判斷需要執行的動作,經常被應用於清掃、娛樂、陪伴、教育等作用。圖1-1是由iRobot公司推出的吸塵機器人Roomba,屬於自律型機器人,它可以偵測地板污垢並會規劃掃地路徑,完成吸塵工作後會自行回充電座待命,是目前世界上最成功的機器人商品之一。日本產業技術總合研究所開發的Paro(圖1-2)是用以滿足心理與精神層面的互動式機器人,目的在於陪伴人類排解無聊或寂寞,其外型是一隻可愛的小海獺,具有光線、觸覺、聲音等的感測器,可針對人們的碰觸做出不同的反應。研究學者將Paro置於高齡者安養中心進行17個月的觀察,發現Paro與高齡者的互動能有效撫慰高齡者的情緒,使其不再抑鬱不安。與Paro相似,日本富士通發表一款機器人泰迪熊(圖1-3),用來激發孩子的積極性和陪伴老人,機器人泰迪熊能夠轉動手腳、頭部、眉毛和耳朵,感應到人的撫摸,並且會笑、會哭、會揮擺動手腳,可以作為病人、孩童、高齡者的寵物,達成心理治療慰藉的作用。

1-1. iRobot公司開發的Roomba吸塵機器人[iRobot, 2011]

1-2. Paro於養護中心與高齡者互動[Wada et al., 2008]

1-3. 富士通開發的泰迪熊機器人[Murano, 2010]

自律型機器人並不一定如前述例子都是體型小巧的,如圖1-4所示,由日本理化學研究所(RIKEN)與東海橡膠工業株式會社(TRI)共同開發的互動式人體輔助機器人(RIBA),其高度達到140cm,可以協助護理人員搬運病人,是世界上第一台可用機械手臂將人舉起的機器人,RIBA全身被特殊泡沫材料包裹,舒適且安全,其機械手臂與體內多處裝有感測器,能根據病人的姿勢做出調整,並具有簡單的語音識別能力,醫療人員可用透過聲音指揮RIBA做出動作。

1-4. 互動式人體輔助機器人RIBA [Toshiharu et al., 2010]

操作型機器人又可被分為現場操作與遠端操作兩種。現場操作機器人之控制面板或控制機構裝置於機器人上,操作者必須在機器人所在處操作,此類型機器人經常用於行動能力輔助。例如PineauAtrash [2007]發展出針對於高齡者與殘障者的智慧型輪椅“Smart Wheeler”增加他們獨立行動的能力(圖1-5);Kiguchi等人[2004]所開發的“Robotic Exoskeletons”技術,則可協助高齡者、殘障者或傷者等行動能力較弱的人完成肢體的動作,該技術是透過量測肌肉電位訊號(EMG)的變化,進而得知使用者想要執行的動作,然後透過“Robotic exoskeletons”給予適度的力量支援以協助其完成動作。此外,Satoh 等人[2009]也利用類似的概念開發了“Robot suit HAL”,可幫助穿戴者輕鬆舉起重物或是輔助穿戴者行走,並且已經實際上市販售(圖1-6)。

1-5. 智慧型輪椅Smart Wheeler

 

1-6. Robot suit HAL幫助使用者舉起重物與行走

遠端控制的機器人是由使用者在遠方遙控操作,由於使用者沒有在機器人旁,所以機器人上必須配備攝影機、麥克風等環境狀況擷取的設備,讓使用者了解遠方環境的狀況,也就是要讓使用者有「臨場感」。使用者除了遙控操作機器人外,機器人還以先進的設備提供感官刺激讓使用者擁有臨場感,此技術稱作「遠端臨場(Telepresence)」。利用了遠端臨場技術的醫療方面服務型機器人,已有許多實際的例子,如圖1-7為美國Intuitive Surgical公司的達文西手術機器人系統(da Vinci® Surgical System),利用遠端臨場技術幫助外科醫師替病患執行長時間手術。達文西手術機器人分為主控端(Master controller)與受控機器(Slave manipulators)兩部分,醫師可透過主控端上的CCD雙目內診視鏡取得立體的視覺、聲音並且控制手套上會有觸覺回饋,控制遠方受控機器的精密機器手臂進行手術。達文西手術機器人是第一具獲美國藥物食品管理局(FDA)批准的遠端遙控醫療機器人,迄今已在全世界執行超過20萬個大小手術。

1-7. 達文西手術機器人系統[Kim et al., 2006]

加拿大的機器人Rosie(圖1-8)同樣也利用遠端臨場技術,可以代替醫師到各個病房觀察或詢問病患病情。醫師可透過電腦,操作機器人行走至各個病房,透過攝影機了解病患情況,也能透過麥克風與病患溝通,而病患可以由機器人身上的顯示器看到醫師的臉,有如醫師附身在機器人身上與病患互動,相當適合應用於醫生不易到達的偏遠地區,目前Rosie已在加拿大醫院實際測試運作。遠端臨場技術也被用於教育方面,由韓國KIST研製出教學機器人Engkey”(圖1-9,此機器人用於偏遠地區兒童教學用,遠在菲律賓的英語教師遠端控制此機器人,教師可在操作介面看見孩子,聽到他們的聲音,機器人身上有麥克風、螢幕讓教師對機器人所在處的孩童們進行英語教學。

1-8. 看診機器人Rosie [Gerrard et al., 2010]

1-9. 遠端教學機器人Engkey [Sungjin et al., 2010]

不管是看診或是教學等,可以發現利用遠端臨場技術的機器人常被應用於人際之間的互動,期望能重現人與人面對面溝通的模式,因此諸多研究團隊與人員紛紛投入相關的技術開發與應用,以滿足實際的需求。

1.2 遠端臨場技術於人際溝通之應用

「遠端臨場(Telepresence)」技術是結合虛擬實境與遠端控制的研究領域,這個詞最早是被Marvin [1980]所提出。“Tele”有電傳、遠傳等含意,“Presence”的含意為臨場、存在,“Telepresence”表示將遠端真實的環境資訊回傳給近端的使用者,讓近端的使用者有如身處遠端環境的臨場感。Sheridan [1992]則具體解釋“Telepresence”為「藉由遠端真實環境的一些設備,偵測所處環境的狀況,而近端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」。

1980年代初期,美國太空總署NASA最早將遠端臨場技術應用,讓太空人控制利用遠端臨場技術的機器人,使太空人不用親自處理外太空困難與危險的任務。致力研究太空機器人的學者Akin等人[1983]定義遠端臨場技術為「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,在控制端操控者能夠得到足夠量與質的感官回饋訊號,讓操控者得到工作端的臨場感」。

遠端臨場技術在人際溝通互動用途上的應用常見於視訊會議,視訊會議往往受限於電腦設備的所在位置,因此出現了應用遠端臨場技術的溝通互動用機器人。如在美國已經在市面上販售的應用遠端臨場技術的機器人“VGo”1-10VGo裝有攝影機、麥克風、喇叭、螢幕與移動用的輪子,並有感測器可以防止它跌落樓梯,使用者可在遠方利用電腦連線VGo,控制其走動、接收到機器人所在的影音資訊,也可以把本身的影像與聲音由VGo放出,達成與遠方的人溝通的效果。VGo最初的目的是應用於遠距會議,但是目前也應用來代替因重病或行動不便而無法到學校的孩童上課,孩童在家中利用電腦操作機器人以了解課堂內的情況,VGo身上的螢幕與喇叭可以讓家中的孩童隨時請老師說明或回答問題。但是此類型的機器人常常只被視為傳送影像、聲音為溝通媒介,而事實上人類真實互動並非只有如此,因此,勢必需要發展更能忠實重現人際間互動的遠端臨場機器人。

1-10. 遠端臨場機器人VGo用於會議與代替孩童上課[VGo Communications, 2011]

遠端臨場技術是為讓使用者感覺到自己好像就在遠方另一個環境中一般,如圖1-11所示,遠端臨場技術在提供「使用者(user)」與另一端的「參與者(participant)」一個具有人際溝通的聯繫關係,如之前所提到的VGo,或是讓「使用者」與另一端真實環境有特定的關係、工作之連結,如之前所提到的達文西手術機器人系統。

基於上述應用,在利用遠端臨場技術進行人際溝通時將產生兩個面向,通常「使用者」較偏向操作端,「參與者」較偏向接收端,機器人、放映設備等會安置於此端,本研究定義機器人所在處的「參與者」所在為近端環境,操作機器人的「使用者」所在處為遠端環境。而如同前述,近端的「參與者」則同時以「對話者」或「觀察者」的角色存在於環境中,因此依「參與者」的角度,遠端臨場技術須提供必要的元素使「參與者」能夠認同遠端臨場機器人為「使用者」的代理人。因此,遠端臨場技術提供「使用者」與「參與者」經由聲音、影像、肢體動作等有助於人際溝通的要素進行互動。

1-11. 遠端臨場技術之應用架構[Tsai, 2007]

1.3 研究背景與目的

近年來,高齡化社會的現象是全世界所共同面對的問題,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)。高齡者最大的風險並非全然是健康的問題,孤立(isolation)也是需要被重視的問題,高齡者需要經常和朋友、親人、照護者聯繫溝通從而有更高的社會參與[Tsai, 2007]。為解決高齡者因單獨居住而產生的心理與精神層面的照護問題,使得生理機能漸趨衰退的高齡者,仍然能夠健康、舒適、安全地享受更高品質的生活,市面上已經有很多陪伴人用的機器人,如之前所提到的Paro;然而,自律型機器人可能在初次接觸時會感到新鮮有趣,但隨使用時間增長卻會漸漸失去其趣味與吸引力,有限的的互動也遠遠不及親人所能給予的關懷。相對來說,利用遠端臨場技術的機器人,其背後為真實的人在操作,行為模式較有變化、有人性,更可吸引高齡者與之互動,此外親友、照護者也透過遠端臨場技術將關懷給予高齡者,高齡者可感覺到親友、照護者的關心,並且與自律型機器人相比,使用遠端臨場技術的操作型機器人較為單純且成本較低,更容易迎合市場的趨勢。

本研究期望利用遠端臨場機器人讓親友、照護者與高齡者溝通互動,「使用者」即是親友或照護者,藉由遠端臨場技術控制遠端臨場機器人將其存在感投射至「參與者」所在處,也就是高齡者所在的環境中,同時環境資訊透過遠端臨場技術回饋予「使用者」親友或照護者能隨時藉由TRIC與高齡者進行溝通互動,親友、照護者可表達關懷,而高齡者則獲得心靈層面的慰藉與陪伴,讓高齡者舒適地生活於家中。

蔡宗成[2007]、黃冠穎[2009]已利用此概念開發出人際溝通用遠端臨場機器人TRIC,但由於TRIC內部系統架構複雜,導致其體積龐大、重量過重、成本偏高而較難實際應用(圖1-12)。本研究將重新設計TRIC,製作出新一代的應用於人際溝通互動之遠端臨場機器人,與TRIC相比,新一代的機器人大幅縮小了體積,所以暱稱為「TRiCmini」。TRiCmini將系統簡化,並強調人際溝通互動元素,加強了擬人化的肢體動作、情緒展現與外觀且強化了使用者介面的親和力來增加互動溝通能力,亦會對TRiCmini進行設計評估,了解使用者透過機器人進行人際溝通時的使用性(usability),朝商品化的方向邁進,期望能實際推廣於一般家庭中使用。

1-12. TRIC的體積與重量較不適合實際應用

本研究在以下的章節中將分別針對相關的技術與概念,依序做進一步的詳細說明,本文將在第二章介紹TRiCmini之設計概念與系統建置,第三章說明TRiCmini的硬體與軟體,第四章說明TRiCmini的基礎性能與其使用者評估的方法與分析結果,第五章總結整體的開發製作並簡述預期的成果。

參考資料

Huang, K.-Y., 2009, “Constructing an ARM-based Telepresence Robot for Interpersonal Communication Systems.” Master. thesis, Yuan Ze University, Taiwan.

Tsai, T.-C., 2007, “Developing a Telepresence Robot for Interpersonal Communication with the Elderly in a Home Environment.” Ph.D. thesis, Yuan Ze University, Taiwan.

Akin, D. L., Minsky, M. L., Thiel, E. D., and Kurtzman, C. R., 1983, “Space Applications of Automation, Robotics and Machine Intelligence Systems (ARAMIS) - Phase II,” Vol. 1-3 NASA Contractor Reports no. 3734-6, for Contract NAS8-34381.

Gerrard, A., Tusia, J., Pomeroy, B., Dower, A., and Gillis, J., 2010, “On-call physician-robot dispatched to remote Labrador,” News in Health, Media Centre, Dalhousie University, Canada.

International Organization for Standardization, 1994, ISO: 8373: Manipulating industrial robots -- Vocabulary.

iRobot, 2011 , http://www.irobot.com/

Kiguchi, K., Tanaka, T., and Fukuda, T., 2004, “Neuro-fuzzy control of a robotic exoskeleton with EMG signals,” Fuzzy Systems, IEEE Transactions on, 12(4), 481-490.

Kim, C. H., Kim, D., and Oh, Y. H., 2006, “Adaptation of human motion capture data to humanoid robots for motion imitation using optimization, ” Journal of Integrated Computer-Aided Engineering 13(4): 377-389.

Marvin, M., 1980, “Telepresence,” Omni.

Murano, K., 2010, “Towards the Human-Centric Intelligent Society,” In: Visit 2010 – Fujitsu Forum Europe, Munich, Germany.

Pineau, J., and Atrash, A., 2007, “SmartWheeler: A robotic wheelchair test-bed for investigating new models of human-robot interaction,” AAAI Spring Symposium on Multidisciplinary Collaboration for Socially Assistive Robotics.

Satoh, H., Kawabata, T., and Sankai, Y., 2009, Bathing care assistance with robot suit HAL, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 498-503, Guilin, China.

Sheridan, T.B., 1992, “Telerobotics,” Automation and Human Supervisory Control, MIT Press, Cambridge, MA.

Sungjin, L., Changgu, K., Jonghoon, L., Hyungjong N., Kyusong, L., and Gary G. L., 2010, “AFFECTIVE EFFECTS OF SPEECH-ENABLED ROBOTS FOR LANGUAGE LEARNING,” Pohang University of Science and Technology, South Korea.

Toshiharu, M., Shinya, H., Hiromichi, N., Yo, K., Yuki, S., Shijie, G., and Shigeyuki, H., 2010, “Development of a Nursing-Care Assistant Robot RIBA That Can Lift a Human in Its Arms.

VGo Communications, 2011, http://www.vgocom.com

Wada, K., Shibata, T., Musha, T., and Kimura, S., 2008, “Robot therapy for elders affected by dementia,” IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine.