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高控制/運算效能助力 MCU實現智慧照護機器人

2013/6  顏錦柱/陳智勇/莊子弘/陳聖文/吳孟瑋
高齡化社會來臨,使得獨居老人照護問題日益受到重視,因此研究人員利用具備高控制和運算能力的微控制器(MCU),開發出可隨時跟隨獨居老人並具備跌倒偵測、緊急通知和網路互動等功能的智慧照護機器人,以提升居家照護品質。

台灣目前已逐漸邁入高齡化社會,多數子女工作在外,無法全心全意照顧老人,因此孤獨在家中的老人照護就顯得相當重要。有人選擇聘請看護在家照料,抑或決定送至安養中心,但這些方法費用過高,而且子女也無法直接照顧親人,顯得較不放心。為有效解決此問題,可照護及關懷老人生活的電子裝置遂日益受到重視,透過裝置的監控及互動功能,不僅可讓老人在家即能了解在外親人的消息,而子女也能隨時從中得到家中父母的健康與生活資訊。

老人關懷照護系統設計有居家的監控功能及和家人互動功能,透過網路服務,當老人有照顧需求時,可利用手勢辨識功能呼叫機器人至身邊;當想觀看親友在臉書(Facebook)上的消息及圖片時,可利用臉書動態服務,即時得知親友最新動態訊息,也可透過網路通話與遠方的家人進行視訊聊天;同時也可隨時監控,當意外發生時可即時通知家人及醫護人員進行處理。  

該系統利用主系統晶片將Kinect所感測的骨架追蹤、手勢辨識及網路攝影的視訊通話等感測後存取數值,再利用串列傳輸(USART)傳送數值於主系統晶片,並做出距離等識別模式,進行跟隨老人、控制馬達與老人互動。  

Kinect感測功能襄助 照護機器人創新應用擴大 

該系統創新性功能為跟隨看護模式--Kinect骨架追蹤和超音波定位、骨架判斷--跌倒偵測、緊急通知--簡訊傳送,以及互動功能--手勢辨識和網路視訊(圖1)。  

圖1 照護機器人理想互動功能

在跟隨看護服務部分,該系統利用骨架追蹤及超音波定位,當老人移動時,機器人便會跟隨至後方進行照護,可隨時判定老人是否跌倒,操作起來也十分方便。現有的跌倒偵測系統大都依賴攝影機或是使用者身上配戴的器材來辨別跌倒,該系統的跌倒偵測只須透過Kinect骨架追蹤,即可判定是否跌倒。  

至於緊急簡訊傳送部分,當老人判定為跌倒時,機器人會自動由主系統晶片發布簡訊至指定家人手機中,親人接收到消息後可立即做出反應或視訊觀看。而臉書動態及互動視訊服務部分,該系統加裝臉書動態服務及網路視訊,老人即可關心在外子女的圖片,並讓親友利用視訊互動看見老人在家的狀況,能有效拉近老人與家人的距離。  

.跟隨看護服務 

照護機器人主系統利用晶片與Kinect進行老人互動與看護服務。智慧型看護機器人可透過Kinect跟隨於老人後方隨時看護,利用Kinect本身的骨架識別,以判別正常狀況時的骨架數量與動作。當老人不慎跌倒時,依骨架瞬間降下或消失為判別,再回傳數值訊號給主系統,可即時透過緊急簡訊功能送至子女的手機進行通知,家人則可透過網路視訊進行查看老人在家中的狀況,以免錯過時間就醫。  

為即時反應與傳送數值來跟隨與保障老人的安危,看護系統透過主系統晶片提供USART,即可直接利用USART而不須再以串列周邊介面(SPI)進行轉換動作。跟隨方面,則運用產生脈衝寬度調變(PWM)脈波來控制HB-25馬達驅動器來驅動直流馬達,由於控制波形即可正反轉,就能在主晶片應用與結合出讓機器人前後左右的動作與功能。  

該系統還須使用PING超音波距離感應器(圖2)來偵測距離,除應用PWM來進行聲波傳送與接收,也使用通用輸入/輸出來接收數值距離判斷與Kinect骨架等數值。  

圖2 PING超音波距離感應器

利用晶片使機器人進行追蹤,由超音波偵測距離,讓主系統判斷老人的位置,並命令馬達動作,使機器人能進行跟隨,可隨時跟在老人的身邊,注意是否有突發狀況發生,揮揮手就能與家人視訊通話等功能。  

PING超音波距離感應器用於測量與物體間的距離,範圍介於3cm?3.3m,容易裝置於機器人或自動設備上。超音波感測器利用脈波產生,透過聲波喇叭進行一發一收的動作來得到訊號的時間長短,也就是感測器發送訊號至物體而反射後所經過的時間,在經過運算後即能得到精準的距離。為實現追蹤功能,超音波定位追蹤方法利用主系統晶片產生脈波與判斷,使超音波能自動追隨物體,也更加穩定照護功能。  

為可負載生活必需品,因此行走動力來源選擇扭力較大的馬達(IG-30GM)做為驅動,搭配耐高電流的12伏特(V)馬達驅動晶片(HB-25)來控制直流馬達,控制方式為脈波的寬度調變,控制兩顆馬達的正反轉、時間差和轉動速度等參數,晶片扮演重要的行動控制機能,車體的前進、後退、轉彎等動作。  

.Kinect骨架判斷 

Kinect透過鏡頭即時擷取使用者的動作,之後並會接著解析相對應的指令。透過內建的紅外線VGA鏡頭發出主動式雷射,在Kinect可掃描的範圍內藉由雷射反射過程判斷使用者位置,當使用者的身體部位識別完畢後,Kinect會將所擷取到的資料整理成一組骨架圖,藉此對應於相關應用。  

使用Kinect本身的骨架辨識功能,能模擬出老人的骨架,讓主系統監控骨架與動作,判斷骨架是否出現或是下降;判斷特定動作,啟動特定的功能,如圖3為人體進入Kinect範圍時會出現骨架識別,進而做出不同指令動作。  

圖3 機器人動作流程圖

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