高齡化社會(huì)來臨，使得獨(dú)居老人照護(hù)問題日益受到重視，因此研究人員利用具備高控制和運(yùn)算能力的微控制器(MCU)，開發(fā)出可隨時(shí)跟隨獨(dú)居老人并具備跌倒偵測(cè)、緊急通知和網(wǎng)路互動(dòng)等功能的智慧照護(hù)機(jī)器人，以提升居家照護(hù)品質(zhì)。

臺(tái)灣目前已逐漸邁入高齡化社會(huì)，多數(shù)子女工作在外，無法全心全意照顧老人，因此孤獨(dú)在家中的老人照護(hù)就顯得相當(dāng)重要。有人選擇聘請(qǐng)看護(hù)在家照料，抑或決定送至安養(yǎng)中心，但這些方法費(fèi)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(hù)及關(guān)懷老人生活的電子裝置遂日益受到重視，透過裝置的監(jiān)控及互動(dòng)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(shí)從中得到家中父母的健康與生活資訊。

老人關(guān)懷照護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有居家的監(jiān)控功能及和家人互動(dòng)功能，透過網(wǎng)路服務(wù)，當(dāng)老人有照顧需求時(shí)，可利用手勢(shì)辨識(shí)功能呼叫機(jī)器人至身邊;當(dāng)想觀看親友在臉書(Facebook)上的消息及圖片時(shí)，可利用臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)，即時(shí)得知親友最新動(dòng)態(tài)訊息，也可透過網(wǎng)路通話與遠(yuǎn)方的家人進(jìn)行視訊聊天;同時(shí)也可隨時(shí)監(jiān)控，當(dāng)意外發(fā)生時(shí)可即時(shí)通知家人及醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

該系統(tǒng)利用主系統(tǒng)晶片將Kinect所感測(cè)的骨架追蹤、手勢(shì)辨識(shí)及網(wǎng)路攝影的視訊通話等感測(cè)后存取數(shù)值，再利用串列傳輸(USART)傳送數(shù)值于主系統(tǒng)晶片，并做出距離等識(shí)別模式，進(jìn)行跟隨老人、控制馬達(dá)與老人互動(dòng)。

Kinect感測(cè)功能襄助　照護(hù)機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用擴(kuò)大

該系統(tǒng)創(chuàng)新性功能為跟隨看護(hù)模式Kinect骨架追蹤和超音波定位、骨架判斷跌倒偵測(cè)、緊急通知簡(jiǎn)訊傳送，以及互動(dòng)功能手勢(shì)辨識(shí)和網(wǎng)路視訊(圖1)。

圖1 照護(hù)機(jī)器人理想互動(dòng)功能

在跟隨看護(hù)服務(wù)部分，該系統(tǒng)利用骨架追蹤及超音波定位，當(dāng)老人移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人便會(huì)跟隨至后方進(jìn)行照護(hù)，可隨時(shí)判定老人是否跌倒，操作起來也十分方便。現(xiàn)有的跌倒偵測(cè)系統(tǒng)大都依賴攝影機(jī)或是使用者身上配戴的器材來辨別跌倒，該系統(tǒng)的跌倒偵測(cè)只須透過Kinect骨架追蹤，即可判定是否跌倒。

至于緊急簡(jiǎn)訊傳送部分，當(dāng)老人判定為跌倒時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)由主系統(tǒng)晶片發(fā)布簡(jiǎn)訊至指定家人手機(jī)中，親人接收到消息后可立即做出反應(yīng)或視訊觀看。而臉書動(dòng)態(tài)及互動(dòng)視訊服務(wù)部分，該系統(tǒng)加裝臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)及網(wǎng)路視訊，老人即可關(guān)心在外子女的圖片，并讓親友利用視訊互動(dòng)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(hù)服務(wù)

照護(hù)機(jī)器人主系統(tǒng)利用晶片與Kinect進(jìn)行老人互動(dòng)與看護(hù)服務(wù)。智慧型看護(hù)機(jī)器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時(shí)看護(hù)，利用Kinect本身的骨架識(shí)別，以判別正常狀況時(shí)的骨架數(shù)量與動(dòng)作。當(dāng)老人不慎跌倒時(shí)，依骨架瞬間降下或消失為判別，再回傳數(shù)值訊號(hào)給主系統(tǒng)，可即時(shí)透過緊急簡(jiǎn)訊功能送至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人則可透過網(wǎng)路視訊進(jìn)行查看老人在家中的狀況，以免錯(cuò)過時(shí)間就醫(yī)。

為即時(shí)反應(yīng)與傳送數(shù)值來跟隨與保障老人的安危，看護(hù)系統(tǒng)透過主系統(tǒng)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(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作。跟隨方面，則運(yùn)用產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)變(PWM)脈波來控制HB-25馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)，由于控制波形即可正反轉(zhuǎn)，就能在主晶片應(yīng)用與結(jié)合出讓機(jī)器人前后左右的動(dòng)作與功能。

該系統(tǒng)還須使用PING超音波距離感應(yīng)器(圖2)來偵測(cè)距離，除應(yīng)用PWM來進(jìn)行聲波傳送與接收，也使用通用輸入/輸出來接收數(shù)值距離判斷與Kinect骨架等數(shù)值。

圖2 PING超音波距離感應(yīng)器

利用晶片使機(jī)器人進(jìn)行追蹤，由超音波偵測(cè)距離，讓主系統(tǒng)判斷老人的位置，并命令馬達(dá)動(dòng)作，使機(jī)器人能進(jìn)行跟隨，可隨時(shí)跟在老人的身邊，注意是否有突發(fā)狀況發(fā)生，揮揮手就能與家人視訊通話等功能。

PING超音波距離感應(yīng)器用于測(cè)量與物體間的距離，范圍介于3cm?3.3m，容易裝置于機(jī)器人或自動(dòng)設(shè)備上。超音波感測(cè)器利用脈波產(chǎn)生，透過聲波喇叭進(jìn)行一發(fā)一收的動(dòng)作來得到訊號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短，也就是感測(cè)器發(fā)送訊號(hào)至物體而反射后所經(jīng)過的時(shí)間，在經(jīng)過運(yùn)算后即能得到精準(zhǔn)的距離。為實(shí)現(xiàn)追蹤功能，超音波定位追蹤方法利用主系統(tǒng)晶片產(chǎn)生脈波與判斷，使超音波能自動(dòng)追隨物體，也更加穩(wěn)定照護(hù)功能。

為可負(fù)載生活必需品，因此行走動(dòng)力來源選擇扭力較大的馬達(dá)(IG-30GM)做為驅(qū)動(dòng)，搭配耐高電流的12伏特(V)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)晶片(HB-25)來控制直流馬達(dá)，控制方式為脈波的寬度調(diào)變，控制兩顆馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)間差和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)，晶片扮演重要的行動(dòng)控制機(jī)能，車體的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。

.Kinect骨架判斷

Kinect透過鏡頭即時(shí)擷取使用者的動(dòng)作，之后并會(huì)接著解析相對(duì)應(yīng)的指令。透過內(nèi)建的紅外線VGA鏡頭發(fā)出主動(dòng)式雷射，在Kinect可掃描的范圍內(nèi)藉由雷射反射過程判斷使用者位置，當(dāng)使用者的身體部位識(shí)別完畢后，Kinect會(huì)將所擷取到的資料整理成一組骨架圖，藉此對(duì)應(yīng)于相關(guān)應(yīng)用。

使用Kinect本身的骨架辨識(shí)功能，能模擬出老人的骨架，讓主系統(tǒng)監(jiān)控骨架與動(dòng)作，判斷骨架是否出現(xiàn)或是下降;判斷特定動(dòng)作，啟動(dòng)特定的功能，如圖3為人體進(jìn)入Kinect范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)骨架識(shí)別，進(jìn)而做出不同指令動(dòng)作。

圖3 機(jī)器人動(dòng)作流程圖

.緊急簡(jiǎn)訊傳送

當(dāng)老人發(fā)生跌倒時(shí)，主系統(tǒng)接受跌倒指令數(shù)值判斷出Kinect所勾勒出的骨架是否下降或消失，并透過緊急簡(jiǎn)訊功能，立即發(fā)送簡(jiǎn)訊至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人在查看到簡(jiǎn)訊后能立即開啟網(wǎng)路視訊服務(wù)，可于第一時(shí)間了解家中老人的狀況，并與老人進(jìn)行對(duì)話。

此外，簡(jiǎn)訊功能可指定手機(jī)號(hào)碼，且更改緊急聯(lián)絡(luò)人十分方便。

.臉書動(dòng)態(tài)/互動(dòng)視訊服務(wù)

當(dāng)老人需要照護(hù)機(jī)器人進(jìn)行觀看在外子女的動(dòng)態(tài)或聯(lián)絡(luò)時(shí)，可透過手勢(shì)辨識(shí)，呼叫照護(hù)機(jī)器人過來至身旁，機(jī)器人可透過手勢(shì)動(dòng)作判別進(jìn)行臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)，可觀看子女在外打卡或上傳照片，也可利用網(wǎng)路攝影機(jī)及網(wǎng)路視訊功能與在遠(yuǎn)方子女進(jìn)行視訊對(duì)話，隨時(shí)知道彼此的消息。

執(zhí)行完整測(cè)試項(xiàng)目　機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更安全老人照護(hù)

圖3為該系統(tǒng)的動(dòng)作流程圖，以微控制器(MCU)做為核心控制(圖4)，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算與即時(shí)反應(yīng)，利用微控制器的高運(yùn)算處理速度來即時(shí)完成所有數(shù)值接收與指令，讓機(jī)器人不會(huì)因延遲而導(dǎo)致行動(dòng)不順暢。

圖4 微控制器動(dòng)作方塊圖

主系統(tǒng)晶片還須與其他硬體結(jié)構(gòu)說明，以主系統(tǒng)晶片出發(fā)，達(dá)到所有模組相互結(jié)合的應(yīng)用，進(jìn)而完成智慧型照護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)作過程中須進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整與測(cè)試的項(xiàng)目，包括直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制、超音波定位角度追蹤、Kinect指令動(dòng)作方向和機(jī)器人追隨安全距離。

.直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制

為讓本系統(tǒng)達(dá)到行動(dòng)照護(hù)，所以直流馬達(dá)是必定需要的，并使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，控制起來只須調(diào)整脈沖寬度調(diào)變(PWM)，以及馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)間差和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)，就能讓照護(hù)機(jī)器人行動(dòng)起來更加順暢(圖5)。

圖5 直流馬達(dá)測(cè)試及建置

利用測(cè)試方法讓馬達(dá)得以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)作，再將完成的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)置于該作品底座，里頭包含自行設(shè)計(jì)的電路板、配置電源及最重要的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等。

.超音波定位角度追蹤

為能讓機(jī)器人能自動(dòng)追蹤人體，自行簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)出應(yīng)用三個(gè)超音波判斷距離與方向，再與伺服器馬達(dá)結(jié)合而形成的角度追蹤，透過偵測(cè)三種方向，馬達(dá)就能精準(zhǔn)追隨并停止。

.Kinect指令動(dòng)作方向

該系統(tǒng)結(jié)合Kinect進(jìn)行骨架與動(dòng)作偵測(cè)，手勢(shì)動(dòng)作則應(yīng)用于開啟臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)于網(wǎng)路視訊功能，為方便開啟功能，進(jìn)而測(cè)試手勢(shì)不同方向與動(dòng)作。

.機(jī)器人追隨安全距離

為能讓跟隨老人并維持距離追蹤，以及Kinect角度偵判范圍，測(cè)試不同距離來決定能最精準(zhǔn)且偵測(cè)到數(shù)值的車身與老人間距，分別測(cè)試50cm、80cm、100cm三種不同距離。

圖6為該系統(tǒng)的正面擺設(shè)，其中包含筆記型電腦的放置，用來觀看視訊及骨架偵測(cè)觀察畫面。Kinect置于上方處，方便擷取整個(gè)骨架，并結(jié)合超音波進(jìn)行人體追蹤，置放三顆以擴(kuò)大測(cè)量范圍。

圖6 照護(hù)系統(tǒng)正面硬體裝置配置

藉由跟隨功能達(dá)到即時(shí)監(jiān)控，讓老人在家中能降低危險(xiǎn)發(fā)生，并利用本身置物柜以放取老人日常生活用品，達(dá)到即時(shí)拿取的便利性，以最人性化且智慧的方式照顧好老人，未來也將會(huì)增加更多功能，來讓服務(wù)更加完善。