老人關(guān)懷照護(hù)系統(tǒng)設(shè)計有居家的監(jiān)控功能及和家人互動功能，透過網(wǎng)路服務(wù)，當(dāng)老人有照顧需求時，可利用手勢辨識功能呼叫機(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，可利用臉書動態(tài)服務(wù)，即時得知親友最新動態(tài)訊息，也可透過網(wǎng)路通話與遠(yuǎn)方的家人進(jìn)行視頻聊天；同時也可隨 時監(jiān)控，當(dāng)意外發(fā)生時可即時通知家人及醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

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

　　Kinect感測功能襄助　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、緊急通知--簡訊傳送，以及互動功能--手勢辨識和網(wǎng)路視頻（圖1）。

　　圖1 照護(hù)機(jī)器人理想互動功能

　 　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)老人移動時，機(jī)器人便會跟隨至后方進(jìn)行照護(hù)，可隨時判定老人是否跌倒，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)的跌倒偵測只須透過Kinect骨架追蹤，即可判定是否跌倒。

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

　　照護(hù)機(jī)器人主系統(tǒng)利用芯片與Kinect進(jìn)行老人互動與 看護(hù)服務(wù)。智能型看護(hù)機(jī)器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時看護(hù)，利用Kinect本身的骨架識別，以判別正常狀況時的骨架數(shù)量與動作。當(dāng)老人不慎 跌倒時，依骨架瞬間降下或消失為判別，再回傳數(shù)值訊號給主系統(tǒng)，可即時透過緊急簡訊功能送至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人則可透過網(wǎng)路視頻進(jìn)行查看老人在家中 的狀況，以免錯過時間就醫(yī)。

　　為即時反應(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)芯片提供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)換動作。跟隨方面，則運(yùn)用產(chǎn)生脈衝寬度調(diào)變（PWM）脈波來控制HB-25馬達(dá)驅(qū)動器來驅(qū)動直流馬達(dá)， 由于控制波形即可正反轉(zhuǎn)，就能在主芯片應(yīng)用與結(jié)合出讓機(jī)器人前后左右的動作與功能。

　　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

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

　 　PING超音波距離感應(yīng)器用于測量與物體間的距離，範(fàn)圍介于3cm？3.3m，容易裝置于機(jī)器人或自動設(shè)備上。超音波感測器利用脈波產(chǎn)生，透過聲波喇叭 進(jìn)行一發(fā)一收的動作來得到訊號的時間長短，也就是感測器發(fā)送訊號至物體而反射后所經(jīng)過的時間，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)芯片產(chǎn)生脈波與判斷，使超音波能自動追隨物體，也更加穩(wěn)定照護(hù)功能。

　　為可負(fù)載生活必需品，因此行走動力來源選擇扭 力較大的馬達(dá)（IG-30GM）做為驅(qū)動，搭配耐高電流的12伏特（V）馬達(dá)驅(qū)動芯片（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)、時間差和轉(zhuǎn)動速度等參數(shù)，芯片扮演重要的行動控制機(jī)能，車體的前進(jìn)、后煺、轉(zhuǎn)彎等動作。

　　．Kinect骨架判斷

　 　Kinect透過鏡頭即時擷取使用者的動作，之后并會接著解析相對應(yīng)的指令。透過內(nèi)建的紅外線VGA鏡頭發(fā)出主動式雷射，在Kinect可掃描的範(fàn)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別完畢后，Kinect會將所擷取到的資料整理成一組骨架圖，藉此對應(yīng)于相關(guān)應(yīng)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(tǒng)監(jiān)控骨架與動作，判斷骨架是否出現(xiàn)或是下降；判斷特定動作，啟動特定的功能，如圖3為人體進(jìn)入Kinect範(fàn)圍時會出現(xiàn)骨架識別，進(jìn)而做出不同指令動作。

　　圖3 機(jī)器人動作流程圖

　　．緊急簡訊傳送

　　當(dāng)老人發(fā)生跌倒時，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，并透過緊急簡訊功能，立即發(fā)送簡訊至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人在查看到簡訊后能立即開啟網(wǎng)路視頻服務(wù)，可于第一時間了解家中老人的狀況，并與老人進(jìn)行對話。

　　此外，簡訊功能可指定手機(jī)號碼，且更改緊急聯(lián)絡(luò)人十分方便。

　　．臉書動態(tài)/互動視頻服務(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態(tài)或聯(lián)絡(luò)時，可透過手勢辨識，呼叫照護(hù)機(jī)器人過來至身旁，機(jī)器人可透過手勢動作判別進(jìn)行臉書動態(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)路視頻功能與在遠(yuǎn)方子女進(jìn)行視頻對話，隨時知道彼此的消息。

　　執(zhí)行完整測試項目　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)算與即時反應(yīng)，利用微控制器的高運(yùn)算處理速度來即時完成所有數(shù)值接收與指令，讓機(jī)器人不會因延遲而導(dǎo)致行動不順暢。

　　圖4 微控制器動作方塊圖

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

　　．直流馬達(dá)驅(qū)動控制

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

　　圖5 直流馬達(dá)測試及建置

　　利用測試方法讓馬達(dá)得以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動作，再將完成的馬達(dá)驅(qū)動置于該作品底座，裡頭包含自行設(shè)計的電路板、配置電源及最重要的馬達(dá)驅(qū)動器等。

　　．超音波定位角度追蹤

　　為能讓機(jī)器人能自動追蹤人體，自行簡易設(shè)計出應(yīng)用叁個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，透過偵測叁種方向，馬達(dá)就能精準(zhǔn)追隨并停止。

　　．Kinect指令動作方向

　　該系統(tǒng)結(jié)合Kinect進(jìn)行骨架與動作偵測，手勢動作則應(yīng)用于開啟臉書動態(tài)服務(wù)于網(wǎng)路視頻功能，為方便開啟功能，進(jìn)而測試手勢不同方向與動作。

　　．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角度偵判範(fàn)圍，測試不同距離來決定能最精準(zhǔn)且偵測到數(shù)值的車身與老人間距，分別測試50cm、80cm、100cm叁種不同距離。

　　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，用來觀看視頻及骨架偵測觀察畫面。Kinect置于上方處，方便擷取整個骨架，并結(jié)合超音波進(jìn)行人體追蹤，置放叁顆以擴(kuò)大測量範(fàn)圍。

　　圖6 照護(hù)系統(tǒng)正面硬件裝置配置

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

　　相關(guān)推薦：

　　伺服控制智能助力機(jī)械手系統(tǒng)功能分析

　　應(yīng)用于車身傳輸領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)

　　機(jī)器人技術(shù)科普之必知工業(yè)機(jī)器人分類

　　基于運(yùn)動學(xué)原理的可穿戴下肢助力機(jī)器人

　　基于DSP和機(jī)器人的聲控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

?

????? 更多機(jī)器人技術(shù)資料，電路圖及DIY設(shè)計，可參見本期Designs of week——當(dāng)中國制造遇上機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計思維請跟上！

?

?