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(fā)出可隨時跟隨獨居老人并具備跌倒偵測、緊急通知和網(wǎng)路互動等功能的智慧照護機器人，以提升居家照護品質(zhì)。

臺灣目前已逐漸邁入高齡化社會，多數(shù)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(yǎng)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(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(guān)懷照護系統(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(tài)服務(wù)，即時得知親友最新動態(tài)訊息，也可透過網(wǎng)路通話與遠方的家人進行視訊聊天;同時也可隨時監(jiān)控，當意外發(fā)生時可即時通知家人及醫(yī)護人員進行處理。

該系統(tǒng)利用主系統(tǒng)晶片將Kinect所感測的骨架追蹤、手勢辨識及網(wǎng)路攝影的視訊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)晶片，并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(chuàng)新應(yīng)用擴大

該系統(tǒng)創(chuàng)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(wǎng)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(wù)部分，該系統(tǒng)利用骨架追蹤及超音波定位，當老人移動時，機器人便會跟隨至后方進行照護，可隨時判定老人是否跌倒，操作起來也十分方便?，F(xiàn)有的跌倒偵測系統(tǒng)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(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，當老人判定為跌倒時，機器人會自動由主系統(tǒng)晶片發(fā)布簡訊至指定家人手機中，親人接收到消息后可立即做出反應(yīng)或視訊觀看。而臉書動態(tài)及互動視訊服務(wù)部分，該系統(tǒng)加裝臉書動態(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(wù)

照護機器人主系統(tǒng)利用晶片與Kinect進行老人互動與看護服務(wù)。智慧型看護機器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時看護，利用Kinect本身的骨架識別，以判別正常狀況時的骨架數(shù)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(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進行通知，家人則可透過網(wǎng)路視訊進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)進行轉(zhuǎn)換動作。跟隨方面，則運用產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)變(PWM)脈波來控制HB-25馬達驅(qū)動器來驅(qū)動直流馬達，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

利用晶片使機器人進行追蹤，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(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)器用于測量與物體間的距離，范圍介于3cm?3.3m，容易裝置于機器人或自動設(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)過運算后即能得到精準的距離。為實現(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，使超音波能自動追隨物體，也更加穩(wěn)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(qū)動，搭配耐高電流的12伏特(V)馬達驅(qū)動晶片(HB-25)來控制直流馬達，控制方式為脈波的寬度調(diào)變，控制兩顆馬達的正反轉(zhuǎn)、時間差和轉(zhuǎn)動速度等參數(shù)，晶片扮演重要的行動控制機能，車體的前進、后退、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可掃描的范圍內(nèi)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為人體進入Kinect范圍時會出現(xiàn)骨架識別，進而做出不同指令動作。

圖3 機器人動作流程圖

.緊急簡訊傳送

當老人發(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進行通知，家人在查看到簡訊后能立即開啟網(wǎng)路視訊服務(wù)，可于第一時間了解家中老人的狀況，并與老人進行對話。

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

.臉書動態(tài)/互動視訊服務(wù)

當老人需要照護機器人進行觀看在外子女的動態(tài)或聯(lián)絡(luò)時，可透過手勢辨識，呼叫照護機器人過來至身旁，機器人可透過手勢動作判別進行臉書動態(tài)服務(wù)，可觀看子女在外打卡或上傳照片，也可利用網(wǎng)路攝影機及網(wǎng)路視訊功能與在遠方子女進行視訊對話，隨時知道彼此的消息。

執(zhí)行完整測試項目　機器人實現(xiàn)更安全老人照護

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)，進行數(shù)值運算與即時反應(yīng)，利用微控制器的高運算處理速度來即時完成所有數(shù)值接收與指令，讓機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)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)，達到所有模組相互結(jié)合的應(yīng)用，進而完成智慧型照護機器人的設(shè)計與實現(xiàn)。在實作過程中須進行仔細調(diào)整與測試的項目，包括直流馬達驅(qū)動控制、超音波定位角度追蹤、Kinect指令動作方向和機器人追隨安全距離。

.直流馬達驅(qū)動控制

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

圖5 直流馬達測試及建置

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

.超音波定位角度追蹤

為能讓機器人能自動追蹤人體，自行簡易設(shè)計出應(yīng)用三個超音波判斷距離與方向，再與伺服器馬達結(jié)合而形成的角度追蹤，透過偵測三種方向，馬達就能精準追隨并停止。

.Kinect指令動作方向

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

.機器人追隨安全距離

為能讓跟隨老人并維持距離追蹤，以及Kinect角度偵判范圍，測試不同距離來決定能最精準且偵測到數(shù)值的車身與老人間距，分別測試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)合超音波進行人體追蹤，置放三顆以擴大測量范圍。

圖6 照護系統(tǒng)正面硬體裝置配置

藉由跟隨功能達到即時監(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，達到即時拿取的便利性，以最人性化且智慧的方式照顧好老人，未來也將會增加更多功能，來讓服務(wù)更加完善。