【877專論】銀髮族的陪伴機器人設計與實作

資訊傳播工程系教授/葉生正 研究團隊/資傳系研究生申凱宇.朱席寬.林品妤.潘光潔 台灣社會已步入高齡化及少子化的結構,因此銀髮族缺乏關懷和照顧的問題會越來越嚴重。在今年寒假,有機會到「思源療養院」擔任志工,平常都是觀看網路或電視新聞才能得知一些老年人的問題,但此次卻是親眼所見缺乏關愛的銀髮族之生活作息,感觸良多。這就是我們團隊進行此研究的最大動機,特別是希望可為那些獨居的老年人略盡微薄之力。 科技時代的日新月異,資通訊(ICT)產業的蓬勃發展,發明了許多對人類社會有幫助且便利的產品。例如智慧型手機現在非常的盛行,無線網路和行動通訊的相關應用服務比比皆是(如GPS、LINE、FB…等)。此外,日本在機器人方面的研發擁有非常先進的技術,目前已有跟成人一般大小,且能靈活行動、說話及提供居家服務的功能。近來亦有相關報導,日本已將機器人發送到外太空陪伴宇宙航空人員,提供聊天解悶的功能,或隨伺在旁充當小助手。當然,之前也有其它在養老院能陪伴聊天的小型機器人展示發表,這也就是我們想完成此專題研究的靈感來源之一。 我們的研究是整合Android智慧型手機和NXT樂高機器人(LEGO Mindstorms NXT)的功能,設計開發出一「陪伴機器人」,主要提供獨居銀髮族可透過語音的方式與機器人互動,並讓遠端的親屬或照護人員能操控該機器人,且回傳即時影像,了解銀髮族的生活狀態。 本研究在NXT樂高機器人身上放置一智慧型手機,並使用擴充性較高的JAVA語言來撰寫程式,但NXT系統原本只支援圖形介面,要使用程式碼控制機器人得把NXT的主機改成文字介面。另外,需要解決版本相容性的問題後,才能利用JAVA程式語言撰寫的所有動作的指令,使樂高機器人能夠具有無線傳輸(Wi-Fi和藍芽)、擷取影像、遠端操控、播放音樂、跳舞和聊天等功能。最後,再進行銀髮族所使用手機之語音辨識與無線傳輸(Wi-Fi)等功能的開發,使機器人可透過語音所下的指令即時互動回應,達到陪伴、娛樂和關懷的目的。 另外,我們還結合包含Google語音辨識之APP,達到使用語音即可遠端操控機器人,透過Wi-Fi讓兩支手機溝通,加上利用藍芽(Bluetooth)無線傳輸讓機器人與裝置在機器人身上的手機進行連結,形成一個網路通訊系統。且利用Wi-Fi將機器人上的智慧型手機所拍攝到的影像及資料,即時回傳到使用者的終端設備(PC、NB或智慧型手機)。樂高機器人可依使用者的指令行動,且能在遠端監看與操控過程中避開障礙物,進一步地也可透過感應器閃避或改變方向。以智慧型手機上的攝影機所拍的即時畫面代替使用者的視野,讓使用者更容易操控機器人的行進,達到遠端操控與監看關懷的目的。 NXT樂高機器人的部分,最早是在1932年由丹麥的木匠所提出。隨著時間的演化,樂高積木從原本的靜態玩具轉變到現在各式各樣的機器人,一系列樂高相關教學產品陸續推出,樂高積木模型也從原先的靜態玩具轉變為今日各式各樣的機器人;甚至拓展到教育方面,現在很多的國小和國中都有推出相關的課程。NXT具有3個輸出埠,用於連結控制馬達;另外4個輸入埠,用來連接玩家設計時可能需要的感應器,例如超音波、聲音、光、溫度、顏色與碰撞感應器等。樂高機器人最吸引人的地方,就是能像傳統的樂高積木一樣,可以自由的發揮創意,拼湊出各種模型,且可讓它隨著個人的巧思與設計,因應周遭環境對感應器的激發而靈活動作。 由於樂高機器人之NXT主機只能透過Bluetooth來接收無線訊息,且Bluetooth只適合在近距離的情況下使用,其有效傳輸距離約10公尺。本研究為了達到遠端操控的目的,並讓使用者能夠不受距離限制,所以加入了Wi-Fi無線網路為第二個傳輸媒介。 Google語音辨識的部分,如今它的準確率平均已經高達86%了,目前內建語音辨識已支援多種語言,如:英文、中文、日文、阿拉伯文等。而在開發Android智慧型手機應用程式(APP)方面,便能使用Google語音辨識,來節省傳統須建立龐大的資料庫比對系統。另外,也因為Google語音辨識的高準確度並支援多國語言,使得越來越多的Android 應用程式加上Google語音辨識功能,來增加APP的便利性。語音輸入的最大好處是它非常合乎人的自然行為習慣,對於不習慣或不便使用鍵盤輸入的人,有了語音輸入與辨識分析的方法後,就不必辛苦地學習各種輸入法。因此,考量銀髮族的便利性與接受度,本系統採用語音操控為主,提供較精確的中文語音(指令)辨識率與機器人互動。 此研究使用NXT樂高機器人和Android作業系統之智慧型手機結合,透過語音方式遠端操控樂高機器人,使用者手機與樂高機器人身上的手機利用Wi-Fi使兩支智慧型手機達成連結,同時也能夠即時地回傳影像。 使用者可以透過手機介面中的前進、後退等按鈕進行操控,也可以直接使用語音方式來下達指令,目的都是以遠端操控樂高機器人,語音下達指令後經語音辨識分析產生文字,並透過Wi-Fi與樂高機器人身上的手機進行連結,以便傳送指令。另外樂高機器人身上的手機與樂高機器人以藍芽裝置(Bluetooth)做為溝通媒介,手機經由藍芽對NXT樂高機器人下達須執行的指令,使樂高機器人能夠完成動作,與銀髮族進行互動,對銀髮族有所回饋,達到語音操控以及陪伴的目的。 另外,今天如果使用者是子女的話,一樣可以利用介面或語音方式遠端操控機器人,機器人還能透過Wi-Fi的方式回傳樂高機器人身上的手機所拍攝到的影像畫面,幫助使用者更便於遠端操控和監看。因此,利用智慧型手機之攝影裝置來拍攝畫面並傳送即時影像,再藉由樂高機器人身上的感應裝置來判斷環境,判別是否需要轉彎或者是繼續前進,以達到在遠端關懷銀髮族居家狀況的目的。 我們所研發的APP操控機器人有兩個模式:一種是介面按鈕操控另一種是語音操控。前者是使用者可透過介面上的前進後退等按鈕進行操控機器人,後者為使用者可直接以語音的方式下達指令操控機器人。另外,還可即時回傳樂高機器人身上的手機所拍攝到的影像資訊給使用者的終端設備,讓他可透過遠端即時影像的擷取與傳遞,隨時隨地觀看銀髮族的居家狀況。 機器人除了行動之外,還有娛樂的功能,使用者可以跟機器人對話,還可以下達指令讓機器人唱歌和跳舞等。其中唱歌部份是抓取大量適合銀髮族的流行歌曲讓它隨機播放,對話部份,目前是採取自行錄音的方式,現階段錄製好的語句已經高達上百組,例如當你問他:『你叫什麼名字?』、『今天天氣如何?』、『你有什麼功能?』等相對應的答覆,藉此來達到聊天陪伴的目的。 本研究亦進行了Google語音辨識系統的準確率分析, 其對英文語音的辨識度較高,但對中文語音的辨識率相對較低(約82%);加上每個人說話口音的問題,所以透過了我們的過濾程序與方法,讓中文語音指令的辨識度提高。例如,可能同樣一句話都是說「前進」,卻會跑出「千金」或是「乾淨」等結果,我們找了更多人做測試,把這些可能出現的結果都指向正確的「前進」,讓樂高機器人能夠完成正確指令。 此外,機器人上裝置的手機會依需求將所拍攝到的影像畫面,回傳到遠端的終端機,讓外地的子女能夠隨時隨地掌握家中長輩的狀況。若有發生跌倒或其它突發狀況,就能即時得知並處理。 我們所製作的樂高機器人具備前進、後退與轉彎等基本行動功能(原型機如圖所示)。且前方裝置碰撞感測器,在前進途中如遇障礙物,便可反應並90度旋轉改變方向。另外,機器人有可放置手機的插槽,讓該手機拍攝畫面回傳,機器人並且可以360度旋轉環景拍攝,增加便利性。 在組裝樂高機器人的部分,不再像小時只是積木而已,它分成很多細部的零件,必須動頭腦發揮創意,讓每一個零件組裝起來有自己的用處,這也讓我們花了不少心思與心血。且組裝時也必須注意整體機構的設計,如輪胎的對稱,還有樂高機器人左右兩邊重量的平衡,才不會導致樂高機器人在直線行走時產生偏移。還有,要留意為NXT主機預留正面空間,讓按鈕與螢幕能夠正常操作,同時也能夠方便的拆除更換電池。另外,手機放置處的插槽必須加裝一個卡榫,用來防止機器人在行走時帶來的晃動,保護手機的安全還可提高攝影時的穩定度。 我們的研究成果如圖所示,樂高機器人結合了一智慧型手機,其利用Wi-Fi無線網路與使用者端的智慧型手機進行連結和語音溝通(如聊天和撥放音樂)。機器人身上之智慧型手機再以Bluetooth無線傳輸指令操控機器人進行互動(如跳舞);且智慧型手機透過Wi-Fi網路的基地台(AP, Access Point)傳輸到伺服器端,達到即時影像回傳的功能。至於攝影方面的功能也包含了拍照跟錄影,機器人可360度旋轉環景拍攝,並能拍攝到整個房間的狀況。 未來希望我們所開發設計的系統不僅侷限在NXT樂高機器人,也可將這套系統嵌入於其它的資通訊設備。且將來亦可採用Wi-Fi Direct技術來進行點對點的傳輸,這樣不僅可加快傳輸效率,也能不再侷限於無線網路AP是否建構或提供服務,讓手機跟手機之間直接傳輸。當然,還可讓機器人加入行事曆的功能,提醒銀髮族吃藥、睡覺等;甚至可研究出如何跟腦波進行連結,透過腦波可以直接下達命令操控機器人,以幫助有語言障礙且行動不便的銀髮族,造福更多需要幫助的人。

發表迴響