資通訊技術∕遠端臨場機器人 在遠距居家照護之應用 2008老化與科技研討會—遠距居家照護技術研習課程(IV) 資通訊技術∕遠端臨場機器人 在遠距居家照護之應用 徐業良 元智大學主任秘書　機械系教授 元智大學老人福祉科技研究中心主任 2008年8月8日

通訊技術基本概念 (1/4) 通訊：將聲音、文字、影像、數據等訊號透過介質傳輸於兩地間 通訊介質 通訊介質 通訊技術上考量的兩個重點： 實體線材（有線）：電話線、同軸電纜線、光纖等 無實體線材（無線）：電磁波、光線 通訊技術上考量的兩個重點： 傳輸的速度 ：通常以“data rate”來表示，意指每秒鐘傳輸之數據量 ，單位通常會使用kbps 、Mbps等 傳輸的距離 通訊介質 2 2

通訊技術基本概念(2/4) 電磁波 無線通訊普遍性大幅提升是目前通訊技術應用上熱門的發展方向，採用無線方式傳輸數據的醫療與健康監測器材也越來越多。 無線通訊是以電磁波傳輸，電磁波頻譜，包含電磁輻射所有可能的波長λ與頻率ν (Hz) ，波長與頻率成反比，其乘積是光速c。 電磁波的能量與頻率成正比，比例係數為普朗克常數h，即電磁波頻率越高，波長越短，能量越大。

通訊技術基本概念(3/4) 電磁波頻譜 4 4

通訊技術基本概念(4/4) 無線技術種類與通訊距離 無線廣域網路WWAN (Wireless Wide Area Network) 無線都會網路WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) 無線區域網路WLAN (Wireless Local Area Network) 無線個人區域網路WPAN (Wireless Personal Area Network) 近距離無線通訊NFC (Near Field Communication)

典型的遠距居家照護系統架構

遠距居家照護系統典型通訊架構

近端生理訊號傳輸技術(1/7) 有線之RS-232與USB 遠距居家照護系統近端感測裝置所量測的生理訊號，如血壓值、血糖值、心電圖等，必須以單筆或連續傳輸方式傳送至居家端通訊閘(gateway) 。 RS-232是最常使用的一種串列式通訊介面，最快的傳輸速度為115.2kbps，傳輸距離最長可達60公尺。 USB傳輸速度比RS-232快得多，可區分成USB 1.1與USB 2.0兩種版本，分別有三種傳輸速度。 USB 1.1 host control USB 2.0 host control 相容 USB 1.1 USB 2.0 低速 1.5Mbps 全速 12Mbps 高速 480Mbps

近端生理訊號傳輸技術(2/7) 近距離無線通訊(NFC) NFC是由無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術發展而來。 使用頻段為13.56MHz，傳輸距離約0.2公尺，傳送資料速率有106kbps、212kbps與424kbps等三種。 NFC具備完整的非接觸式智慧卡之功能，主要應用在門禁卡、VisaWave或PayPass功能的信用卡、悠遊卡等。 NFC技術在遠距居家照護系統的應用上還不常見，但RFID則已廣泛應用在藥品管理及病患追蹤管理上。

近端生理訊號傳輸技術(3/7) 無線個人區域網路：利用短距離、低功率無線傳輸技術，進行資料的傳輸與交換，主要是針對距離10公尺以內的區域網路所制定的通訊協定。 紅外線： 紅外線IrDA (Infrared Data Association)是早期發展的短距離無線傳輸技術，利用直線可見光進行傳輸，每一傳輸點之間不可以有外物阻隔或其他電子設備干擾。 有效傳輸距離達8公尺，傳輸速率達每秒16Mbps，發射角度達120度，可應用在桌上型電腦、筆記型電腦、數位相機、行動電話及個人行動助理(PDA) 等產品。

近端生理訊號傳輸技術(4/7) 無線個人區域網路(WPAN) WPAN以IEEE 802.15系列短距離無線通訊技術為主流 IEEE 802.15.1藍牙(Bluetooth)通訊技術 IEEE802.15.4 ZigBee低功率無線通訊技術 IEEE 802.15.3a UWB(Ultra-WideBand)超寬頻無線通訊技術 藍牙：最早由易利信(Ericsson)公司為了使手機能與無線耳機連結而開發的無線通訊技術。 頻率2.4GHz，傳輸距離0~100m，傳輸速度3Mbps 低功率、短距離、可靠度及安全性佳、擴充性高 應用：手機、PDA、電腦、滑鼠、鍵盤、印表機、MP3、相機、運動心電圖…

近端生理訊號傳輸技術(5/7) 無線個人區域網路(WPAN, continued) Zigbee: 由IEEE公布的IEEE802.15.4定義的無線通訊技術。 頻率2.4GHz，傳輸距離數十公尺，傳輸速度10kps~250kbps 低耗電、可靠度及安全性佳、擴充性佳、支援大量網路節點與多種網路拓撲（星形、樹形、網狀等三種通訊架構） 應用：數位家庭控制、安全監控、環境資訊收集 UWB(Ultra-WideBand): 過去所稱的「隱形波」，是由美國軍方為了要避免通訊遭竊聽與監聽所研發的技術。 UWB的傳輸範圍為10公尺內，平均傳輸速率為110Mbps，距離短時可高達480Mbps。 但是由於相關政策與法規問題，UWB的發展並不順利，應用亦不廣泛。

近端生理訊號傳輸技術(6/7) 無線區域網路WLAN 無線區域網路採用由IEEE所制定的802.11無線網路標準 。 提供室內低移動率之高速無線傳輸服務，常用於建立家庭或建築物內之無線區域網路。 項目\規格名稱 802.11a 802.11b 802.11g 核訂時間 1999年7月 2003年6月 頻段 5GHz 2.4GHz 最高傳輸速度 54Mbps 11Mbps 傳輸距離 100m >100m 優點 電波不易受干擾 低成本 兼容802.11b 缺點 與802.11b/g不相容 電波易受干擾 13

近端生理訊號傳輸技術(7/7) 在遠距居家照護應用上，近端生理訊號傳輸技術已經相當成熟，但仍有許多問題需要被克服： 資料傳輸時並無共通之通訊規範與標準 無法相容於醫療院所之資訊系統 Continua Health Alliance正在制定可讓醫療器材互相溝通之規範與標準： 由全球多家電子公司、醫療機構及醫療器材公司等所共同組成的開放性產業組織 著眼於相關醫療、保健器材都必須能夠相互連結，並透過個人電腦、手機等資訊設備連結到網路

遠端健康資料傳輸技術(1/4) 遠距居家照護系統將量測資訊上傳至中央資料庫所使用的資訊傳輸管道主要有：公共交換電信網路、有線或無線寬頻網路、行動數據網路。 資訊傳輸管道的選擇，和遠距居家照護系統的應用情境（如使用處所、使用對象、硬體及服務收費，以及傳輸資料性質、頻率、傳輸量等）有關。 POTS與PSTN 普通老式的電話服務(Plain Old Telephone Service, POTS)或公共交換電信網路(Public Switched Telephone Network, PSTN) 以傳統電話線為媒介 缺點：傳輸速度上限為56kbps，收發資料的同時，使用者無法接聽電話 優點：電話線是很普遍，容易取得與使用

遠端健康資料傳輸技術(2/4) ADSL與Cable modem 整合服務數位網路(Integrated Services Digital Network, ISDN)與非同步數位用戶專線(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL) 以傳統電話線為媒介 收發資料的同時，使用者可接聽電話 纜線數據機(cable modem) 以有線電視線路作為媒介來傳輸數位資料 有線網路 資料傳輸速度 POTS/PSTN <56kbps ISDN 64kbps~1.5Mbps ADSL 128kbps~9Mbps Cable Modem 512kbps~5Mbps

遠端健康資料傳輸技術(3/4) 無線都會網路(WMAN) WiMAX: 全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 傳輸速度快 ，高速傳輸與傳輸範圍廣 支援語音、影像等服務 移動式、固定式 使用頻段 傳輸距離 傳輸速度 模式 IEEE 802.16 10GHz~66GHz 1.6公里~4.8公里 32 Mbps ~134Mbps 固定式 IEEE 802.16d 3.5 GHz及5.8GHz 6.4公里~8.6公里 75Mbps IEEE 802.16e 2.5 GHz及3.5GHz 15Mbps 移動式 17

遠端健康資料傳輸技術(4/4) 無線廣域網路(WWAN) 無線廣域網路又稱為「行動數據網路(mobile data network)」，包含了行動電話、呼叫器、行動衛星通訊等，傳輸範圍可以跨越國家或不同城市間之網路。 距離：Worldwide 通訊技術：GSM (8.6kbps), GPRS (64~115kbps), 3G(114kbps~2Mbps), 3.5G (384kbps~3.6Mbps) 以行動電話為遠距居家照護系統的設計，為查詢健康資料和傳送緊急訊息之平台，不須經由家中的資料收集裝置，可達到「無所不在的照護(Ubiquitous Care, UCare)」。 18

服務型機器人在高齡者照護的應用(1/6) 機器人研發的潮流逐漸從原本在工廠裡從事組裝、焊接等重複性工作的「工業型機器人(industrial robot)」，轉變成出現在人們周遭生活環境可提供輔助、娛樂與互動等功能的「服務型機器人(service robot)」。 機器人在高齡者照護上的應用有許多可能性，第一個想到的應該是智慧型「人形機器人(humanoid robot)」。 SONY – QRIO身高58公分、體重7公斤， 全身有38個可轉動關節，能做出跳舞、 踢足球等複雜動作，跌倒後還可自行起 身等。QRIO也能經由辨識聲音與臉部特 徵，與人進行互動，做簡單對話。 HONDA – ASIMO身高135公分、 體重54公斤，全身關節共有34個 自由度，可以雙足步行和跑步， 步行的速度每秒約0.75公尺，跑步 的速度可以達到每秒1.67公尺。 19

服務型機器人在高齡者照護的應用(2/6) 智慧型人形機器人技術上的發展，已有相當驚人的成就，然而考慮智慧型人形機器人目前的功能、成本和實用性，要發展到能實際成為家庭中協助高齡者照護的幫手，可能還要一段時日。 服務型機器人在高齡者照護上的應用還包括生理輔助與心理慰藉兩方面。生理輔助機器人的研發方向是讓高齡者藉由機器人的輔助，來達成本身因為體弱或生理障礙而不能做到的行為。 20

服務型機器人在高齡者照護的應用(3/6) Prassler等人[2001]設計的「輪椅機器人(wheelchair robot)」名稱為“MAid (Mobility Aid for elderly and disabled people)”，MAid上裝有各式感測器，用來偵測四周環境、障礙物、人員等狀況，高齡者不須精巧的控制能力，即可輕鬆地駕駛輪椅進入狹窄空間。 MAid還具有自動規畫合適路徑，載送高齡者通過擁擠人群之功能。 21

服務型機器人在高齡者照護的應用(4/6) Kiguchi等學者[2004]研發一種穿戴型的生理輔助機器人“Robotic Exoskeleton”，目的是為了協助高齡者、殘障者或傷者等肌肉退化的人維持基本的活動能力。 “Exoskeletons”是“外骨骼”之意，Robotic Exoskeleton的操作方式是將使用者的肢體包覆其內，機器人量測使用者的肌電流(electromyography, EMG)，經由機器人的智慧型控制器進行分析與計算，推測得知使用者欲進行的下一步動作後，利用機器人的致動器（如馬達）與特殊機構帶動其肢體、增加肢體力量，而達到輔助生理活動與復健功能。 22

服務型機器人在高齡者照護的應用(5/6) 利用機器人對高齡者心理及精神層面的支援，特別是所謂「心理慰藉機器人(mental commitment robot)」的設計。如Paro是日本學者設計的一款心理慰藉機器人。 Paro是一隻將觸覺、光線、聲音等感測器設在皮毛內的小海獺，當老人家碰觸小海獺時，小海獺會做出不同的反應，如擺動身體，做出可愛的臉部表情。 觀察Paro 在安養中心與高齡者經過17個月的互動情形，結果顯示， Paro能撫慰高齡者的情緒，使高齡者不再抑鬱不安。 23

服務型機器人在高齡者照護的應用(6/6) Kanamori等學者也利用SONY公司開發的機器寵物狗AIBO作為與高齡者互動的心理慰藉機器人，與居家或安養中心的高齡者進行互動。 AIBO具有簡單的視覺辨識與自主學習功能，當人撫摸AIBO或跟牠說話時也會有所反應，就像人們所飼養的居家寵物。 研究團隊觀察AIBO與居家或安養中心的高齡者進行互動情形，並就AIBO對於生活品質的影響及高齡者與AIBO的互動感受等進行問卷調查，雖然調查結果有部分高齡者對於與AIBO互動有些負面的評價，但整體結果仍認為AIBO對於高齡者生活品質有正面的影響。 24

遠端臨場機器人—Telepresence Robot Hinokio

遠端臨場機器人在醫療照護的應用(1/3) 「遠端臨場機器人(telepresence robot)」，是受到遠端使用者控制的機器人。 遠端臨場(telepresence)由字面上解釋，是“Tele”（電傳、遠傳）加上“Presence”（臨場、存在）的意義組合。 「遠端臨場」技術是結合虛擬實境、人機介面、通訊技術與機械人的新興研究領域。 麻省理工學院Sheridan教授定義遠端臨場技術為，將遠端真實的環境資訊傳回給近端的使用者，讓近端使用者有身處遠端環境的臨場感，而使用者也藉由遠端臨場技術接觸到遠端真實的人、事、物，產生互動關係。 26

遠端臨場機器人在醫療照護的應用(2/3) “Physician-Robot”（“Dr. Robot”）是由加拿大的Intouch-Health公司與美國約翰霍普金斯大學(John Hopkins University)合作發展的遠端臨場機器人。 Physician-Robot並不是為了取代真正的醫生，其主要研發目的是為了增加醫師與病患間的接觸。 Physician-Robot的操控端除了一部能夠連接網際網路的電腦外，還需具備操控用的搖桿、傳送醫生影像的攝影機與傳遞聲音和語音的耳機及麥克風，醫師即可輕易地從家中或其他可連上網路操作的地方，登入Physician-Robot與病患進行視訊問診。 約翰霍普金斯大學曾針對利用Physician-Robot在醫生及病人互動上進行評估。評估結果高達80%的病患認為Physician-Robot增加了他們與醫生的接觸，57%不排斥未來仍有Physician-Robot協助照護，當醫生忙碌無法前來現場時，50%的病患寧願自己的醫生透過Physician-Robot進行問診，而不願更換其他醫生做現場問診。 27

遠端臨場機器人在醫療照護的應用(3/3) PEBBLES (Providing Education By Bringing Learning Environments to Students) 目的是協助長時間住院的病童，在醫院內仍舊能同步持續學校課業的學習。 PEBBLES具有雙向的影音、資料傳輸功能，控制端位於醫院內的病童病房中，另一端則在病童的教室中，兩者以高速的通訊方式連結，病童在醫院操控PEBBLES機器人在教室上課。教室端的PEBBLES具有可轉動的螢幕和一隻可以舉起的手臂，用以增加病童上課的參與感和互動性。 28

遠端臨場機器人商業化產品 The Giraffe enables people who are far away to enjoy all the benefits of real-life face to face communication. PC-based 14kg $1800 ~ $3000 http://www.headthere.com/products.html/

遠端臨場機器人在醫療照護的應用(4/5) 高齡者最大的風險不全然是健康問題，而是孤立(isolation)，高齡者需要能經常和朋友、親人、照護者聯繫溝通。 遠端臨場機器人在互動溝通應用上的概念架構： 30

遠端臨場機器人在醫療照護的應用(5/5) 應用遠端臨場機器人進行遠距溝通，複製了人們三度空間真實面對面接觸的經驗，兩端的人有同處同一空間的真實感，是一個截然不同的遠距溝通方式。 在高齡者照護應用上，如果放置一台遠端臨場機器人在高齡者家中，在外地的子女或照護者可以透過網際網路或其他通訊方式操控機器人在遠端家中自由行走，與家中的老人家寒暄問候，讓子女與老人家之間的互動不只是聲音，更加入影像與動作的傳達，好像“附身”在遠端臨場機器人上一樣，讓高齡者感覺子女似乎就在家中，應該有助於降低高齡者的孤立感。 相較於先前提到的智慧型人形機器人，遠端臨場機器人由於其智慧來自於“遠端的操作者”，因此能採用簡單、低成本的技術，使用上也能符合一般家庭環境，實用性及商品化的可能性更高。 31

TRIC -- Telepresence Robot for Interpersonal Communication (I) 2006/06, CTV News

TRIC -- Telepresence Robot for Interpersonal Communication (II) 2007/07

Basic specifications of TRIC ADSL and WLAN A physical IP address Control interface design of TRIC L×W×H 380×380×700mm Battery type LiFePO4 Li-ion Weight 6.5kg Battery capacity 12.8V, 10Ah Varied speed 10~25cm/sec Battery operation time 120~150 min. Turning radius 0 cm Battery recharge time 90 min (6A)

TRIC -- Summary Aging is associated with an increased risk for isolation. TRIC allows elderly populations to remain in their home environments, while loved ones and caregivers are able to maintain a higher level of communication and monitoring. TRIC is positioned as a low-cost, lightweight robot, which will be used as often and as easily as a home appliance. Our challenge: “How to make the participant to perceive that the remote user is actually here at the same space while interacting with TRIC?” TRIC also provides a tool for tele-homecare visits and home tele-health monitoring tasks.

Thank You 2008老化與科技研討會—遠距居家照護技術研習課程(IV) http://GRC.yzu.edu.tw/ http://designer.mech.yzu.edu.tw/ Yeh-Liang Hsu mehsu@saturn.yzu.edu.tw