基于MCU的智能家居照护机器人的设计与实现

　　核心提示：高龄化社会来临，使得独居老人照护问题日益受到重视，因此研究人员利用具备高控制和运算能力的微控制器（MCU），开发出可随时跟随独居老人并具备跌倒侦测、紧急通知和网路互动等功能的智能照护机器人，以提升居家照护品质。

　　台湾目前已逐渐迈入高龄化社会，多数子女工作在外，无法全心全意照顾老人，因此孤独在家中的老人照护就显得相当重要。有人选择聘请看护在家照料，抑或决定送至安养中心，但这些方法费用过高，而且子女也无法直接照顾亲人，显得较不放心。为有效解决此问题，可照护及关怀老人生活的电子装置遂日益受到重视，透过装置的监控及互动功能，不仅可让老人在家即能了解在外亲人的消息，而子女也能随时从中得到家中父母的健康与生活资讯。

　　老人关怀照护系统设计有居家的监控功能及和家人互动功能，透过网路服务，当老人有照顾需求时，可利用手势辨识功能呼叫机器人至身边；当想观看亲友在脸书（Facebook）上的消息及图片时，可利用脸书动态服务，即时得知亲友最新动态讯息，也可透过网路通话与远方的家人进行视频聊天；同时也可随时监控，当意外发生时可即时通知家人及医护人员进行处理。

　　该系统利用主系统芯片将Kinect所感测的骨架追踪、手势辨识及网路摄影的视频通话等感测后存取数值，再利用串列传输（USART）传送数值于主系统芯片，并做出距离等识别模式，进行跟随老人、控制马达与老人互动。

　　Kinect感测功能襄助　照护机器人创新应用扩大

　　该系统创新性功能为跟随看护模式--Kinect骨架追踪和超音波定位、骨架判断--跌倒侦测、紧急通知--简讯传送，以及互动功能--手势辨识和网路视频（图1）。

　　图1 照护机器人理想互动功能

　　在跟随看护服务部分，该系统利用骨架追踪及超音波定位，当老人移动时，机器人便会跟随至后方进行照护，可随时判定老人是否跌倒，操作起来也十分方便。现有的跌倒侦测系统大都依赖摄影机或是使用者身上配戴的器材来辨别跌倒，该系统的跌倒侦测只须透过Kinect骨架追踪，即可判定是否跌倒。

　　至于紧急简讯传送部分，当老人判定为跌倒时，机器人会自动由主系统芯片发布简讯至指定家人手机中，亲人接收到消息后可立即做出反应或视频观看。而脸书动态及互动视频服务部分，该系统加装脸书动态服务及网路视频，老人即可关心在外子女的图片，并让亲友利用视频互动看见老人在家的状况，能有效拉近老人与家人的距离。

　　．跟随看护服务

　　照护机器人主系统利用芯片与Kinect进行老人互动与看护服务。智能型看护机器人可透过Kinect跟随于老人后方随时看护，利用Kinect本身的骨架识别，以判别正常状况时的骨架数量与动作。当老人不慎跌倒时，依骨架瞬间降下或消失为判别，再回传数值讯号给主系统，可即时透过紧急简讯功能送至子女的手机进行通知，家人则可透过网路视频进行查看老人在家中的状况，以免错过时间就医。

　　为即时反应与传送数值来跟随与保障老人的安危，看护系统透过主系统芯片提供USART，即可直接利用USART而不须再以串列周边介面（SPI）进行转换动作。跟随方面，则运用产生脉衝宽度调变（PWM）脉波来控制HB-25马达驱动器来驱动直流马达，由于控制波形即可正反转，就能在主芯片应用与结合出让机器人前后左右的动作与功能。

　　该系统还须使用PING超音波距离感应器（图2）来侦测距离，除应用PWM来进行声波传送与接收，也使用通用输入/输出来接收数值距离判断与Kinect骨架等数值。

　　图2 PING超音波距离感应器

　　利用芯片使机器人进行追踪，由超音波侦测距离，让主系统判断老人的位置，并命令马达动作，使机器人能进行跟随，可随时跟在老人的身边，注意是否有突发状况发生，挥挥手就能与家人视频通话等功能。

　　PING超音波距离感应器用于测量与物体间的距离，範围介于3cm？3.3m，容易装置于机器人或自动设备上。超音波感测器利用脉波产生，透过声波喇叭进行一发一收的动作来得到讯号的时间长短，也就是感测器发送讯号至物体而反射后所经过的时间，在经过运算后即能得到精準的距离。为实现追踪功能，超音波定位追踪方法利用主系统芯片产生脉波与判断，使超音波能自动追随物体，也更加稳定照护功能。

　　为可负载生活必需品，因此行走动力来源选择扭力较大的马达（IG-30GM）做为驱动，搭配耐高电流的12伏特（V）马达驱动芯片（HB-25）来控制直流马达，控制方式为脉波的宽度调变，控制两颗马达的正反转、时间差和转动速度等参数，芯片扮演重要的行动控制机能，车体的前进、后煺、转弯等动作。