其他研究

 

 

研究題目:

  •  布袋戲偶機器人:X-Puppet
  •  結合襪底感測與慣性儀之可攜式步態偵測系統
  •  利用3軸加速度計估測人體正常走路速度
  •  利用超音波發射器搭配慣性感測器實現精確定位系統

 


 

布袋戲偶機器人:X-Puppet

成員:孫冠群、王俊吉、鄧智謙、陳建安

 

摘要:

布袋戲是台灣傳統藝術文化之一,厲害的操偶師傅可憑著靈巧手掌運用技巧,讓戲偶栩栩如生彷彿有了生命一般。而我們研發了布袋戲偶機器人,取名為『X-Puppet』,使用自行開發的數位手套來操控,讓它行動有如真人操控的布袋戲偶,而這數位手套包括了五片壓電彎曲感測器、陀螺儀、加速規以及微控制器,藉由分析出來的手部運動與機器人動作函數,在微控制器內即時計算出手部姿態並控制機器人。

除了直接操控外,我們也針對使用者習慣,提供一套互動式人性化的編輯介面,此介面可以用拖曳的方式,利用各種預設好的基本動作,整合出編排過的連續動作,取代了傳統式各別控制馬達既沒效率也不直覺的做法。再引入如同影片編輯軟體之時間軸的概念,對於機器人的動作做細部調整,配合音軌的編輯,讓每位使用者都可以自己當導演,輕鬆地設計出一部完整的布袋戲劇,並且讓機器人來實現。

接著我們引入了虛擬多媒體的3D布袋戲偶,它不僅可以在使用者編輯初期,不需透過實體機器人,透過3D的虛擬戲偶直接在螢幕上觀賞自己的編輯成果,而透過不同的呈現方式,我們也可以做出一套布袋戲教學系統,利用虛擬戲偶搭配多媒體互動式的學習介面,更可以結合遊戲式的流程,來教導使用者如何學習操控一隻布袋戲偶。

全系統示意圖

 

 


 

結合襪底感測與慣性儀之可攜式步態偵測系統

 成員:孫冠群、鄭期元、李哲宇、林冠宏

 

摘要:

穿戴式感測器與系統為下世代醫療,復健,健康照護以及ICT 相關應用如互動遊戲等重要的技術。其中一項關鍵的研究課題是人體運動感測。為因應居家看護及復健的需求,穿戴式感測器必須對日常生活的影響降至最低。而織品感測器因與衣物結合,在眾多感測技術方案中具有相當強的競爭力。為維持此競爭性,相關電子通訊裝置亦必須微小化且穿戴方便。同時在成本及可洗滌的考量下,目前織品感測器的訊號型式均相當簡單,以維護訊號的穩定度。因此需要創新的訊號處理方法來推估人體運動狀態。本計劃合作廠商已發展出可洗式織品開關元件,可以織入衣褲與襪子等衣物中。進而感測肢體彎曲及與地面或物體接觸的開關訊號。這些開關訊號的組合,配合生物力學的模型及相關觀測法,可以產生可判讀的人體運動資訊。本計劃將針對步態感測發展微型訊號擷取系統以及相關估測演算法。



控制盒實體圖                                                                                  襪子感測器
系統架構示意圖

 

 


 

利用3軸加速度計估測人體正常走路速度

 成員:孫冠群、鄭期元

 

摘要:

    人體走路的動態模型相當複雜,研究歷史漫長,問題癥結點在於人體骨骼組成為一精密的3維多連桿加上肌肉牽動系統,而本論文有別於以往的文獻,將傳統2維的走路模型延伸拓展至3維骨架模型,加入腰部旋轉的影響,大幅提升模型的精確性,同時解釋了為何正常走路所消耗的功率低於傳統2維的倒單擺模型,並且成功將此3D模型數學系統化,僅利用1個擺放於腰際的3軸加速度計配合擴展卡爾曼濾波器(Unscented Kalman Filter),即可精準地估測出人體走路速度,其絕對誤差平均(Absolutely Error Mean)與誤差標準差(Error Deviation)降低至0.58% 和0.72%,優於現有文獻。

    慣性感測器的優點在於MEMS技術日趨成熟,大幅降低成本,且相較於以影像為基底之感測技術,為一可攜式(Portable)又不受場地限制之偵測技術,搭配步態行為偵測,可在不侵犯隱私權的情況下用於老年人居家生活行為估測、意外警示等,加入影像應用系統中,可以解決影像中缺乏絕對尺度的度量問題,除此之外,由走路速度延伸出用於平日健康紀錄照護概念之產品原型,也榮獲第六屆龍騰微笑創業競賽佳作(Rank 5 of 102 Teams)。

 

不同走路方式 vs 人體質心變化                                  2維走路動態模型    

 


3維走路動態模型

 

 

 


 

利用超音波發射器搭配慣性感測器實現精確定位系統

成員:孫冠群、駱聖文、于佩吟、王涵宇、林奕妤

 

摘要:

我們使用9軸的慣性感測器(Inertia Measurement Unit),包括3軸的加速度計、陀螺儀、和磁力計,利用感測器之間互補的特性(sensor fusion)搭配指向演算法(heading estimation)來估測機器人目前的行進方向,接著搭配3個以上的超音波發射器,與機器人身上的接收器用無線電溝通,可用來估測機器人和發射源(landmark)之間的距離,配合三角定位法,進一步實現更精確的定位解析度,清楚知道機器人現在的位置座標。如此一來,當機器人走偏的時候,可以立即獲得校正。技術的創新點在於傳統利用距離感測器定位的技術,其發射源之間的同步通訊跟座標校正也需要專業人員到場設定,相對較難普及推廣,而我們可以讓機器人自行移動幾個最佳化的路徑,搭配多維標度演算法反推每個地標的相對座標,即可以自動校正完畢,非常簡易使用,加上慣性感測器的輔助更進一步減少誤差變異量。此技術目前利用在吸塵器機器人的定位上!