DTD版本： 1.0.0
發明專利說明書
※申請案號：096100951 ※I P C 分類：
一、 發明名稱：
與自主性機器人互動之裝置與方法
二、 中文發明摘要：
本發明提供一種新穎的裝置及相關方法，係與「觸發－回應」型的自主性機器人配合使 用。該裝置包含複數個圖像，每一圖像均包含一經過編碼的指令。該裝置包含以下主要部 件：一輸出元件、一輸入元件、一非揮發性資訊儲存庫以及一組織元件，其中該輸出元件 一方面作為使用者的顯示器，也是向自主性機器人展示圖像的顯示器；該輸入元件供使用 者執行各種點選任務；該非揮發性資訊儲存庫用以儲存圖像；該組織元件以樹狀或分層方 式組織並顯示圖像，便於有效地進行查找和瀏覽。
三、 英文發明摘要：
四、 指定代表圖：
(一)本案指定代表圖為： 第一圖 (二)本代表圖之元件符號簡單說明：
1．．．與自主性機器人互動之裝置 2．．．自主性機器人
10．．．螢幕 11．．．揚聲器 12．．．觸控面板 13．．．手寫筆 14．．．有線連結 15．．．控制按鈕 16．．．無線連結 21．．．機座
五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
六、 發明說明：
【發明所屬之技術領域】
[0001] 本發明涉及一種自主性機器人，尤指一種與自主性機器人互動之裝置與方法。
【先前技術】
[0002] 自主性機器人是一種可無需人類干預而獨立回應外部刺激的機器人裝置。近來的研究已 在使機器人通過如視覺或聲音等自然手段進行交流上取得了巨大的進步。儘管仍舊十分簡 單，但自主性機器人已在家庭中提供兒童的教育/娛樂方面找到相當的應用。對自主性機 器人而言，與兒童進行互動要比與成人互動簡單的多，而對於兒童來說，和傳統方法與玩 具相比，與機器人進行互動有趣的多。
[0003] 大多數自主性機器人與兒童互動是以一種「觸發－回應」(trigger－response)的方式 進行。通常在自主性機器人的機身上裝設有一些控制按鈕，或者是通過有線或無線的控制 盒提供這些控制按鈕。兒童按下一控制按鈕時可觸發自主性機器人的一個回應，例如唱一 首童謠或歌曲，講一個故事或笑話。而對於更深入的學習活動或是學習一些更複雜的科 目，這種基於控制按鈕的互動方式就不敷使用了。為了克服控制按鈕的限制而給兒童一種 更直觀的與自主性機器人互動的方法，現有的一些自主性機器人，如Sony 公司的 AIBO 機器人狗，裝配有一攝影鏡頭、以及一面具有圖像(graphical image)的圖示卡，
其中圖像內包含有經過編碼的指令，可以觸發自主性機器人改變某些設定(例如，從「講 故事」模式到「拼寫教學」模式)、或是執行特定的動作(例如，一面自動播放音樂一面跳 舞)、或是從自主性機器人的資訊庫中找出特定資訊(如在「拼寫教學」模式下進行一個單 字的發音)。
[0004] 理論上說，這些圖示卡上的圖像是觸發自主性機器人產生相應「答案」(answer)的提示 (prompt)。請注意到，如所描述的，這些「答案」可能涉及內部設定改變、進行動作、提 供資訊、或以上所述的組合。同時也請注意到，每一圖示卡通常包含兩部分：人類可識別 的部分、及供自主性機器人識別的、經過編碼的指令部分。該經過編碼的指令通常設於卡 片上的特定位置並具有特定的顏色和/或圖案，以使自主性機器人可輕易地從人類可識別
部分中識別並辨認出來。自主性機器人也可能直接識別整個圖像(即該圖像本身就是經編 碼的指令)。為了簡化，下文所稱的「圖像」既指該圖像中包含的人類可識別部分也指經 過編碼的指令。
[0005] 舉例而言，假設自主性機器人包含有教兒童拼寫單字的小學拼寫課程。此處，「課程」
是指一組關於特定主題或在特定類別中的資訊，以小學拼寫課程為例，這些資訊就是要教 兒童拼寫的單字(也就是前述的「答案」)。當兒童拿起一張有房屋的圖像的卡片，並將該 卡片展示給自主性機器人的攝影鏡頭，而自主性機器人擷取該卡片上的圖像、識別該圖像 (或者更明確地說，是包含在該圖像中的經過編碼的指令)、查找「答案」，並通過內置的 揚聲器拼出「房屋」這個單字。利用圖示卡與自主性機器人的互動可應用於其他的不同學 習活動中。例如，一張畫有星星的卡片可從童謠課程中觸發自主性機器人唱出「一閃一閃 亮晶晶」的兒歌，一張畫有五線譜的音符的卡片可觸發自主性機器人從音樂介紹課程播放 該音符。
[0006] 利用如圖示卡之類的視覺提示觸發自主性機器人，是一種直覺而且強大的通信方式。然 而，對大量的卡片進行管理及查找需要耗費時間和精力，勢必會降低兒童學習的熱情。還 有一些因素也會削弱這種基於視覺提示的互動。例如，自主性機器人對圖像的可靠識別，
很大部分取決於卡片的照明條件，如果光線不夠充足的話，自主性機器人可能會對卡片做 出錯誤判斷而提供不相關或不正確的「答案」，這顯然會誤導參與的兒童。卡片上的圖像 在使用一段時間後也可能會褪色或磨損，這對正確識別造成了額外的困難。如果卡片的數 量很多，則需要有更加複雜的編碼系統以準備卡片上的經過編碼指令，這將意味著更高的 錯誤率或需要具有更高精度的高成本攝影鏡頭。此外，還有一些學習活動，如算術及數 學，則本身就不適合基於卡片的互動，因為卡片僅能利用固定的數字舉例有限數量的數學 問題。也有一些用白板寫下數學問題並讓自主性機器人識別手寫的方法，可以想像得出，
這種識別率無法令人滿意(特別是兒童無法書寫清楚時)。還有一些方法提供預先列印好的 數學運算符號和數字從而可以拼湊出各種算術問題，這種方法確實可實現高識別率，但會 付出管理更大量卡片的代價。
【發明內容】
[0007] 因此，本發明提供一種新穎的裝置及相關方法，可避免習知方法在向自主性機器人提供 提示方面的上述缺陷。
[0008] 該裝置是一種電腦裝置，類似於具有電子儲存及顯示功能的PDA或平板電腦。向一個自 主性機器人展示圖像，可通過使用者手持該裝置並將顯示出的圖像對著自主性機器人的攝 影鏡頭來實現，或者可通過將該圖像的經過編碼的指令轉換為一電信號、並發送給自主性 機器人來實現。易言之，該圖像可在前一種情況以視覺提示方式、或在後一種情況以電子 提示的方式展示給自主性機器人。
[0009] 該裝置包含以下主要部件：一輸出元件、一輸入元件、一非揮發性(non－volatile)資 訊儲存庫、以及一組織元件，其中該輸出元件通常以平板螢幕的形式，同時作為給使用者 和自主性機器人的顯示器；該輸入元件通常是透明觸控板的形式覆蓋在該螢幕上，以使使 用者可利用手寫筆(stylus)或手指執行各種點選任務；該非揮發性資訊儲存庫通常為快閃 記憶體或磁碟機的形式，用以儲存圖像；該組織元件以樹狀或分層方式組織並展示圖像，
便於有效地進行查找。
[0010] 該裝置進一步包含有線或無線通信元件，用以與自主性機器人和/或其他裝置進行通 信。該通信元件可自該裝置向自主性機器人發送圖像的電信號以獲得「答案」，而且也可 用於從自主性機器人或其他裝置向該裝置安裝或更新圖像或其他資訊。該裝置可為自主性 機器人機身上的可拆卸部分，從自主性機器人上拆卸下來可用於遠端操作，也可裝回自主 性機器人機身上以提供控制面板的功能，其供電可採用內置可充電電池的供電方式、或可 在其安裝於自主性機器人上時由該自主性機器人供電，也可由牆壁插座的交流電源進行充 電。安裝或更新該裝置的圖像或資訊也可在該裝置被裝回自主性機器人身上時進行。
[0011] 圖像是在穩定的自我照明的條件下在該裝置上顯示的，因此可避免使用實體卡片時的外 部照明問題。對於圖像數量大的情況，該裝置能夠應用一種靈活性高而且可靠的編碼系統 以控制這些圖像的精密度，從而無需擔心自主性機器人的識別率。該裝置的關鍵優勢在 於，不管圖像的數量有多少，圖像是有組織地供給使用者以便他們進行有效地瀏覽與查 找。對於如數學這類複雜的課題，也能夠動態產生可高度識別的數學運算式。
[0012] 為使熟習該項技術領域者充分瞭解本發明之上述目的、特徵及優點，茲藉由下述具體實 施例，並配合所附之圖式加以說明。
【實施方式】
[0013] 本發明提供的裝置係與自主性機器人配合使用，本發明所指的自主性機器人，其主要是一 種能夠以視覺和/或聽覺方式、獨立回應外部觸發的電腦裝置。自主性機器人不需要具有 特定形狀或機身，其是否具有人類形體或面部表情與本發明無關。自主性機器人包含一種 或多種儲存於自身的非揮發性資訊儲存庫中的「課程」，並且當一張圖像被提示時，該自 主性機器人以「課程」中相應的「答案」做出回應。
[0014] 本發明提供的裝置係與以視覺、或電子、或是此兩種方式接收圖像的自主性機器人配合使 用。自主性機器人配置有適當的輸入介面以便以上述兩者中的任意一種形式接收圖像。對 於視覺輸入，自主性機器人包含如CCD攝影鏡頭的圖像擷取裝置(image capture
device)，用以擷取圖像並識別其中經過編碼的指令。對於電子輸入，自主性機器人包含 適當的、可接收經過編碼指令的有線或無線介面。
[0015]自主性機器人可以各種人類可感知的方式提供「答案」。舉例而言，自主性機器人可包含 一音頻輸出裝置(audio output device)，通常是以揚聲器的形式，從而使其通過以合成
的類似人類的聲音說出、或播放預先錄製好的聲音片斷。自主性機器人也可包含一視頻輸 出裝置(video output device)，如螢幕，用以直觀地顯示出「答案」。「答案」的提供 也可伴隨自主性機器人身體的動作，如在播放音樂時「跳舞」、寫下被拼出的單字等等。
再次說明，本發明無需以特定的方式提供「答案」。
[0016] 本發明提供的裝置主要是一種電腦裝置，可以是一PDA或平板電腦。既然是一種「電腦裝 置」，該裝置內部至少具有習知電腦結構的中央處理器、記憶體、匯流排、輸入/輸出介 面、控制器等等。如第一圖所示，裝置1的外形可使使用者非常容易地以單手或雙手拿 著，並具有作為主要人機介面的輸出元件，如液晶顯示器面板10。該裝置同時包含一內置 的非揮發性資訊儲存庫(未示出)，通常是以快閃記憶體或磁碟機的形式，用以儲存一定數 量的圖像。自資訊儲存庫至輸出元件，裝置1的組織元件(未示出)通常是以應用程式的形 式，以有組織的方式向使用者展示圖像，從而使兒童可方便地查找到有興趣的圖像。例 如，在拼寫學習中，裝置1可利用文字或生動的圖像為使用者展示，供他們從螢幕10上選 擇的各種類別。當使用者選擇「汽車」類別時，不同種類的汽車會顯示在螢幕10上，使用 者可隨後選擇他感興趣的一款汽車。一旦使用者感興趣的汽車在螢幕10上顯示出後，他可 將螢幕10上的該顯示圖像提示給自主性機器人2的攝影鏡頭20，該自主性機器人2將在識別 了包含在該圖像中作為提示的經過編碼的指令後，自動將「答案」回應給使用者。
[0017] 易言之，該裝置的主要優點是可以通過電子方式收藏大量的圖像，並允許使用者以有組織 的方式直觀地對它們進行瀏覽，從而使兒童也能夠單獨進行操作而無需他人指導或幫助。
這樣，兒童可與自主性機器人進行有效的互動並能更好地完成學習進程。對於以有組織的 方式簡化查找有各種不同方式對資訊進行組織和展示，最常用的方式是以樹狀結構(tree
－structured)、自上而下(top－down)、從一般到特殊的方式，其他還有很多有趣的方式 可以使用，例如對資訊進行整理，就像它們是圖書館裏的圖書，以所在區域、路徑、書架 等一樣加以組織。再次重申，本發明對圖像是如何組織的沒有特別的限定要求。
[0018] 為了讓使用者能夠做出選擇並與裝置1和自主性機器人2進行互動，裝置1提供一種輸入元 件，其通常為覆蓋在螢幕10上的透明觸控板12。使用者可用手指、或連接到該裝置的手寫 筆13輕擊觸控板12以做出選擇或啟動裝置1的某個功能。裝置1也可包含音頻輸出裝置，其 通常為揚聲器11，在使用者操作裝置1時可通過該揚聲器11產生有趣的聲音效果。裝置1還 可包含一些控制按鈕15，用以調整螢幕10的亮度、揚聲器11的音量等等。
[0019] 除了手動向自主性機器人顯示圖像外，該裝置還可以將已選中的圖像的經過編碼的指令轉 換為電信號並經由有線或無線通信裝置發送給自主性機器人。需要注意的是轉換並發送的 是該經過編碼的指令，而不是整個圖像。有線或無線通信裝置可通過各種技術實現，如作 為有線連結14的USB(通用序列匯流排)，或作為無線連結16的無線區域網路(WLAN)或藍芽 (Bluetooth)，在此僅列出幾種可能。該通信裝置除了發送經過編碼的指令之外，也可用 於向裝置1安裝資訊。經由該通信裝置，自主性機器人2或其他裝置(包括其他裝置1或其他 電腦裝置)能夠向裝置1上傳額外的、或更新的圖像，或是裝置1可從自主性機器人2或其他 裝置(包括其他裝置1或其他電腦裝置)下載額外、或更新的圖像。
[0020] 裝置1也可是自主性機器人2的一部分，其可安裝於自主性機器人2的機座21從而成為自主 性機器人2的一部分。如果裝置1利用無線通信方式與自主性機器人2通訊，則在裝置1和機 座21上都有實體連接頭可使裝置1在其安裝在機座21時自動地電性連接到自主性機器人2 上。當裝置1以這種方式實際地附設在自主性機器人2上時，它成為自主性機器人2的控制 面板，對自主性機器人2的控制是經由操控該裝置1，包含對裝置1上傳/下載資訊。裝置1 也可以從自主性機器人2上拆卸下來，用於遠端操作、控制自主性機器人2。裝置1由一內 置的可充電電池(未示出)供電，其中該可充電電池可經由插入牆壁插座的電源線(未示出) 連接交流電源進行充電。當裝置1安裝於自主性機器人2時也可被自動充電。
[0021] 需要注意的是，自主性機器人2可與一個以上的裝置1進行互動，這可以組成一有趣的學習 環境。舉例而言，一老師或一家庭教師拿著一個該裝置1，而兒童拿著另一個該裝置1。老 師使用他的裝置1指示自主性機器人2拼出單字「房屋」，但對兒童隱藏其圖像，兒童被要 求從自己的裝置1中找出單字「房屋」的圖像，並且可通過指示自主性機器人2拼出他找出 的圖像以確認其猜測是否正確。該裝置1還可被用於學習如數學等更複雜的科目，其可在 螢幕上產生帶有自動和隨機提供的數字的算術式。
[0022] 在理解該裝置的操作之後，本發明提供的方法就十分簡單易懂了。本方法可被想像為以 PDA或平板電腦或者甚至是手機(例如智慧手機)來實現。第二圖為根據本發明一實施例說 明本方法的處理步驟的流程圖。如圖所示，該方法以步驟100作為開始，其中，提供一非 揮發性資訊儲存庫，以電子儲存複數個圖像；提供一輸出元件顯示這些圖像；提供一輸入 元件用於在這些圖像中做出選擇；以及提供一通信元件，用於與自主性機器人進行通信，
這些都包含在步驟100中。接著，在步驟110，該方法經由輸出元件以有組織的方式展示這 些圖像，從而使使用者可以經由輸入元件瀏覽這些圖像。當使用者做出選擇後，在步驟 120，選中的圖像顯示於輸出元件且經過編碼指令被轉換為電信號並經由通信元件發送給 自主性機器人。
[0023] 以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明作任何形式上之限 制，熟習該項技術領域者可在上述說明及其它內容做出各種替換和修改。是以，凡有在相 同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範 疇。
【圖式簡單說明】
[0034] 第一圖所示本發明一實施例的裝置的示意圖。
[0035] 第二圖所示係根據本發明一實施例所述方法的處理步驟的流程圖。
【主要元件符號說明】
[0024] 1．．．與自主性機器人互動之裝置 [0025] 2．．．自主性機器人
[0026] 10．．．螢幕 [0027] 11．．．揚聲器 [0028] 12．．．觸控面板 [0029] 13．．．手寫筆 [0030] 14．．．有線連結 [0031] 15．．．控制按鈕 [0032] 16．．．無線連結 [0033] 21．．．機座
七、 申請專利範圍：
1.一種與自主性機器人互動的裝置，該自主性機器人係經由視覺地或電子地提示包含有一 經過編碼的指令的一圖像所觸發，並隨後以一相應的答案視覺地或聽覺地回應該圖像，該 裝置至少包含：複數個該圖像，且每一該圖像均包含一經過編碼的指令；一非揮發性資訊 儲存庫，用以儲存該些圖像；一具有自我照明的輸出元件；一組織元件，係以一有組織的 呈現方式經由該輸出元件顯示該圖像；以及一輸入元件，係供使用者與該裝置互動，以瀏 覽該組織元件所顯示之該有組織的呈現方式，並從中選擇一圖像；其中使用者選中的該圖 像顯示於該輸出元件。
2.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該自主性機器人包含一影像擷取裝置；由使用 者選中的、顯示於該輸出元件的該圖像，由使用者提示給該自主性機器人的該影像擷取裝 置；該自主性機器人識別包含於該圖像中的該經過編碼的指令，而以一相應的答案視覺地 或聽覺地回應該圖像。
3.如申請專利範圍第1項所述之裝置，進一步包含一能夠與該自主性機器人進行電子通信 的通信元件。
4.如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中使用者經由該輸入元件選中並顯示於該輸出元 件的該圖像中的該經過編碼的指令，被該通信元件轉換為一電信號並發送至該自主性機器 人作為提示。
5.如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該通信元件為下列其中之一：基於USB的有線連 結，基於WLAN的無線連結，以及基於藍芽的無線連結。
6.一種與自主性機器人互動之方法，該自主性機器人係經由視覺地或電子地提示包含有一 經過編碼的指令的一圖像所觸發，並隨後以一相應的答案視覺地或聽覺地回應該圖像，該 方法至少包含以下步驟：在一非揮發性資訊儲存庫中儲存複數個該圖像，並提供一具有自 我照明顯示的輸出元件以及一輸入元件，其中每一該圖像均包含一經過編碼的指令；以有 組織的一呈現方式經由該輸出元件顯示所該圖像，從而使使用者經由該輸入元件瀏覽該呈 現方式，並從中選擇一圖像；以及在該輸出元件顯示使用者所選擇的該圖像。
7.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該自主性機器人包含一影像擷取裝置；且該方 法進一步包含下列步驟：向該自主性機器人的該影像擷取裝置提示使用者所選擇的、顯示 於該輸出元件的該圖像，從而使該自主性機器人識別包含於該圖像中的該經過編碼的指 令，而以一相應的答案視覺地或聽覺地回應該圖像。
8.如申請專利範圍第6項所述之方法，進一步包含下列步驟：提供一能夠與該自主性機器 人進行電子通信的通信元件。
9.如申請專利範圍第8項所述之方法，進一步包含下列步驟：將使用者經由該輸入元件選 中並顯示於該輸出元件的該圖像中的該經過編碼的指令，轉換為一電信號並經由該通信元 件發送至該自主性機器人作為提示。
10.如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該通信元件為下列之一：基於USB的有線連 結，基於WLAN的無線連結，以及基於藍芽的無線連結。
八、 圖式：
第一圖
第二圖
