第一章 導論
在具有危險性或是人類無法到現場的環境中，例如：外太空、核電廠、深 海、監控火山活動、放測性檢測等，為了避免人類的生命受到危害，我們常運 用機器人來達成任務，代替人到這些地點收集訊息，甚至代為操控儀器設備，
但受限於機器人本身沒有足夠的智慧獨自完成一些複雜的任務，為了讓機器人 具有和人一樣可以適時做出適當的決策與智慧，Goertz 與 Thompson 於 1954 年提出遠端操控 (Teleopration) [6]，將人類與機器人兩者的優點結合，既可讓人 類的感測與操控能力延伸到遠端，又可以使操縱者處於安全的地方來進行遠端 遙控。另一方面，為了要能監控及靈活操控遠端機器人，需要各種資訊從遠端 傳回近端，所以通常在遠端架設CCD攝影機，以獲取遠端的真實影像資料，幫 助操控者完成其任務。現今由於網路與微處理器的高度發展，使得遠端操控系 統系統得以廣泛的應用。例如工程師將此技術應用於電力線的維修[7]；另外著 名的例子是在 1997 年時，旅居者號(Sojourner) 成功的登陸火星，為遠端操控太 空機器人奠定下了一個重要的里程碑；還有在 2004 年時，精神號 (Spirit) 和機 會號 ( Opportunity ) 也陸續成功登陸火星上，更進一步地探測火星上重要的地 理資訊。
進行遠端遙控時，需要將各種資訊回傳到主控端給操縱者，像是視覺、聽覺、
力覺，甚至是嗅覺及味覺等感覺資訊，使操縱者可以感受到遠端環境的變化情 形，將不可見的距離外景物清晰的呈現在使用者的面前，此項的技術稱為遠端呈
現 (Telepresence) [26]。遠端呈現這個名詞最早在1983年由Akin等人[26]定義，其 目的是用於太空科技上，以幫助太空人在外太空作檢修的工作，其定義如下，“在 執行任務端，操縱器 (manipulator) 具有靈活性，能讓使用者完成一般人類的動 作。而在控制端，使用者接收足夠感覺資訊，並提供一種彷如實際身在現場的感 覺”。 典型遠端操控系統示意圖如圖1.1所示，主要包括兩大部分，左側為主控 端，由人類進行操控與監視，右側為受控端，這兩端是透過網路來進行命令與資 料的傳輸連結，操控者可以利用操控裝置去產生控制命令，然後再將這些命令傳 輸到遠端，讓遠端的機器人可以按照這些命令來執行完成任務。
進行遠端遙控任務時，CCD攝影機常被用來傳送影像。但用CCD攝影機傳送 影像實際上是有一些缺失的，因為 CCD 攝影機容易受到環境的影響。例如在一 極陰暗能見度非常低的工作環境下，CCD攝影機就沒有辦法傳回清晰的影像；另 外CCD攝影機常受限於攝影機的死角，而造成視線範圍的不足。另一方面影像資 訊透過網路傳輸，由於影像資料量龐大，使得影像的連續性易受時間延遲的影 響，以致於無法來做即時監控。我們如果能夠事前預先建構一個與遠端近似的虛 擬環境，或是利用CCD攝影機事前所抓取的資訊，再利用3D影像重建技術，來 繪製出遠端的虛擬環境，將此虛擬實境的技術應用於遠端遙控中，則不但可以解 決CCD攝影機所造成的問題，同時更可將即時監控的效能大大改善。
虛擬實境 (Virtual Reality，簡稱VR) 是近幾年相當熱門的技術，早在1986 年由Lanier 第一次使用此名詞[28]；早期虛擬實境的發展多著力於產生逼真的立 體視覺效果，作為各種應用的視覺呈現，近年來電腦效能急速增強與產品價格快 速下跌，使得現今的虛擬實境系統，已朝向多元輸入(Multimodal Input) 及感測 式介面發展，也就是說，使用者不再以逼真的3維圖像呈現為滿足，而更進一步 地希望能夠透過感觸式的裝置與虛擬環境產生進一步的互動。簡單地說，虛擬實
攝影機
iMac
網 際 網 路
操控裝置
操作端 遠端
圖 1.1 遠端操控系統示意圖
生令我們難分真偽的現象，讓使用者不自覺地沉浸於電腦所構成的環境中，形成 新的人機溝通模式；而就 3D互動式之圖學界的說法，虛擬實境在於利用電腦圖 學建立 3D物件模型，並產生和實際環境相同的三度立體空間場景，然後藉由程 式的撰寫及輸出入的介面來模擬實際環境狀況，建立一個可以由人們所控制的虛 擬世界，而使用者能在此空間中自由地和其它物件產生互動，如同置身於一個真 實的環境[33]。
Hand Skin surface
Brain Contact forces
Tactile information
Commands Motion
Sensors
Actuators
Computer Motion
Force data Forces
Position information
圖 1.2 人類力覺與力覺裝置之間的傳遞流程圖
在遠端呈現技術裡，除了視覺和聽覺方面來產生擬真的環境外，其它像是藉 助顯像式頭盔（HMD）或立體眼鏡（3D stereo glasses）產生立體視覺景象，在 聽覺方面則製造出立體的音場和效果，像是透過音效卡和耳機來獲得立體聲音，
另外一項就是力覺(Force reflection)的呈現也相同的重要，它能夠讓身歷虛擬實境 中的使用者感受到外界給予的反應，而不是單方向的回饋，也就是當與虛擬環境
接觸的情況，像是透過力回饋搖桿(Force-reflection joystick)、感應手套 (Sensing glove)、空間球 (Spaceball)、3D滑鼠 (3D mouse) 以及感測衣 (Body suit)等一些 感知設備。 圖1.2為人類與力覺裝置之間訊息傳遞的流程圖[22]，當人類與物體 接觸時，會經由感覺神經，再透過大腦將訊息傳遞給運動神經，讓手或手臂做出 適當的反應，另外在力覺裝置傳遞回饋過程中，這是先透過感測器的量測，再經 由電腦運算傳給致動器(Actuators)，讓它產生一回饋力到操作者手上，使操作者 可以感受到力覺資訊。
在遠端操控部份，為了讓機器人能夠協助人類完成較困難、較危險的工作，
它必須要能與使用者進行良好的溝通，也就是需要完善的人機介面才能順利達成 我們所期望的目標。1999年 Johansson 和 Linde [11]就使用 Microsoft Sidewinder 力回饋搖桿，在2D場景中行走迷宮，並且以搖桿的力回饋效果來模擬碰撞到各 種角度的牆壁時，所產生的作用力，證明一般力回饋搖桿的可靠度及其應用的可 行性。現今，擁有力回饋效果的操作介面在許多領域中可見到其成功的應用。例 如在醫學方面，擁有力回饋操作介面的羅森三號( Luoson III )[13]，藉著圍繞在輪 椅周圍的超音波裝置，將輪椅附近的環境以力回饋搖桿將資訊傳達給操作者，即 使操作者是位盲人，仍然可以知道前進路徑所將遇到的阻礙。以這個例子看來，
力回饋裝置不僅使得操作介面更加簡易、並且增加了操作時的安全性及真實性。
為了讓操作者能操作地更加便利及有效率，需要提供智慧型操作協助，也就 是將路徑規畫(Path planning)的方法加入到遠端搖控中，完成一套具有自動碰撞避 免及路徑最佳化的智慧型操作介面。操作者利用此智慧型操作介面，只需輸入想 要機器人到達的目的地，就可以減少不必要的操作，使得操作上更加人性化。在 2001年 Tzafestas [24] 利用Java 3D API來建構虛擬場景，並完成其智慧型操作介 面，說明將路徑規畫加入到遠端搖控中，的確可以使操作者操作起來更有效率。
網 路 遠
端 操 控 系 統
遠 端 呈 現 系 統
近
端
控 制 系 統
影 像 辨 識 系 統
感 測 系 統
軟體平台
遠
端
圖 1.3 安全巡邏自動車系統架構圖
這些年來，室內環境安全監控隨著科技愈來愈加進步，其技術也更加精進，
而室內環境安全監控也愈發受到重視。例如，博物館、研究中心、以及軍事基地，
這些藏有重有的物品及資訊的場所，都需要嚴密且周詳的保全。在保全系統中適 當地使用機器代替人力，可以減少人力資源的浪費，並且增加整個保全系統的可 靠度。例如在1996年，日本的TOSHIBA公司就成功地發展出一套機器人系統 TOSRIS [10](TOSHIBA Remote Inspection System ) ，其可以巡邏核電廠，以維護 核電廠的運作。由此可知，將遠端搖控機器人應用在安全監控上，成為近幾年來，
相當受到重視的課題。有鑑於此，交大電腦視覺研發中心特別提出「以視覺為基 礎之智慧型環境的建構」4年計畫，其中包含了子項計畫1-2「安全巡邏自動車系 統」，其研究重點在於研究各項與自動車相關的安全巡邏技術，例如環境的學習、
自動導航機制、場景辨識、障礙物偵測、人物偵測、巡邏路徑之學習、以及巡邏 路線之分配等，達成機動式安全巡邏之任務。
本論文是對近端部份進行研發探討，即是對圖1.3中其近端的遠端呈現系統 來發展出一虛擬實境系統，同時對其近端的遠端操控系統加以改良，完成更加人 性化的智慧型操控介面。為了讓使用者在操控時，能夠更加流暢，在此利用一種 智慧型選取的方法，直接利用游標在虛擬實境裡選取自走車的目的地，省去了用 鍵盤輸入目的地的不便。在輸入自走車的目的地之後，我們利用路徑規畫法則，
產生障礙避免及最佳路徑，接著讓自走車自行追蹤路徑，並到達目的地。同時，
我們建構虛擬實境遠端操控系統，不但提供操作者智慧型協助，還提供自走車目 前的位置資訊，及相關的環境。並且提供使用者從不同的視角去觀看自走車，以 得到全方位的自走車以及附近環境資訊。除了視覺上的輔助之外，我們更提供使 用者在力覺上的資訊，讓使用者藉由力回饋搖桿所傳回來力回饋，知道前方是否 存在障礙物，達到及早閃避以及輔助操控的效果。
本論文的其他章節大綱內容簡述如下: 第二章針對研究中所引用的各項技 術，如路徑規畫、智慧型操作系統、力回饋策略，說明其原理及應用情形，第三 章是系統實現，介紹系統硬體架構之規畫，以及系統開發中所用到的軟體，第四 章說明實驗的流程及結果，並加以討論，最後，第五章就本論文作一總結並對未 來研究方向提出建議。
