Arm Design Contest 競賽奪冠,看逢甲同學如何用台幣38,500打造如鋼鐵擂臺「穿戴式人機協同控制系統」

Arm Design Contest 競賽奪冠,看逢甲同學如何用台幣38,500打造如鋼鐵擂臺「穿戴式人機協同控制系統」

上週Arm與國家晶片系統設計中心 (CIC) 與意法半導體 (STMicroelectronics) 舉辦的第 13 屆 Arm Design Contest 校園設計競賽結果出爐,今年以「Dare to Dream, Made Possible」為主軸,而最後誕生的三名優勝隊伍主題幾乎都鎖定在人機協同控制上,其中尤其是冠軍隊伍逢甲大學的同學,打造出類似電影中鋼鐵擂臺般的人機同步控制的效果。

冠軍隊伍是來自台中逢甲大學自動控制工程學系三位研究所的學生所組成的參賽隊伍,由邱立鋒、陳冠廷、李欣儒三位同學所組成。這個隊伍採用的是 STM32F469 Discovery 開發板來開發,透過開發板本身完整週邊介面、低功率與浮點運算的特性,來打造一個基本的身體動作追蹤的模組,然後將這個模組裝在全身身上,變成肢體動作的感應追蹤器,藉此來得知人體的動作,並且進行後續的軟硬體應用。

Arm Design Contest 競賽奪冠,看逢甲同學如何用台幣38,500打造如鋼鐵擂臺「穿戴式人機協同控制系統」

根據團隊表示,這個「穿戴式智慧型人機協同控制系統」靈感來自於科幻電影「鋼鐵擂台」的協同機器人「亞當」,他們也希望能夠用較低的成本,可以做出類似的系統來控制機器人。不過事實上只要能夠即時偵測人類的動作系統打造完成,可以進行的應用面要遠比控制機器人來得更多。包括可以用於醫療復健、訓練運動員的正確姿勢控制、娛樂產業中的動畫設計,或在工業 4.0 應用於高危險領域的機器人遠端操控,應用範圍相當多元。 

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至於實際上的作法,他們是利用STM開發板連接到九軸的慣性感應器,無線傳輸模組三個部分,組成一個可穿戴式模組的基本元件。然後他們將這個元件分配穿戴在人身上十一個部位,分別是上半身五個部位,下半身六個部位,就可以依靠這些節點,就做成人體的軌跡追蹤。

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至於是哪十一個部位?分別是左上臂、左下臂、右上臂、右下臂、胸口、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿等十一個部分。

逢甲大學的同學表示,透過這十一個點的位置,就可以在電腦上採集數據,模擬出人類的動作軌跡,然後即時在3D模型或是實體機器人身上來還原,就像是電影「鋼鐵擂臺」一樣。

我們比較感興趣的是,「胸部」並不會活動,為什麼要在胸部也放置一個偵測感應點?同學表示,這正是因為胸部不會移動,正適合拿來用來當作移動位置參考的錨點,以這裡為基準點做校正,這樣就可以解決每次配戴時位置不同的問題。

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事實上這種人體動作軌跡捕捉的系統,以往的商業套件成本都是很高的。但是現在透過這個方式,同學表示可以用極低的成本,來達成類似的效果。以他們所做出來的套件來說,其實每一個節點捕捉的元件價格為三千五百元(其中開發板兩千五百元、九軸感應器八百五十元、RM無線傳輸模組一百五十元、鋰電池需另計)。而十一個節點的話價格就為三萬八千五百元。這樣就可以構成一套身體動作的捕捉系統,這在過去是很難以想像的。

Arm Design Contest 競賽奪冠,看逢甲同學如何用台幣38,500打造如鋼鐵擂臺「穿戴式人機協同控制系統」

根據同學表示,事實上整個系統開發約一年的時間,而當初開發的時候其實也並不是針對這個比賽來開發的,因此一開始用的也是其它的開發板。只是後來發現STM的板子整合度更高,可以更敏捷開發出他們想要的成果。

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利用動作感應來翻譯手語,解決溝通障礙問題

 而這次比賽的亞軍隊伍,則是來自台灣大學電機工程學系的同學所組成的團隊。他們設計的是「 iHands 中文手語辨識系統」,主要的原理也是透過穿戴式九軸運動感測器,來偵測使用者的手勢軌跡,將收集到的語料傳輸至資料庫中進行辨識,再將手語以語音方式進行翻譯,以貼近生活的智慧友善科技,改善聽語障礙人士對外溝通表達上的困難。

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根據台大同學表示,世界各國的手語其實都不一樣。亞洲語系與歐美語系的差異相當大,而台灣的手語與日本的手語都差不多。而他們這套系統目前僅針對台灣的手語來進行辨識,可以辨識的手語有五十多種。

整個系統以 STM32F469 Discovery 硬體開發版及 MDK-Arm 軟體開發工具,整合現代機器辨識能力與訊號處理基本演算法,透過一雙穿戴式手套並配合運動感測器,記錄手指路徑變化並進行分析,精確地分割手語字和單字中間的斷句,達到如語音辨識般穩定的偵測效果。

不過,在開發這套系統的過程中,一開始他們其實試圖用機器學習的方式來進行,打算結合影像辨識的方式來辨識手語。不過後來發現實際上影像資料並不夠,辨識的結果也不精準。再加上其實中文手語主要需要的數量也不多,其實機器學習並不見得是最佳的解法,於是後來才改為現在的這種方案。

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而這套系統最有趣的,是雖然手語會用到兩隻手,並且會用到十根手指頭,但是他們只用一根手指頭的手語感應,就可以偵測出來使用者比的手語是哪一種意思。主要也是中文手語的動作並不多,因此只要用一個九軸感應的軌跡,也就可以比對出結果,並且不會有歧義的狀況發生。而在成本方面,整個套件不含開發板的話,大約一千元左右就可以完成。

 

多節點手部復健系統,讓患者在家透過簡易穿戴裝置邊玩邊動

這次展出的季軍為臺灣科技大學電子工程系的同學所做的「多節點手部復健系統」,主要是因為現代人長時間使用 3C 科技產品而衍生如五十肩等電腦病的問題,因此他們一樣是透過開發板加上九軸感應器為基礎,設計出多節點手部復健系統。希望一般人在家透過簡易穿戴裝置,同時搭配心律監測,就能完成手機 APP 上的互動遊戲,輕鬆進行自主復健,遠離文明病。

Arm Design Contest 競賽奪冠,看逢甲同學如何用台幣38,500打造如鋼鐵擂臺「穿戴式人機協同控制系統」

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