機器人與人的互動

科學發展 2009年6月，438期 一般報導 追酷計畫—— 機器人 與人的互動 日本新力公司研發的人形機 器人 Sony Qrio，會走路，會跳 舞，能與人互動，能辨識人臉， 在它上方有 7個麥克風，倘若有 人和它說話，就會把頭轉過去和 對方互動。約在五、六年前，人 們放了一個機器人到埃及金字塔 裡執行探險任務，它的前端有攝 影機，身上有操作工具，因為能 自主移動，所以進入金字塔以 後，除查看牆壁後面或更深層地 機器人時代已經來臨， 準備好與機器人互動了嗎？ 演講人／ 宋開泰 文字整理／ 張志玲 ■ 工業機器人大都 是關節型機械 臂，在它前端通 常裝有一個工 具。如果裝置的 工具是一個焊 槍，就可以透過 程式規畫把幾百 個點一個一個焊 接起來。 科學發展 2009年6月，438期 53 方是否有傳說中的寶藏外，也順 道把附近的情況拍攝下來。 美國 iRobot公司研發製造的 無人駕駛戰鬥車Stryker，移動速 度每小時可達 90公里以上。這意 味著可以把具有良好行動能力的 機械人放到戰場上探索敵情，如 果裝上武器或許還可以打擊敵 人。 機器人學是一門整合電子 學、機構學、自動控制學與電腦 科學裡相關軟硬體技術的跨領域 學科。交通大學電機與控制工程 學系師生研究機器人近 20年，修 習「自走式機器人」的學生，每 到學期末，要把老師提供的機構 與電子材料組裝起來，還要寫電 腦程式，以便指揮機器人參加競 賽，或做一些令人覺得很能幹的 智慧型機器人具備各種可以配合電腦程式運作的感測器， 它的電腦程式裡有許多設計好的行為， 這是機器人能因應環境變化採取行動的原因。 唯肖。 利用電腦程式運動的機器 機器人的最簡單定義是：透 過電腦程式做運動的機器，其英 文字 robot源自捷克字 robota。 robota的原意是指：代替人工幫人 做事的機器。機器人也有不同種 類，凡是能把類似人類或動物智 慧 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 現出來的機器人，統稱為智 慧型機器人。這類機器人具備各 種可以配合電腦程式運作的感測 器，它的電腦程式裡有許多設計 好的行為，這是機器人能因應環 境變化採取行動的原因，就好像 人類或動物能因應環境變化產生 行為一樣。 更有些智慧型機器人可以與 這兩邊的機器人分別拿著一個電擊棒及表演板，只要驅動馬達，就可以從一個點走到 另一個點。機器人的動作精確快速，即使一直重複也不會累，因此可以在工廠中做很 多自動化的工作。 動作。 這類人形機器人必須由 10多 個馬達帶動，每一個馬達都要控 制在一個適當的角度，才能結合 產生整體動 作。然而學 生作品中仍 不乏令人激 賞的佳作， 譬如：有一 個機器人可 以靈活地翻 滾、側翻， 另一個可以 把日本動感 歌星濱崎步 的舞台動作 模仿得唯妙 你願意購買一隻寵物狗還是一隻機器狗？寵物狗壽命有限，萬一 死亡令人難過。機器狗愛寶狗沒有壽命問題，但能像寵物一樣透 過聲音與動作迎合主人。 科學發展 2009年6月，438期 一位技術精良的醫生倘若有機器人的輔助， 就可使用較少的力氣或在不那麼勞累的情況下為病人動手術， 不但能做更多手術，也可以延長為病人動手術的年齡。 人互動或具有學習能力，這類機 器人的電腦軟體必須更進步才能 把事情做得更好，但這只是一個 概念，相關研究仍在進行中。 依據使用性質，機器人可分 成兩大類，一類是在工廠裡使用 的工業機器人，另一類是服務型 機器人。後者可再細分成專業用 服務型機器人和家用機器人。工 業機器人的發展比較早，現在已 是一個穩定中求成長的產業。根 據國際機器人聯盟（ IFR）統 計，2007∼2009年期間，全球工 業機器人年平均成長約 5.6％。 我國政府對於工業機器人產業的 發展也相當熱衷，某些台灣公司 正在思考，希望能像日本公司一 樣製造附加價值高的工業機器 人，或參與製造與機器人相關的 零組件。 而在專業用服務型機器人領 域中，用來輔助醫生的機器人已 經嶄露頭角，不少大型醫院裡添 購的輔助性設備，有些就稱為醫 療輔助機器人。一位技術精良的 醫生倘若有機器人的輔助，就可 使用較少的力氣或在不那麼勞累 的情況下為病人動手術，不但能 做更多手術，也可以延長為病人 動手術的年齡。 至於家用機器人，則是相當 受矚目的新興產業。根據國際機 器人聯盟統計，截至 2005年為 止，使用的家用機器人已超過 250萬台，預估 2006∼ 2009年會 再增加約 500萬台。這些數據代 表一個意義：家用機器人將逐漸 走入家庭與辦公室，提供居家照 護等服務性工作。 研發居家照護機器人 事實上，家用機器人產業的 韓國研究者把圖中的機器人放在仁川機場大廳裡為旅客提供 資訊服務 這是交通大學研發的機器人蘿拉，裡面整合了定位、導航、跌倒 偵測、視訊會議、視覺追蹤、遠端控制、影像傳輸等各種技術。 蘿拉能在 Zigbee無線感測網路系統環境中，提供照護獨居老人 簡易的服務。 科學發展 2009年6月，438期 55 逐漸增加，其他如娛樂休閒機器 人、伴侶機器人、保全機器人、 居家看護機器人等也會逐漸普 及。 在上述眾多需求中，交通大 學研究團隊以照護獨居老人為目 標，研發出居家照護機器人蘿拉 （Robot of Living Aid, RoLA）。蘿 拉能偵測老人的跌倒狀況，能主 動巡航至老人身邊提供協助，能 追蹤人臉，還能以無線網路傳輸 方式即時地把影像傳給家人及醫 師，使老人得到及時的援助。不 過這些服務必須整合一些技術。 從 2005年開始積極發展機器人產 業，希望在 2020年成為智慧型機 器人的主要製造國之一。 然而究竟什麼樣的人想購買 家用機器人呢？ 2007年 6月在美 國佛羅里達州舉行的一場機器人 研討會中，有位學者 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 指出： 40歲左右的婦女是購買吸塵機器 人的主要族群。家庭主婦在 20多 歲到 30歲結婚後開始操持家務， 到 40歲時逐漸感到操持家務的辛 苦而希望有個幫手。由於除草是 西方生活的工作事項之一，所以 自動除草機器人的產值也預估會 爆發力已經浮現。日本政府因為 認同人形機器人最適合在家庭中 使用，所以提供大量經費協助大 型機構投入研究。韓國人樂觀地 估計， 2012年後，他們的機器人 產值可達2千5百億美元。英國人 比較保守，但也估計 4年內的機 器人產值約達590多億美元。 上述估算各有各的統計背 景，有的只計算最終產品，有的 可能把元件和周邊產業計算進 去。無論如何，這些龐大數字意 味著：這是一個可以帶來很多就 業機會和經濟利益的產業。台灣 機器人從小朋友手中把汽球接過來。這是交通大學師生較早期開發的機器人，它沒有辦法自動找到小朋友的手，必須靠旁邊的人 拿著個人數位助理（personal digital assistant, PDA）遙控。 科學發展 2009年6月，438期 機器人在舞台上作秀，在舞台上表演的時代應該告一段落。 我們現在應該關心，應該趕快開發機器人來支持我們的生活， 來協助社會或生活上的一些需求。 首先，蘿拉必須是一個具有自主 移動能力的機器人。其次，蘿拉 所在的環境必須是一個預先布建 感測器網路的環境。第 3，老人 身上必須佩戴人體姿態感測器。 透過人的聲音與人互動 如果從組成角度看，機器人 可分成 3個組成要素。第 1是感 應器，唯有透過攝影機、麥克 風、紅外線感測器、超音波感測 器、雷射掃描儀等感測器，機器 人才能接收外界資訊，知道環境 狀態。例如，透過環狀超音波感 測器偵測與物體之間的距離後， 機器人會朝沒有障礙物的空間移 動。又如，在交通大學任教的胡 竹生教授，把他的陣列麥克風研 究成果整合到機器人上邊，利用 環形麥克風陣列及訊號處理線 路，可以計算得到聲源方向的資 訊，也可以濾除環境中的雜訊。 因此如果不是人的聲音，機器人 不會理睬，只有人的聲音機器人 才有反應。換個方式說，機器人 能透過人的聲音與人互動。 計算是機器人的第2個組成 要素，透過微電腦、微控器、數 位訊號處理器，或一些嵌入式軟 硬體，可以計算出機器人該執行 哪些動作。譬如抓取物件時，攝 影機要先找到物件，要計算物件 與機器人的關聯性，才能決定角 致動器，如直流馬達、RC Servo （平常用於遙控飛機）、油氣壓 等，有了致動器以後才能產生運 動。對於機器人行為的控制，有 一個BBR（behavior based robotics） 理論認為：我們賦與機器人很多 行為，這些行為都是仿生物行 為。意即看到動物的一些簡單行 為，把這些行為累積起來就可以 做出複雜動作，產生複雜行為。 可是仍有一個問題：機器人 能夠閃躲障礙物，也能抓取物 件，如果機器人接收到同樣的影 像與資訊時，它該閃躲還是抓取 物件呢？我們對於機器人的需求 必定是多功能性的，機器人如何 因時因地選擇它的行為，這是科 學家正在努力研究的議題。 回頭談談機器人蘿拉。蘿拉 提供的居家照護服務，必須在 「布建Zigbee無線感測網路系統」 的環境中才能運作。Zigbee網路 是一個 2.4G赫茲的無線感測網 路，因此老人與機器人身上必須 各佩戴一個Zigbee感測器模組， 才能使得老人的訊息與環境資訊 全部集中在機器人身上。在這個 環境中，交通大學研究團隊以自 行研製的模組與感測器連結，並 以無線訊號強度設計其定位感知 功能。因此機器人只需連上無線 網路，便能獲得居家照護訊息。 老人身上佩戴的感測器模組 度、輪子速度，然後朝物件靠 近，靠近時還要知道在什麼時候 抓取最恰當。 另一個情況是，機器人與人 互動時，必須知道人臉在哪裡。 在計算的時候，機器人上方的攝 影機有一個座標系統，機器人本 身有一個座標系統，人的視界也 有一個座標系統，當機器人追蹤 一個人或一個物件時，攝影機會 得到一個座標值，還會透過人的 視界上的命令對這個目標產生一 個互動或一個操作行為，在過程 中會產生許多計算，因此背後就 有一大堆程式需要撰寫。 當然研究者也希望機器人能 提供一些與人互動的行為，在心 情不好的時候，機器人可以嘗試 安慰，如果發生異狀，機器人能 夠提供協助。因為要與人互動， 所以必須具備辨識喜、怒、哀、 樂等臉部表情的機制。研究人員 以生氣、快樂、中性、悲傷、驚 訝等 5種面部表情為主，透過辨 識器，使用「支持向量機」理 論，令機器人在兩種表情中挑選 比較像的一個，然後再與另一個 表情做比較挑選。如此經過多次 的比較與挑選後，就能把最接近 事實的臉部表情挑選出來。 機器人行為是仿生物行為 組成機器人的第 3個要素是 科學發展 2009年6月，438期 57 稱為「人體姿態偵測模組」，這也 是交通大學研究團隊研發的產品 之一，裡面包括Zigbee 晶片、微 控器，以及3軸加速度感測器。3 軸加速度感測器可用來量測加速 度訊號，然後再從訊號中分離出 「靜態加速度」與「動態加速 度」。從靜態加速度（由重力加速 度產生）的值，可以研判老人是 坐著、站著或躺著；從動態加速 度的值，可以分析老人是跌倒、 走路或正在上下樓梯。而以這套 加速度量規偵測跌倒資訊的成功 率達93％，且這個模組可以繫在 腰際，不致產生被監視的感覺。 機器人時代已經來臨 總而言之，在Zigbee無線感 測網路系統環境中，可以經由 Zigbee晶片把偵測到的感測值傳 給機器人蘿拉。萬一老人出現狀 況，Zigbee網路立即定位，蘿拉 可以即時地透過雷射掃描儀，避 開障礙物，移動至老人身邊，還 會以攝影機追蹤老人的臉，把人 臉影像以無線傳輸方式傳到家人 手機或視訊螢幕上。這是一套整 合定位、導航、跌倒偵測、視訊 會議、視覺追蹤、遠端控制、影 像傳輸等多項技術的設計。 機器人之所以吸引我們，主 要是它充滿各種可能性，而且具 有創造龐大利潤的機會。日本早 稻田大學工程學院院長是一位機 器人學者， 2006年時他到台灣科 技大學演講，演講結論發人深 省：「機器人在舞台上作秀，在 舞台上表演的時代應該告一段 落。我們現在應該關心，應該趕 快開發機器人來支持我們的生 活，來協助社會或生活上的一些 需求。」這個結論點出了機器人 的真正價值，也提醒我們使用機 器人的時代已經來臨。 □ 本文取材自國科會「2007秋季展望系 列演講第 3場」交通大學電機與控制 工程學系宋開泰教授的演講內容 演講人／宋開泰 交通大學電機與控制工程學系 文字整理／張志玲 本刊特約文字編輯 人體姿態偵測器可繫在腰際，它能透過偵測器模組上的3軸加速度感測器判斷人體姿 態，並把判斷結果透過 Zigbee網路傳給機器人。