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交通大學ISCI Lab創造服務型機器人的一片天!

採訪/謝瑩霖、黃渝婷

宋開泰老師與ISCI Lab的同學。

交通大學的智慧型系統控制整合實驗室(ISCI Lab)看到社會已慢慢走向老年化、且對於服務型機器人的需求日益增加的現況,研發出緊急照護機器人RoLA、運用Kinect視覺模組搭配機械手臂可用來抓取物品的阿拉丁、強調人機互動的輔助行走機器人Wal-bot、軟外表導覽機器人小狐以及其他類型的服務型機器人。

ISCI Lab目前為了符合各個層面的服務需求,積極地進行改良服務型機器人。

【研究契機】

由交通大學電機工程系宋開泰老師領軍的智慧型系統控制整合實驗室(以下簡稱ISCI Lab),便是以研究服務型機器人為出發點,研究開發出各式各樣機器人。

宋開泰老師在比利時魯汶大學攻讀博士學位時是研究移動式機器人、製作工廠內的自動搬運機器人。宋老師說:「那時候時工廠內的搬運機器人只會沿著地上的磁導線移動,之後便考慮移除鋪設在地上的磁導線,希望讓搬運機器人的功能能更上一層樓。」在當時,機器人都要靠著磁導線來移動,磁導線對於機器人來說就像是火車的軌道一樣,只需將感測路徑的感測器裝在機器人的下方,機器人就能跟隨磁導線就能自然前進,但這也限制了機器人可行動(服務)的範圍;若是能夠開發出不用靠磁導線移動的機器人,那麼機器人可移動的範圍就能變得更廣、服務也能更自由。但相對來說,這樣的機器人在就會複雜許多,感測方式也要從原本的跟隨改成掃描環境的定位量測,在程式撰寫上的困難度也將隨之提高。

宋老師回國後,了解移動的機器人還有有許多問題可以去做深入地探討,於是開始將機器人從用於工廠的搬運機器人延伸到用於醫院或居家照護的服務型機器人,加上察覺到臺灣社會的老年化問題,因此鑽研服務型機器人這個領域,並於1991年在交通大學正式成立ISCI Lab,此實驗室目前已開發出可在家中巡航的緊急照護機器人RoLA、運用Kinect視覺模組搭配機械手臂可用來抓取物品的阿拉丁、強調人機互動的輔助行走機器人Walbot與少見的軟外表接待型機器人小狐。宋老師說:「其實能自由移動的搬運機器人可說是服務型機器人的前身。我們實驗室成立的宗旨及研究主軸在於『這些機器人能提供給人們什麼服務』,而不是強調『這些機器人是如何設計得的』。」宋老師藉由這樣的信念,教導及帶領學生進入服務型機器人的世界,並期許ISCI Lab能讓服務型機器人有更多元的服務及發展。

【軟體與硬體架構】

在硬體部分,ISCI Lab的四臺重點機器人在外觀上的設計,都可大略分成頭部與身體兩大部位,除了阿拉丁沒有裝設螢幕外,其他三臺機器人都有裝設觸控式螢幕,是其可與使用者進行互動。在感測器方面,機器人皆採用精準度較高的雷射測距儀來量測機器人周圍的障礙物,並且將測距儀設置在機器人身體下方,如此一來可避免因障礙物過低而無法偵測到的狀況。而宋老師實驗室採用自行研發的ZigBee,與市面上販售的不同點在於,宋老師在自製的ZigBee電路板上增設了加速度感應器,可用來測量人體動作的加速度,舉例來說,當人跌倒時,傾倒的速度較高,透過加速度感應器可判斷出是跌倒而不是臥躺;另外傳輸的範圍也較市面上來的小,大概只有10公尺的距離,但在家中使用也已相當足夠。

在軟體方面,宋老師採用的是C語言,雖然說C語言在傳承及閱讀上較為困難,但它能做的事情也比較多,記憶體也占的比較少。這樣說起來,相對耗費的資源也比較少,並且可讓學生們在做研究方面能更用心地研讀程式。宋老師希望讓學生學的愈多愈好,因為在求學階段學得愈多、碰到的問題愈多,未來當他們在面對未知的未來時,也就更有解決問題的能力。

【功能各異的服務型機器人】

照護機器人RoLA

首先從RoLA(Robot of Living Aid)這臺機器人開始,它是在Easy Bot這臺家用伴侶機器人之後所研發出來的居家照護機器人,移動方式與Easy Bot相同都採用雙獨力驅動輪搭配一個自由轉向輪來進行各方向的移動。而我們可從名稱上來得知這臺機器人主要功能是給予使用者在生活方面的協助,而對象特別鎖定在年紀稍長的老年使用者。搭配保全機器人既有的巡邏概念,讓機器人能在家中自由移動,當發生事故時,透過配戴在使用者腰間的ZigBee姿態感測器,可感測到使用者的姿態變化,並作出相對應的動作,且快速移動到使用者求救的位置,並發送求救訊號給出門在外的其他家中成員。

舉例來說,當老年人(使用者)單獨在家,不小心跌倒時,RoLA一偵測到事件的發生(跌倒的姿態),便會使用裝設在距機體下半部的雷射測距儀來閃避障礙物,在短時間內自主移動到老年人身旁,一抵達老年人身邊後,便會使用裝設在頭部的攝影機拍攝影像,並傳送簡訊到家中成員的手機或者利用3G網路傳送即時影像到家中其他成員的智慧型手機中。另外,由於鏡頭是可遙控的,家中成員可以遙控攝影機鏡頭的方向來取得更多的環境資訊。在偵測人體姿態的ZigBee方面,宋老師的學生們目前已開發出包含:站、坐、走、臥、跌倒與上下樓梯共七種動作姿態,而為了要分辨走與跑、臥躺與跌倒這種看似相同的動作,在ZigBee中增加了加速度感測器,以速度的不同來分辨出不同的姿態。

具有輔具功能的Wal-bot

在研發出可偵測老年人跌倒並傳送求救訊息的RoLA後,ISCI Lab之後又研發出可預防老年人跌倒,也可當成輔具來輔助使用者行走的Wal-bot。機器人外觀上與RoLA著顯著的不同點在於,Wal-bot裝設了一組造型特殊的扶手,讓每位使用者能以各自習慣的扶握方式來使用,並且預防老年人在家跌倒的機率,希望提高老年人的生活安全度。

Wal-bot結合握把、雷射測距儀和力量感測器,變成一臺可帶著使用者前進到想去的位置的機器人。使用者在扶上扶手時,輕輕推一下,Wal-bot就會帶著使用者移動。藉由力量感測器的協助,也讓老年人用較少的力量就可推動Wal-bot行進。Wal-bot跟ROLA一樣可以藉由雷射測距儀自主閃避障礙物,而Wal-bot的顯示畫面圖中的左上角框框可顯示出周圍的環境,紅線愈長表示前方的空間愈空曠。ISCI Lab也實際展示了Wal-bot的安全性,教室外面的走廊布置成一個充滿障礙的環境,再以蒙眼方式親身測試Wal-bot的避障功能。

而Wal-bot的在移動方式則採用四個不同馬達各別控制四個全向輪,以不同的旋轉方式來進行前後左右各個方向的移動。另外Wal-bot可在上坡時提供額外的力道讓使用者有種如履平地的感覺,相對地在下坡方面也會稍稍提供阻力,讓移動速度不致於過快。

另外Wal-bot還有一項功能,它可以使用程式規劃出家中環境移動的路徑,當使用者想在家中移動時,只要點選螢幕設定起點與終點,Wal-bot便會自動規劃最短路徑,讓使用者用最短且最省力的方式完成移動。

有手臂的阿拉丁

與前兩臺機器人相比,阿拉丁在外觀上有顯著的不同,它的機身設計得較高,並有裝上兩隻擁有七個自由度的手臂,能協助使用者來拿取物品,舉例來說,老年人想要拿到高處的藥罐,不易拿取時就能呼叫阿拉丁來協助完成。阿拉丁也能透過同樣裝設在機體下方的雷射測距儀來偵測障礙物,進而讓完成取物動作的機器人能自行避障,流暢地完成整個協助的動作。

而阿拉丁這款機器人,宋老師認為還是有許多可改進的空間,因此繼續開發出阿拉丁二代,將一些功能做更進一步的提升與更新。首先將手臂的自由度由七個減少為六個,如此一來不但不會減少手臂的靈活度,還可以減少馬達帶來的重量;再來是將新開發的四驅輪移動模式裝設在二代上。四驅輪移動模式與一般輪移動模式不同,每一顆輪子分別由一組馬達來控制轉向角度與前進後退,因此移動起來能更平穩,而且在動力損失上,並不會像先前使用全向輪時,因為輪子的角度問題損失較多的能量,移動起來也更平穩快速。

外表可愛的絨毛小狐

製作小狐的動機為宋老師考慮到有許多的高中生喜歡到交通大學電機系參觀,但用人來進行接待已是相當普遍的方式,便與學生討論製作一臺與眾不同的接待型機器人,

小狐擁有兩個特色:第一,小狐能與來訪賓客進行互動遊戲。舉例來說,來系上參觀的學生能與小狐玩互動遊戲,讓學生了解到電機系在製作機器人方面的樂趣。第二,宋老師將小狐做成可增加好感度的軟外表,也設計成可以用觸摸的方式與小狐進行互動遊戲,甚至,小狐也會因為觸摸力道的不同而有不同的反應!相較於原本金屬外表的機器人,這顛覆了以往機器人給人外表冰冷的刻板印象,而有著可愛外表與柔軟表皮的小狐,也縮短了原本人與機器人間的距離感,讓人在互動時感到更為自在且愉快。

另外小狐待機時,頭上的耳朵會像小狗一般微微晃動,當使用者走到面前時,可透過脖子上的三個超音波感測器,藉由感測使用者的位置來轉動頭部來面對使用者。而當使用者觸摸小狐身上不同部位時,小狐也產生不同的對應方式來發出聲音。真是期待未來看到小狐在電機系館的門口為大家進行更多功能的服務呢!

【結語】

在ISCI Lab見到了許多從「服務人」為出發點的機器人,果真科技始終來自於人性!四臺機器人的專精技術、開發的領域與功能都不相同,期望未來有一天能夠將這幾個領域技術全部整合成一臺,塑造出功能更廣、性能更優的全方位家用型機器人。這樣照護老人再也不用聘請全天候看護,打掃家裡也不必找尋仲介公司雇用外傭,只要一臺機器人就萬事搞定!可以想見在未來的家庭生活,會更有科技感。

 

參考連結:交通大學智慧型系統控制整合實驗室

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/5月號

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