【883專論】機器人的研究與發展

電腦與通訊工程學系主任/江叔盈 電腦與通訊工程學系在四年前透過校內競爭型計畫與教育部教學卓越計畫經費之挹注,進行智慧型機器人領域相關研究。由於智慧型機器人設計是高度科技整合的產業,它能充分展現一個國家的科技工業水平。在全球科技市場不斷加溫,以及新ㄧ代機器人市場魅力的帶動下,各先進發展國家莫不積極成立相關教育與政府單位以因應之;歐巴馬宣布每年投資25億台幣在研發「下一世代機器人」,日本將「下一世代機器人」列為政府第4優先研發產業,韓國將「智慧機器人」列為政府第3優先重點發展產業。比爾蓋茲2007年也在《科學人》雜誌發表文章,指出機器人將會是下一個新興產業。以下為目前各先進國家的發展策略。 智慧型機器人也是我國政府極力推動之重點產業;我國行政院2015年經濟發展遠景中,「開創產業發展新局」為產業發展套案衝刺重點之一,而智慧型機器人產業為其所規劃之新興產業發展三大主軸的重點發展項目。 透過機器人研究中心之成立,目前機器人之研究分成四大項目:中型足球機器人、人型機器人、樂高NXT或是KNR系統組合之機器人以及機器手臂。透過課程與專題研究達成機器人研究與應用之目標。 為了能整合資源與持續延伸機器人之相關研究,電通系自大一計算機概論課程開始進行機器人之相關教學,以LEGO® MINDSTORMS為主要平台, 透過感測器與程式撰寫訓練學生學習機器人之相關研究。大二開設機器人程式設計與機器人控制等課程,讓機器人的學習可以延伸,大三時開設進階單晶片系統,以單晶片整合車體馬達,設計出一台行動自走車。最後大三大四學生以機器人相關的競賽為專題目標,透過團隊整合與專題製作,將競賽項目成為機器人專題,讓每一位同學在學習完成後,都能參與競賽,達到做中學的目的。團隊的整合與技術的創新是每項競賽得勝的關鍵,透過課程與專題製作之整合,讓學生參與國際競賽開拓視野,增加畢業後之就業實力。 在樂高與KNR之系統中,本系參與新光智慧型保全機器人之競賽,使用NI與貝登堡合作開發之KNR機器人技術平台作為機器人主要硬體架構,另外配備了網路攝影機、雷射感測器與筆記型電腦。機器人需模擬一個居家環境的場地,進行定點巡邏任務,在模擬場地中機器人以自主的方式執行巡邏客廳以外的房間;不得碰觸周圍之家具與牆壁。 因此,使用雷射感測器可以偵測前方障礙物距離,在輔助以網路攝影機之影像,演算法設計以達成機器人巡邏之目標。 中型足球機器人賽是由數個機器人組成的隊伍,足球機器人系統主要分成影像、策略、硬體三大部份,機器人透過全方位視覺鏡頭、筆記型電腦、控制電路與硬體馬達整合,實現自主性移動,機器人在比賽場地上透過全方位鏡影像視覺系統做影像分析,來辨識獲得場地如球、球門、敵我雙方機器人等位置資訊,再經由這些辨識資訊判斷目前機器人與球及球門等物件關係狀態,決策其最適當的機器人應對攻防動作等運動控制策略,再將其策略路徑規劃移動速度向量指令傳給硬體電路控制板,並轉為控制訊號去控制馬達轉速。四顆全向輪控制馬達,經由四種不同速度所產生的合力來控制機器人往策略決策之方向移動。 由於使用全方位鏡為機器人之視訊,優點為可以360度掌握球場資訊,缺點則為全方位鏡中影像會扭曲變形,因此,我們多以目標物彼此之間角度資訊,用來推算定位以及規劃路徑等運用。因此,在足球機器人定位系統研究中,多以不同之演算法設計來達成足球機器人定位之功能。 此外,仿真人型機器人的研究更是目前的趨勢,人型機器人則是透過嵌入式系統平台整合智慧型馬達,利用視覺鏡頭尋找目標,保持人型機器人之移動平衡,實現自主性移動,達成競賽之目標。以FIRA 2013 HuroCup競賽中之負重登階(lift and carry)為例,在負重登階(lift and carry)競賽中有別於一般的方型階梯,比賽項目採用了邊緣不規則形狀的曲面階梯,對於機器人在爬上階梯時必須判斷出適當的位置,避開曲面程度過大的地方才能安全登上階梯,因此,人型機器人之研究需要額外考慮機器人之行走與平衡等因素。 在人型機器人研究上,我們使用DARwIn-OP (Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence – Open Platform)作為研究硬體平台,它包含20顆馬達,故機器人有20的關節自由度可以用來控制其身體與手腳之動作。DARwIn-OP的作業系統為Linux,透過撰寫C++程式進行影像處理與機器人動作等功能。 機器手臂的發展將成為工業自動化的一個重要里程碑,機器手臂可以進行重複性、危險性、或是機密性的操作,減少人力資源的浪費。目前機器手臂大多數以程式控制其移動,以視覺系統為主而能動態移動的方式較少。由於各種機器手臂的開發使用不同的平台與程式語言,也使得機器手臂全面性的推動有其困難度。 目前機器手臂的研究大約分為工業型機器手臂、醫療型機器手臂與學術研究型機器手臂三大類,然而不管屬於那一類別的機器手臂,其開發的過程均需要機器人動力學之相關數理計算、程式撰寫、影像處理與辨識等功能,對於一般機器手臂的開發耗費時日。 機器手臂之研究先以「上銀機器手」競賽項目為設計目標,透過DARwIn OP開放式平台為基礎,整合視覺系統、機構設計與演算法等,可以快速有效的達成智慧機器手臂的設計。上方之攝影機協助機器手臂了解物件與手臂之位置,而手臂上之攝影機則經由物件追蹤程式可以抓取物件。 機器手臂設計需自主完成色球與正方體分類任務(色球共4種顏色,每種5顆;正方體共4種顏色,每種1顆),機器手臂必須具備影像與顏色辨識功能,並於最短時間內,將色球或正方體投入相同顏色與形狀的洞口裡。 機器人研究之研究成為電通系發展特色,因此,在中型足球機器人實務研究成果上,持續向世界盃機器人足球賽榮獲FIRA國際機器人足球聯盟數項獎項,這顯示本校於智慧型機器人各相關領域已有專業研究能力及技術。 102學年度本系參加2013年「國際機器人足球聯盟(Federation of International Robot-soccer Association, FIRA)」所主辦機器人大賽,與來自世界12個國家,50多支隊伍,在馬來西亞進行為期一週之比賽。而競賽成績更勝於過往之成果,獲得4金5銀之成績,成為大會得獎最多支隊伍,顯示本系在機器人領域之研究,已漸漸開花結果。

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