當AI遇到I-Robot -智慧型機器人

莊家峰

國立中興大學 電機工程系

一般定義: 機器人是可程式的機器，在自動控制下實行包括操作或移動動作之課題

機器人定義

何謂機器人?

智慧型機器人定義

•目前尚無統一定義。

•最簡單的說法: 能自主動作，不執行重複工作的機器

•智慧型機器人能夠經由感知外在不同環境與命令，執行相對且適當的反應與動作 .

未來發展前景

•美國: 宣稱在公元2015時有三分之一陸軍之軍事活動將由機器人代勞。

•日本:正在大量研發與人共生的各樣民生用機器人，用以豐厚民生；並將機器人列為新產業創造七大領域之一。

•韓國:規畫2020前韓國的家家戶戶都有機器人提供家事服務。並列為十大新世代成長動力產業之一。

機器人產業未來評估--國際

•英國半導體行業研究機構(VLSI Research)則調查預估，至2010年全球機器人市場將達593億美元，而機器人所需各種零組件相關市場商機也達數10億美元以上。

•韓國資訊通信部(Korea Ministry of Information and Communication)調查研究報告指出，2012年全球機器人產值將高達2,500億美元。

•日本機器人協會(JARA)統計其國內智慧型機器人市場需求，預計將由2005年110億美元成長至2010年249億美元。

機器人產業未來評估--國內

•「行政院2005年產業科技策略會議」中，將智慧型機器人產業發展目標分為三個階段。

•第Ⅱ階段(西元2009至2013年): 預估產值將達到新台幣900億元以上；

•第Ⅲ階段(西元2014至2020年): 我國將成為智慧型機器人主要製造國。

機器人如何得知本身位置與姿態?

機器人元件介紹(1)

陀螺儀: 一種用來感測與維持方向的裝置，基於角動量不滅的理

論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向

角位移, 角速度

機器人元件介紹(1)(續)

上圖為加速規模型，整個系統包含了一個M-B-K結構。將位移訊號轉換成其他可讀訊號的轉換器。透過牛頓第二運動定律可得加速度訊號，再經由壓電材料轉換器將類比的訊號轉換成數位的訊號。

三軸加速規

雙軸加速規

~ 加速規:加速度量測

電子羅盤:

可以量測角度 。一種利用磁阻材料來做，這種材料會因為磁場的變化導致電氣特性的變化，利用適當的電路就可以量測出特性的改變。

衛星定位模組(GPS):GPS 的定位是利用衛星基本三角定位原理， 目前因精度關係，尚無法作機器人精確定位。

機器人元件介紹(1)(續)

• SONAR - 聲納是英文縮寫「SONAR」的音譯，其英文全名為「Sound Navigation And Ranging」（聲音導航與測距）。主動聲納工作原理類似雷達，會自己發出聲響訊號，藉由這個訊號接觸物體反射回來的變化，計算這個物體的相對方位與距離資料（都卜勒效應）。

• 缺點:外界條件的影響很嚴重。比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、自噪聲、目標反射特徵或輻射噪聲強度等，它們大多與環境因素有關。

聲納: 距離量測

機器人元件介紹(1)(續)

• 雷射測距儀a. 其基本原理是，向待測距的物體發射雷射脈衝並開始計時，接收到反射光時停止計時。這段時間即可以轉換為雷射器與目標之間的距離。b. 缺點:散射，因為空氣密度，煙霧等造成衰減及打中目標後雷射因折射而四散，這樣會造成雷射的回程時間不同，會出現首回波(也就是第一道回來的雷射光束)及末回波(最後一道回來的雷射光束)。另外就是對玻璃物質會有穿透效應，因此雷射測距儀無法測量玻璃物體間的距離。

機器人元件介紹(1)(續)

機器人元件介紹(2)

機器人如何與外界作資料傳輸與溝通?

RF無線模組藍芽模組 Zigbee模組

相關元件

通訊模組

機器人元件介紹(3)

機器人如何擁有視覺與聽覺?

攝影機

機器人的視覺感測一般主要用CCD或CMOS攝影機來截取影像

立體攝影機

麥克風或麥克風陣列

壓力感測器(1) (人型機器人)足底壓力感測器: 利用半球型橡膠凸起部的接觸壓力，可連續檢出壓力強弱

(2)電子皮膚: 以輕薄具彈性容易彎曲為主。例 如日本東京大學將壓力感知器以陣列方式密佈在彈性薄膜上，可繞在機器人任意部位上當成電子皮膚

機器人元件介紹(4)

機器人如何擁有觸覺?

機器人元件介紹(5)機器人如何運動或移動?

馬達或氣油壓設備直流馬達: 可調速，低轉速到高轉速扭力都固定速度變動率很小穩定性高，長時間運轉馬達不會發熱。缺點：無法用在定位精度高的地方, 因為是吃直流電，通常扭力都不大。應用：適合用在動作需求不能變化太大的地方。

步進馬達: 可以提供較大之轉矩，通常運用於需要較大轉矩與精確定位之機器上

(一)多功能人型機器人(二)導覽與接待型機器人(三)照護機器人(四)仿真人機器人(五)仿生機器人(六)寵物娛樂型機器人

各類型機器人介紹

Aldebaran將它稱為「可自治的家庭夥伴」。高約58.42公分可完全程式化、自由度達25級。

Nao的手可抓拿物體，具有視覺可遍識物體，聲音處理方面內建4個麥克風與兩個喇叭，可用聲納系統偵測周遭環境。搭載x86超微（AMD）Geocode 500 MHz中

央處理器、256MB SDRAM、2GB快閃記憶體、每次充電後可維持90分鐘的鋰電池。

日本 Aldebaran RoboticsNao

日本: SONY的QRIO機器人

•QRIO (Quest for curiosity) 此機器人能唱歌及做流暢的舞蹈動作、可偵測及記憶最多10個人臉、不僅可以辨識語音且可以學習及記憶新的單字、能夠以語音與肢體語言表達情感、可在不平坦與傾斜地面行走。

~ ASIMO目前大眾公認運動協調能力最強的人型機器人產品。身高130cm，體重『只有』54kg， Asimo可以步行、轉彎與跑步。直線移動速度6km/hr（約1.67m/sec），轉彎5km/hr（約1.39m/sec），和人類的平均移動速度差不多.~ 可以雙手搬運物品、奉茶及跟人握手。搬運荷重單手0.3kg，雙手1kg。~ 在與人溝通方面，可以接受語音控制命令、聽音辨位、辨別聲音為人類語音或其他聲響。具有臉部辨識功能，能說出使用者名字。可接受手勢命令及辨認環境中的障礙物。可偵測移動物體的方位及距離，因此可以執行人的跟隨動作及使用者接近時主動打招呼。可當樂團指揮及做各種流暢的舞蹈動作等。

日本: Honda 的 Asimo

Violin-playing Robot二足步行機器人，身高152cm體重56Kg，雙手各自永有十七個關節。不僅會拉小提琴，而且還會拉震動抖音。手臂馬達對於力道控制、動作精準度相當高

日本: Toyota 的Partner Robot

(二)導覽與接待型機器人

台灣: 工研院導覽機器人

已在高雄科工館服務。此機器人白天負責導覽解說服務，晚上則可當保全機器人。

視覺方面，機器人具有人臉追蹤與偵測功能。而執行保全時，可將影像過無線方式即時傳回中控中心執行遠端監控。

此機器人具語音辨識功能，使用者可透過觸控式螢幕或是語音功能，進行展覽場所各樓層資訊查詢。配有雷射感測器，經由雷射建立展場地圖後，機器人可依特定路徑行走，並進行基本避障功能。

規格：

1. 尺寸：全高140公分、全幅60公分2. 重量：140公斤3. 移動方式：兩輪差動 1輔助輪4. 移動速度：每秒1公尺

台灣: 財團法人精密機械研究發展中心

優彼得(UPITOR)

此機器人可作租賃服務，並提供客製化的導覽情境與互動方式。使用者透過具觸控螢幕點選解說主題，機器可引領至展品前解說。距離量測方面，配有雷射、超音波等感測器，可進行避障。雙眼LED可顯示不同的情緒，如眨眼與瞇眼等。雙手臂則提供豐富的肢體動作。

(三)照護機器人

RIBA (Robot for Interactive Body Assistance) 主要功能為協助護士將病人搬上與搬下床與輪椅等。RIBA本身重180公斤，目前最多可般運61公斤的病人。雙手臂具有多個關節，上面並且裝了許多觸覺感知器以便以最適當方式般運病人。RIBA全身覆蓋了材質輕的泡沫塑料(氨基鉀酸酯)，提供了病人舒適的觸覺。RIBA可辨識人臉與聲音，因此可以查覺工作伙伴，如護士的存在位置。底下裝了全方位行動輪，因此可在醫院

中任意行動。還具有簡單的語音識別能力。

日本理化學研究所和東海橡膠工業照護熊RIBA

目前已可商品化出租給照護單位或失能者。HAL穿戴型裝置可增加使用者下肢與上肢的力量。裝置整套約23Kg，其中下半身約15Kg。內裝電池可運作兩小時四十分鐘。內部使用混合控制系統，可協助的動作包含日常的基本動作(走路、上下樓梯、從椅子站立等)，搬取重物等。室內與室外均可始用。

日本CYBERDYNE公司穿戴型裝置 Suit HAL (Hybrid Assistive Limb)

最新的HAL下肢穿戴型裝置重約11公斤，能預測使用者的動作，輔助穿戴者移動

日本政府預估，此類機器人包括護士與女傭市場，將在2025年達到650億美元

(四)仿真人機器人

身高158公分、體重包含電池共43公斤。全身上下的自由度總計有42個，使用裝載於腰部的鎳氫電池作為動力。主控電腦為Intel Pentium M 1.6GHz，用於產生全身的動作，另外於頭部搭載了一台作為語音辨識專用的電腦。在感測器上，目前裝有姿勢偵測器1具，以及2個6軸力感測器。

本機器人的步態以及四肢的動作參考自利用動作捕捉裝置攝得的實際人體步態，因此能表現如同真人一般的動作。在手掌方面，除拇指獨立可動外，其餘四指採用同一自由度實現握合動作。

日本獨立行政法人產業技術總合研究所HRP-4C

Actroid-高約165公分，具有與真人相當類似的外觀與皮膚，臉部可以有不同的表情，雙手與手指可自由移動，具有相當擬人化的肢體動作。目前已可以商業化出租，主要用於擔任迎賓機器人以吸引人潮。

日本Kokoro 公司-- 藝人系美女機器人Actroid

DER-2

DER-3

英國Bristol Robotics Laboratory

-- 機器頭 Jules•Jules可即時複製人類的表情，並

且模仿得唯妙唯肖。Jules利用眼睛內的攝影機來擷取人臉的移動與表情後，再利用內部的34顆馬達來表達人的表情。可以偵測與複製的表情共有10種，包括關心、快樂、悲傷等。每秒可以處理25張影像，因此可以模擬細部的表情。此研究目的讓機器人可以更接進真實人類，例如未來可以當老年人的社交伙伴。

(五)仿生機器人

英國艾塞克斯大學-- 機器魚

如同真魚一般可在水中自主移動的機器魚。機器魚的外型、運動與轉彎方式均如同真魚一般。機器魚內建感測器，具有避障功能，可以不接受外在的遙控而自主的在水中移動。機器魚除了娛樂觀賞外，由於機器魚的噪音低，可在不驚擾魚群的情況下進行海洋調查或偵測油管漏油。此機器魚將實際應用來偵測海底污染，利用機器魚身上裝的化學感測器來偵測嚴重的汙染源，如船隻或海底管線的漏油，並將結果以無線方式傳回監控中心。

挪威工業及科學研究基金會(SINTEF）

Anna kondaAnna konda (巨蟒的英文是 Anaconda)長度為3公尺，重量為75公斤，共有20個自由度。關節的移動是以20個水壓汽缸來完成。機器蛇內部裝有微控制器，並可由外在以藍芽無線方式控制。Anna Konda裝有噴水系統，主要用來滅火。SINTEF 也預期未來版本的 Anna 將可能擁有自動尋找、並提供氧氣給遭地震活埋的民眾的能力，或替海底輸油管進行定期檢查

另外一類蛇行機器人如右圖

體重僅7克，且其跳躍的距離能夠達到體長的27倍。2個彈簧可以迅速釋放能量，實現強有力的跳躍和超迅速的加速，每充電3秒就可以進行高達320次跳躍。這款機器人的設計製作，為研制低功耗、高效率、機動性好的跳躍機器人提供了基本的平台。

瑞士洛桑聯邦理工學院智能系統實驗室蚱蜢跳躍機器人

(六)寵物娛樂型機器人

•早期玩具

日本村田的村田頑童

(Murata Boy)2005

現在玩具

騎車玩具

村田小妹

(2008)

Pleo恐龍機器人

史賓機器人可以紅外線遙控器來遙控使其前進、後退、左轉、右轉、舉手等基本動作， 甚至是跳舞等較細膩的動作

機器人也具有可以程式化的工作模式，利用內建的三個感應器 及程式化模式，由使用者以遙控器為機器人編排一連串不同的動作指令，最多可達 84 個指令動作，利用程式化指令的編排，可以設計出屬於自己獨特風格的遊戲機械人。

Wow Wee 玩具公司

Robosapien

身長40cm，可以隨著播放的音樂進行動作和舞動外，還可以由人的撫摸而改變「眼睛」的狀態。

MIO的頭部、背部、下巴等處安裝了觸覺感測器。

MIO也可接收到預錄的字句以聲控方式表現簡易行為。

SEGA -- MIO DOG

E.M.A（Eternal，Maiden，Actualization）可以做出與人交換名片、唱歌，女性走路的樣子，以及對話等。可以重復教導的動作。此外，還有一個有

趣的功能，只要你接近他，就會進入love模式，啟動親吻的機能。

SEGAEMA

「機械雷霸龍」(ROBORAPTOR)強調的是「遙控」、「互動」、「感應」三大功能，

Wow Wee 玩具公司

ROBORAPTOR

AIBO能支援高達180條的語音指令，特別是它的視覺系統: 它能夠執行印在專門卡片上的”坐下”、”拍照”等15種指令，還能找到骨頭形附件，叼 在嘴裏。通過模式識別，還提高了AIBO自行走到專用充電

器前充電的功能。AIBO的面部內置28個4色（白、紅、藍、綠）發光

二極體（LED），通過閃亮模式來表達高興與憂傷等感情及狀態。

此外還安裝了可播放64和絃音的集成音效卡，可以用更加豐富的音響來表達情感。

SONY - AIBO

小雞內置光感和角度傾斜感測器十分靈敏，經由撫摸可發出高興的叫聲及做出不同的反應。同時稚嫩翅膀可作拍打動作。長時間不理牠的話，會發出急切的叫聲。

SEGA – Yume Hiyoko (夢幻小雞 )

機器人與人類共存問題

機器人三定律（Three Laws of Robotics）

•是科幻小說家艾薩克·阿西莫夫在他的機器人相關作品為机器

人设定的行為准則。•第一法則

–機器人不得傷害人類，或袖手旁關坐視人類受到傷害；

•第二法則

–除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命令；

•第三法則

–在不違背第一及第二法則下，機器人必須保護自己。