1.1 前言
隨著電子科技、電腦與控制技術之快速發展，近十年來各種仿生機器（機器狗、
機器貓、機器猿、機器魚、機器蛇、人形機器人等）應運而生。由於其應用範圍包括 娛樂、生活援助、家庭、運動、災害救援，甚至高科技領域等，因此吸引了各國研究 人員積極地投入研究。其中，由於人形機器人具有類似人類的動作與智慧，其自由度 大、靈巧性高，不但易與人們互動，而且亦能與工作環境配合，近年來已漸漸成為機 器人研究領域中最熱門項目之一。
因此，機器人不再只是被要求能完成人類所不願意做或重複性的工作，而是希 望機器人能更進一步的與人互動，且更具有親和力;於是一個仿人類外形，且能深入 人類的生活，為人類做更多的事的人形機器人由此而生。人形機器人的建構，在機構 上需模組化及小型化，在控制系統上需具有即時網路通訊的分散式控制，而在感測系 統上需集合多樣感測器。
1.2 研究目的
自從日本 HONDA 公司在 1998 年公開發表其人形機器人的研究成果後，這個領 域開始引發熱烈討論，其亦將是機器人學在本世紀的一個重要研究方向。人形機器人 顧名思義為一具有類似人類的外形與功能的機器人，就外觀而言，一定有頭部與手 臂，如何令其眼睛與手臂能像人一樣能互相協調地去完成任務，將是一個非常重要的 研究課題。本研究計畫的目的在於研究人形機器人之智慧感測與決筞，以及手/眼協 調運動控制的機制，以建立未來個人機器人的基礎技術。本計畫所研究的對象是輪式 人形機器人，該輪式人形機器人將改良自本實驗室所設計的第一代家用人形機器人，
除了更改其雙眼機械頭的設計與增加其腰部的自由度外，並重新設計與規劃控制系 統，藉以減輕系統的重量與提昇系統的運算速度，而在實驗測試上，此一新的輪式人 形機器人將與人類進行乒乓球的對打，以驗證系統整合與控制策略的有效性。
1.3 文獻回顧
在人形機器人的研發上，日本東京的早稻田大學無疑地一直是重要的研究中 心。該校的加藤一郎教授於 1973 年建構了世界上第一具真人大小的人形機器人
「WABOT-1」，其為一具配備有基本視覺與語言能力的龐然大物;而於 1984 年所建構 的人形機器人「WABOT-2」，則因為於 1985 年的筑波科學博覽會中演奏管風琴，而 聞名遐邇，激起了大家對未來機器人的想像。早稻田大學於 1992 年成立人形機器人 研究中心，此後，分別於 1995 年與 1997 年，建構了「Hadaly-1」與「Hadaly-2」二 具人形機器人，研究重點分別為導航、與人類間的互助;另於 1997 年開始建構人形機 器人「WABIAN」，目前已發展至第三代 WABIAN-RIII，具有 35 個運動自由度，重 130 公斤、高 188 公分，其特殊之處為利用身軀幫助平衡及膝關節非線性彈簧對抗肌 的功能，研究重點在於從機器人的角度釐清人體的運動控制機制，以及建立未來個人 機器人的基礎技術;而為了要提昇人形機器人的靈巧度，以及與人類接觸上的互動，
於 1998 年建構了「WENDY」機器人，其具有 52 個自由度，重 170 公斤、高 150 公 分。該校並於 2000 年成立人形機器人研究所，研究方向有了解人類科學、復健工程、
運動科學、及創造人類的助手。其他的著名日本大學如東京大學、名古屋大學、東京 技術學院、京都大學等也不餘遺力在研究人形機器人[9][14]。韓國科學與技術學院，
早年創辦 ROBOCUP 機器人足球競賽，正積極發展人形機器人的研究，並已開發他 們自己的人形機器人原型 KIST-2000。美國在人形機器人的研究，以 MIT 的人工智慧 實驗室(AI Lab.)為主，其於 1993 年開始進行人形機器人的計畫[7]，而於 1998 年完成 建構一具僅具上半身的人形機器人寇格(Cog)[6]，主要用於研究生理形態、感應器與 驅動器整合及社會性互動等主題，並藉由機器人的建置研究人類智能。
工業界從事人形機器人的研究與開發，應首推日本的本田汽車公司。就在早稻 田大學的「WABOT-2」於 1985 年演奏管風琴的隔年，本田汽車公司開始進行一項耗 資百萬美元的秘密計畫—研發以雙腳行走的人形機器人，其先由腳形機器人著手，其 型式從 E0(1986)、E1 至 E6(1993)，機器人具備了以雙腳行走的基本功能後，接著研 究人員設法將腳形機器人和上半身機器人組合成人形機器人，其型式由 P1(1993)、
P2(1996) 至 P3(1997) [8]，由於 P3 型廣受矚目，促使日本政府推動耗資數百萬美元
為 期 五 年 的 人 形 機 器 人 計 畫 。 由 於 本 田 公 司 的 不 斷 研 發 ， 最 新 型 的 阿 西 莫 (ASIMO;2000)機器人，已可依據地形狀況決定自己如何動作，因此能夠於上下樓梯 及斜坡進行時保持身體直立，以時速 1.6 公里走向目的地。日本 Sony 在 1999 年設計 出來的 Aibo 狗，差一點就取代狗，成為人類最好的朋友;之後，該公司以同樣的運算 處理技術為基礎，設計了一具人形機器人「SDR-4X」。而 2001 年 9 月日本的 Fujitsu 也曾發表一具會以雙足走路的人形機器人「HOAP-1」。「SDR-4X」與「HOAP-1」皆 屬娛樂性質，HOAP-1 走起路來像個喝醉酒的小孩，而 SDR-4X 本來就是用來娛樂大 家，顯然在唱歌伴舞方面要強得多。
綜觀國外的人形機器人研究，本田汽車公司從 1986 年至今有 20 年的歷史，而 日本早稻田大學從 1973 年至今已有 33 年的歷史。由於二足式的人形機器人所需的研 發時間相當長，而且，有些場合以輪式移動平台取代雙足就足夠了，例如: Hadaly-1、
Hadaly-2 及 WENDY，都是上半身似人形而下半身為一移動平台，這些機器人的結構 設計多數著重於模仿人類頭部與雙眼方面的研究，以及透過雙臂與人類進行互動工作 [12][13]。因此，本計畫特選定輪式人形機器人為研究對象，以作為朝向二足式人形 機器人邁進的第一步。
以機器人與人類對打乒乓球，最早是由美國貝爾實驗室(At&T Bell Lab.) 於 1988 年所提出，該實驗室發展出一套能與人類進行乒乓球對打的機器人系統 [2][3][4]，其 中使用的乒乓球桌比人類所使用的桌子要狹小，且加入乒乓球必須通過的金屬線框於 兩端及中央，比賽是由一個小型的機器人和人類進行對打，所使用的機器人為一部六 自由度的 Puma 260 機械手臂，而二部攝影機則固定地架設於機械手臂的兩側。控制 系統分為四個部分且分佈於多部電腦中：一個 3D 視覺系統(3D Vision System)能每 1/60 秒決定球的位置，一個軌跡分析器(Trajectory Analyzer)能決定且推斷球的運動軌 跡，一個專家控制器(Expert Controller)能經由乒乓球的打擊策略來產生機器人所要的 打擊軌跡，以及伺服系統(Servo System)能使機器人隨著軌跡移動。雖然系統能成功 地與人類進行對打，但仍受限於某些條件，例如:人類必須使球穿過所規劃的金屬框 線，而且由於攝影機的涵蓋視野有限，因此，桌面的寬度與長度皆小於一般的桌球桌。
為了屏除這些限制條件，本研究計畫擬以所設計的輪式人形機器人與人類進行乒乓球
對打，除了其具有主動視覺的優勢外，配合所提出的智慧感測法則與手/眼協調運動 控制的策略，必能完成任務。