家 用 機 器 人 的
現 在 與 未 來
由
於半導體產業、資訊技術 ( IT ) 及控制技術 ( C T ) 的進步，機器人從 事更廣泛的工作正逐漸受到重視，如建築用的機器人、深海探勘的機器人、 處理危險物品的機器人等等。近年來有多款擬人化的機器人發表，如日本本 田發表的 A simo 機器人， So ny 發表了會隨音樂跳舞的機器人 SDR- 4X ，日 本政府和民間聯合成立的 ATR 智能影像通訊研究所發表能幫人處理日常生 活事務的機器人。另一方面， So ny Aib o機器狗及機器貓、機器魚等等娛樂 性機器人亦造成很大的轟動。事實上，智慧型機器人的應用已引起科技界的 注意， M IT Me dia L ab Pr o f. Ne g ro po n te 在其暢銷書 『數位革命』 中即提 到這個價值百億美金的大市場不會被忽視太久。而其中最具有未來市場潛力 的應該算是與網路連接的家用機器人。此處家用機器人可以定位在結合家庭 夥伴( Ro bo t ma te ) 及家庭幫傭 ( Ro bo t ma id )的一種多用途機器人。這種家 用 機 器 人 設 備 將 可 在 一 般 家 庭 使 用 而 成 為 一 種 資 訊 家 電 ( I n f o r m a t i o n Ap pl ian ce , IA ) ，重要的是它整合了多種有用的功能。雖然這些機器人尚 未成為成熟的商品，但在不久的未來機器人將走入辦公室及家庭，成為與人 們共同相處的家電商品。這些家用機器人將具有人性化的操作介面與機器智 慧，可以做服務性的工作，也將與其周圍環境中之人或物產生交互作用以達 成某些特定的工作。 由功能上來看，一個家用機器人必須兼具家庭夥伴與家庭幫傭的特性。 一方面它具有容易使用的人機介面，可接受家庭中成員的命令，產生多媒體 呈現的親善功能。另外一方面也可以被賦予清潔及安全防護方面的服務性工 作。因此家用機器人在功能上將具有多樣性，但這些與日常家庭生活有關的 操作或功能往往必須仰賴與家庭中成員的互動來完成。更進一步分析，我們 發現在屬於智慧型機器人的特性上，它也將經常和環境中的物體產生互動， 如電視機、電話、安全系統等等。另外在與其 它機器人互動方面，我們可以 預期機器人與機器人之間可以有某種通訊方式來協調合作，將有助於它們完 成較複雜的任務，增加了機器人的實用性。圖一顯示家用機器人之互動系統 l宋開泰
在 發 展 一 個 家 用 機 器 人 系 統 的 過 程 中 ， 兼 顧「實用性」與「心理層 面 」 是 一 個 重 要 的 考 量 ， 為 了 使 機 器 人 的 使 用 更 為 「 自 然 」 與 「 方 便 」 ， 並 且 賦 予 機 器 人 與 使 用 者 之 間 能 夠 產 生 互 動 的 能 力 ， 因 此 需 要 發 展 影 像 辨 識 與 語 音 辨 識介面。由於語音技術具有高度的「複雜性」與「困難度」，初期發展的方 向在於培植基本語音處理之技術與能力，其中包含有「語音（語者）辨識」、 「語音合成」、「命令控制」等範圍。進而探討如何利用以語音作為基本溝 通媒介，搭配影像處理技術等其 它的功能來設計機器與人之間的智慧型互 動。最終能夠發展一具有「基本交談功能」的機器人語音系統。另一方面， 影像系統負責蒐集即時的環境資訊，其主要任務在於從所得到的影像資訊 中，擷取並轉換成為控制系統所需要的資訊。就目前來說，主要用來當作影 像感測器的元件有下列兩種感測器：一是電荷耦合元件 （C CD ）感測器， 另一則是互補性金屬氧化矽（CM OS ）感測器。雖然目前在大部份應用層面 上的佔有率仍以 C CD 感測器為主，但 CM OS 感測器於近年來 蓬勃發展，儼 然有迎頭趕上的趨勢。此外，隨著近年來半導體產業的進步與 IC 設計技術 的成熟， CM OS 更可進一步整合相關電路於單一晶片上，使其功能與應用 上更加有深度，也更能符合產業的需求。 而透過CMOS技術來進行影像處理電路與感測電路的整合，近來開始受 到重視，主要是感測晶片本身即含有處理資訊的能力，如影像增強、邊緣萃 取、動態偵測等，以減少後級處理部份的負擔。於家用機器人的應用上，透 過此一特定功能的感測器，往往能大幅的提升控制系統的性能，減少所需處 理與傳送的資料量及時間，使家用機 器人的反應表現更為即時，也更為貼近 人類的生活。 傳統機器人大多是應用於工業上，例如生產線上的操作、電子零件的組 裝、搬運重物等等，這些機器人的動作都是反覆性質較多，依照已規畫好的 路徑或是動作來達成我們想要的結果。但是在這樣的前提之下，這些機器人 較沒有應變的能力，例如生產線上的流程有所改變或是出現不該有的物品 p 圖一: 家 用 機 器 人 之 互 動 系 統 架 構 圖
時，傳統的工業機器人就沒有辦法來解決這樣的情況。家用機器人與傳統機 器人主要的差別在於家用機器人必須和家庭裡的人互動，所以必須要有類似 人的思想機制，也就是他必須要有足夠的智慧來應付家庭中的人員給予他的 一些命令甚至能夠辨別其喜怒哀樂，然後採取正確適當的反應。 Pr of . Tan ie 提出一種依照機器人功能之分類及評估方式。傳統機器人如自動化機器或是 工業機器人都是基於客觀評估 (Ob je ct iv e Ev al ua ti on ) 為考量來設計，講求 高速度、高精度、價格便宜等等；而供人類娛樂的機器人或是具有美感的機 器人，他們卻需要有主觀評估 (Su bj ect ive E val uat io n)的價值，例如人們會 判斷機器人的美醜、給人們的感覺好奇等等主觀意識。屬於 H o me A p pl i -ance的家用機器人必須要包含客觀評估和主觀評估的功能，也就是說家用機 器人必須能夠有些功能是客觀，如幫忙家裡一些反覆或繁重的事務、看家、 防火救火等等，另外一方面，他們也要能經由訓練學習來和家裡的人互動， 讓家人不再覺得他只是一台機器，而是活生生的一位夥伴。因此關於家用機 器人與人互動的介面必須要有機器智慧的，也就是具備有學習的能力，能夠 應付動態環境的變化和學習新工作 ( Tas k ) 的能力。根據上面的討論，我們 提出幾個觀點來說明家用機器人的研究方向： ( 1) 互動方面：不同於傳統機器人，家用機器人必須要與人互動，建立更深 厚的關係。與家人互動包含認得家人、能夠辨識家人聲音、甚至記得家人的 喜好、有自己的情感等等，這些都可以透過學習而產生。 ( 2) 環境方面：傳統機器人大多在干擾少且規畫好的工作環境內，但是家用 機器人所處環境常常變動 ；如家庭擺設的變化、家人的走動等等。不再是預 先可以規畫好的。如果機器人可以像人類一樣有學習的能力，那麼他應當可 以應付動態環境所帶給他的挑戰。 ( 3) 功能方面：傳統機器人的功能通常是設計者早就規畫好了，所以要增加 功能，就必須要重新推出新型機器人來。若機器人本身有學習的功能的話， 那麼我們只需要賦予它基本的能力，複雜的能力就可以經由訓練來達成。 由目前一些研究結果我們可以發現家用機器人目前的設計趨勢。在移動 機器人方面，東京大學教授 Tamio Ara i實驗室的Fu jir ob o主要是著重在智慧 型移動平台之設計。日本 To hok u大學Pr of . Yut a實驗室的Yam ab ic o2 在平台 上加入機器手臂，以達到跟外界環境之互動功能。另外 U n i v. o f We s t e r n A us tr al ia 之P ro f. T ho m a s B r au nl 實驗室所設計之移動式機器人，主要是以 PD A 當作主控制器，並結合影像技術和模組化之機構設計，以提高穩定性。
基 於 整 合 性 的 考 量 ， 日 本 早 稻 田 大 學 的 T e t s u y a O g a t a 和 S h i g e k i S u g an o 提 出 一 整 合 性 之 設 計 ， 其 中 包 含 運 動 平 台 、 機 器 手 臂 、 超 音 波 、 C C D 、麥克風和頭部機構，所以可說是相當完整之設計。在現今之家用機 器人( H om e Rob ot ) 之發展上，最成功的可算是日本 S on y 推出機器狗愛寶 ( Ai bo ) ， N EC 也推出一款家用機器人 Ro bo t1 00 ，其功能不同於愛寶之寵 物功能，而著重在與人之溝通和服務等。此外基於 MIT 研發團隊之I- Ro bo t 公司亦推出一款已商品化之智慧型機器人 I- Rob ot 及吸塵機器人 Ro om ba ， 因此可見家用機器人在未來是充滿發展性的。我們在過去先後完成了結合超 音波及影像導引的自走式機器人、移動式機械臂、足球機器人、導盲機器人 等等。目前在電控系正結合累積的硬體與軟體經驗朝向更實用化之先進家用 機器人研發。 我們在國科會補助之下於兩年前開始進行一項家用機器人的研發計劃， 本計畫之主要目的在發展家用機器人系統及其關鍵技術，這包括以下幾各重 要項目： l 家用機器人系統之資訊與網路平台。 l 家用機器人之遠端呈現與操控系統。 l 家用機器人之電腦視覺系統。 l 家用機器人之智慧型互動系統。 l 家用機器人之影像追蹤控制系統。 這五個項目分別由五個子計畫，在交通大學電機與控制系、交通大學資 訊科學系及明新科技大學，五位老師與二十餘位研究生分三年來完成。經由 本計畫之執行，我們將提出機器人控制方面的新架構與理論，也將研發出具 體之機器人與外界互動之資訊處理法則及硬體設備，期盼對機器人相關之學 術界與國內產業界產生具體的貢獻。 自計畫開始執行以來，參與本計畫及各子計畫之老師與研究生每個月定 期在交大電控系舉辦一次計畫討論會： e- Ro bo t G ro up Me et in g，讓參與計 畫人員有展示成果與交流的機會。另外並委由計畫研究助理建立 e- Ro bo t家 用機器人網站 (ht tp :/ /e ro bo t.c n.nc tu .e du .t w) ，將各子計畫之研究主題與內 容透過網路給予學生教育訓練的機會並提供給有興趣的人士加以分享。 91 年七月我們所研發之家用機器人 H 2 雛型應邀參加資策會主辦的兒童 資訊月展覽，示範部分機器人研究成果。圖二、圖三顯示現場示範的情形。
在 10 天的展出期間共做了 40 場示範，反應十分熱烈。本計畫的執行將朝向 實用化、商品化發展 ，相關技術及研發成果有許多可以推廣給國內廠商 ，與 社會科技動態結合也將是本計畫努力方向之一。目前我們剛完成機器人上三 自由度手臂之設計與製作，增加了對物體操作的功能，如圖四所示。故事正 精采，就讓我們一起期待家用機器人的未來。 p 圖二: 家 用 機 器 人 H 2 雛 形 應 邀 參 加 兒 童 資 訊 月 展 覽 現 場 示 範 情 形 之 一 p 圖三: 家 用 機 器 人 H 2 雛 形 應 邀 參 加 兒 童 資 訊 月 展 覽 現 場 示 範 情 形 之 二 p 圖四: 家 用 機 器 人 雛 型 H 1 加 裝 三 自 由 度 手 臂
