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智慧仿生新境界-清華紳士機器人有知覺,能像真人抓球、抽衛生紙,知道杯中液體重量!

111/06/29 瀏覽次數 762
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圖一:靈巧具智慧感知之「清華紳士」類人型機器人。(影像來源:張禎元教授)

人類與機器的差別,在於每一個人可以具備無限的可能。在文化與教育薰陶之下,人透過雙手,能夠在做的當中學習,在學習當中透過雙手來實作驗證,以習得知識與技能,並且累積經驗,甚至進一步能夠探索未知並產出新的知識。這樣的天壤地別,除了人類有靈性之外,最主要的是人類擁有智慧、具有知覺、更有萬能的雙手!

智慧、知覺、以及萬能的雙手,這些都是絕大多數人天生具有且理所當然的。由於科幻影片的誇張效果,以及近幾年人工智慧技術應用的過度神化,人們似乎認為既然技術都有了,將機器人做得跟人一樣是相當容易的。

其實不然,現在絕大多數的機器人並未如人們想像中的聰明。現有的機器人則需要透過程式的撰寫,或是人牽動機器人來教導機器人。與其說是在「教」機器人,其實是透過這兩種方法,讓機器人記住人的指令,然後按照指令的順序來執行動作,使其在空間中移動,達到人想要機器人達到的位置與運動。

機器人如何更像人?清大研發「清華紳士」如何像人類一樣靈活動作?

政府自2017年推動5+2產業創新計畫,這幾年也持續推動 5+N 產業創新計畫,期望能夠將臺灣長期以來引為傲的精密機械升級為智慧機械,並將其應用到智慧製造與智慧服務,其中「機器人」則是其中關鍵的「智慧技術」之一。

雖然跟人比起來機器人相對笨拙,然而現有的機器人卻可以滿足高荷重、高精密度、高重複度、高可靠度以及高彈性度的需求。以機器人取代人力著實在製造自動化以及數位化過程中扮演著關鍵角色。如果要讓機器人變聰明,那怕是擁有人類百分之一的智慧,是不是只要把現有機器人結合人工智慧就好了呢?我想答案並不是如此單純。

要像人,機器人就要長得和人一樣。為了達到讓機器人變聰明的夢想,來自清華大學的團隊,透過領域研發,近年來已研發出「清華紳士」類人型機器人(圖一),使機器人更加類似人、更接近人。

要像人一樣,首先機器人就需要有類似人一樣靈活的雙手。

世界上確實有許多做得相當可愛、很討喜且讓人喜愛的類人型機器人,就像軟銀的 Pepper 機器人。但是如果仔細觀察,會發現其實它們的「手」只不過是稍微會動的機械元件,只能依照指令做出重複性的動作而已,無法做到如同人手一樣的靈活度。

在結構上,清華紳士手仿照人類手掌、手指的設計,除了手指可以個別彎曲伸直之外,五隻手指就像人的一樣,更可以協同開合來抓握任何形狀的物件、操控物件。

機器人要能抓住「任何形狀的物件」,比想像中更不容易

機器人能夠抓握任何形狀的物件,以及操控手中的物件真的很厲害嗎?以機器人的專業術語來說,如同手是在人的手臂末端,機器人的夾爪也是放在機器手臂的末端,稱為末端致動器。

現有機器人的末端致動器主要是根據要夾取物件的形狀而設計的,只有極少數的末端致動器是通用型的。也就是說要抓取不同的物件,機器人則需要換不同的末端致動器,然而清華紳士機器人的末端致動器,也就是類似人手的夾爪,則是仿照人類手掌指自適應結構來製作的,使其的機器手可以適應被抓物的形狀,不只能夠夾取物體,更可以抓握物件。

有別於一般機器人用馬達來驅動末端致動器,清華紳士機器人仿造人類雙手的筋膜,以拉線和氣動的方式來驅動手指,使清華紳士機器人的手更接近人的靈活度。

就像人的手一樣裡面有硬的骨頭,外面有軟的肌肉與知覺皮膚。清華紳士機器人的手指在內部硬的機械結構之外,外面也包覆軟性材料,使其更進一步適應被抓物件區域細微的形狀,使其在抓握物件上更加穩妥。

具有視覺、感覺、觸覺辨識能力,清大紳士的秘密藏在視覺 AI 晶片與演算法

為了能夠操控手中的物件,清華紳士機器人的手就需要有類似人手上的知覺。採用獲得美國專利的感知系統來感測手指受到的回饋力道,清華紳士機器人可以即時精準感知每個手指關節相對的角度,以及擁有類似人一樣的「觸覺」。

加上團隊研發出的視覺 AI 晶片以及演算法,清華紳士機器人除了有擬人的靈活雙手,能夠很快適應各項不同的任務,它也具有視覺、感覺、觸覺的辨識能力,能夠認識應用場景,並更具現在的場景做適當的動作。

比如說它可以辨識出隨意放在桌上的球、杯子、或是飲料瓶,和人一樣抓球、拿杯子、倒飲料。除了可以認得如球、杯子、飲料瓶等等有規則形狀的硬物件之外,清華紳士機器人更可以辨識不規則或是軟的物件,並透過其智慧感知,甚至可以抽取衛生紙,不會捏壞軟的塑膠杯子,並可以知道杯中液體重量!

清華紳士機器人能夠做到這樣的動作以及具有上述的功能,並不是需要專業工程師寫程式來完成的,它能仿照人類獲得技能的模式,先觀察人類的示範,再整合數位化的專業知識以及數位化的海量資料,透過理論模型、人工智慧模型、智慧感測以及智慧制動器,在數位分身中學習演化,並在實際動作當中確認與修正。

想像一下在不久的未來,機器人可以為我們傳承老師傅的手藝、可以代替人進入傳染病蔓延的區域為病患醫療,甚至可以在戰場上以及危險的場域取代人以減少人命的損傷。透過跨領域整合與研發,其動作靈巧且智慧感知的清華紳士機器人,將為開創智慧仿生新境界,為我們開啟無限的可能!

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