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機器人學步走

人形機器人,顧名思義是外觀仿造人形的機器人,其中又以「雙足人形機器人」能做出最接近人體的動作。2005年日本愛知國際博覽會展出期間,日本本田技研工業公司開發的人形機器人「ASIMO」在會場亮相並穩健地行走時,人們紛紛報以熱烈掌聲。
 
 
 
人形機器人,顧名思義是外觀仿造人形的機器人,其中又以「雙足人形機器人」能做出最接近人體的動作。2005年日本愛知國際博覽會展出期間,日本本田技研工業公司開發的人形機器人「ASIMO」在會場亮相並穩健地行走時,人們紛紛報以熱烈掌聲,讚嘆日本企業的先進科技。其實,我國當時也有團隊具備與其競爭的實力,成功大學電機系先進智慧型機器人與系統實驗室李祖聖教授的研究團隊就是其中之一。

「雙足人形機器人要能『走』其實並不困難,但是要『走得穩』、『走得快』卻是難上加難。」李教授如此表示。自2005年起,李教授團隊所打造的人形機器人經常出現在「FIRA」、「ROBOCUP」等世界性的機器人比賽中,並抱回許多大獎。但是,每次正式上場前,團隊成員們都需不眠不休地為比賽做準備,因為要依照比賽現場的環境微調機器人每個關節的設定,以適應「路況」。「難道沒辦法讓它自己學習嗎?」李教授於是想讓機器人「自己學走路」。

過去,雙足人形機器人已能藉由許多關節活動,模仿人體做出許多動作,包含行走、蹲下、起身、雙手舉高與活動等。每個動作都需要靠人撰寫電腦程式去控制,精細的程度甚至必須考量每個細小關節的角度與施力,最後的反應卻十分制式、僵硬與被動。如何讓機器人自己學習做出流暢的動作,是李教授心中最大的挑戰。

幼兒初學步時,跌倒後會再站起來繼續向前走,是由於大腦與身體各關節不斷地反思為何跌倒,並不斷地自我修正與學習,久而久之跌倒的次數就能降低,且越走越好。李教授運用這一概念,以「策略梯度增強式學習法」為核心來訓練他的機器人,透過撰寫電腦程式,讓機器人在每個「嘗試與錯誤」中加入「獎勵與懲罰」的邏輯概念,讓它能自行在來回修正中找到各部位針對下一個動作的最佳設定。如此一來,李教授的機器人只要一開始先調整到能走出第一步的狀態,其後就能放手讓它自己「學著走」。

除了以增強式學習法為核心邏輯外,為了讓機器人能走得更穩健,李教授還搭配「拉氏多項式內插法」調整控制步伐的範圍,並運用「模糊邏輯控制」同步微調身體其他的細部關節,以防止機器人身體過度搖晃。運用諸多方法輔助運算,讓機器人在做每個動作前,就能儘量調整到最佳狀態,如此可使機器人跌倒的次數減少,同時加快機器人行走的速度。

透過搭載在機器人上的各類感應器,包含視覺、觸覺、力量的反饋等大量訊息不斷地傳遞給電腦,在邁出下一步前,「先進智慧型機器人與系統實驗室」的機器人已能藉由電腦程式的快速運算,自我調整到最佳的設定,穩穩地踏出去。在這一步的背後,重溫幼時學步的艱辛與甘苦,也窺見人體運動時的精密計算與協調。而李教授的下一步,是挑戰機器人能自由上下樓梯、行走斜坡等難度更高的動作,同時希望它未來能成為量產化的家庭助手。
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