:::

產業技術評析

多重感測資訊融合之雙足步行機器人
發表日期:2017-12-27
作者:黃仲宏
摘要:
人工智慧技術發展日益精進,在機器人逐漸變聰明的情況下,由機器人打造的居家監控、安全防災、醫療照護、效率工作生活已宣告啟航,如何賦予機器人可在任何地方行走的移動能力已受到矚目,這是在人工智慧世代下極為重要的高技術研發議題。

全文:

一、應用情境與發展機會
 

人工智慧技術發展日益精進,在機器人逐漸變聰明的情況下,由機器人打造的居家監控、安全防災、醫療照護、效率工作生活已宣告啟航,如何賦予機器人可在任何地方行走的移動能力已受到矚目,這是在人工智慧世代下極為重要的高技術研發議題。
 

強健穩定的機器人才能造就高效能與品質的應用與服務,與人類外型相似的雙足步行仿人機器人能提高其在人類活動環境與人類協作中的親和度。美國、日本等先進國家的機器人發展戰略均集中投資在包括機器人技術的革新活用。在機器學習技術不斷演進,機器人腦袋逐漸變聰明的發展下,更高自由度、更能靈活應用的雙足步行機器人,被重視的程度將與日俱增。
 

圖一 機器人在智慧生活中將扮演重要角色

資料來源:工研院機械所、工研院IEK(2017/6)
圖一、機器人在智慧生活中將扮演重要角色
 

隨著生活型態的改變及人口高齡化的現象,可與真人互動、支撐陪伴的雙足步行機器人將隨之孕育而生,它的未來發展應用在如圖一圖示中像是居家照護、居家庶務、智能清潔都是可以預期的,2020年後雙足步行機器人市場規模每年至少達到30億美元以上。它的成功發展關鍵是以具備視覺、力覺模組整合感測資訊,再導入機器學習乃至於運用人工智慧適應各種地形之力學平衡,發展出具有力回饋裝置之模組化步行關鍵技術。
 

二、國內外研發投入現況與發展方向
 

美國日本均有投入研發,其技術發展的重點為透過地板的反作用力控制來控制達成事先所預估的反作用力,並利用姿態角控制來控制絕對座標的運動接近目標。目前難以商品化的主要課題是運動軌跡生成與感測器回饋技術。
 

目前主要知名的雙足步行機器人產品如圖二所示,分別有日本的Handa-ASIMO(TRL4);美國的GeorgiaTech-DURUS(TRL2);以及日本軟體銀行公司購併Google旗下Boston Dynamics的 Atlas (TRL3)。(TRL,Technology Readiness Level,技術成熟度)。
 

圖二、雙足步行機器人國外發展概況

資料來源:各企業官網(2017/6)
圖二、雙足步行機器人國外發展概況
 

日本Handa的ASIMO已研發多年,至今仍以成本因素不傾向商品化。ASIMO的技術發展架構為:環境觀測→動作規劃→生成運動軌跡→感測器反饋控制→電機控制。美國喬治亞理工大學的DURUS,其技術發展架構為透過地板的反作用力控制來控制達成事先所預估的反作用力,並利用姿態角控制來控制絕對座標的運動接近目標。
 

除家用清潔機器人市場之外,其他專業領域的服務型機器人開發成本高且短期回收不易(或有專利障礙),因此投入廠商數仍有限;而大多數的機器人公司仍未將雙足步行技術的機器人產品商品化,以應用在工作或生活中。由於雙足步行容易跌倒,為了進一步推進其實用化,必須有效地整合動作規劃、感應、感測器的反饋控制,才能有堅固強健的步態機器人。導入機器學習乃至於人工智慧技術適應各種地形,以達力學平衡是現階段的熱門研究主題;圖三是雙足步行機器人技術魚骨圖,輕量化結構技術、動態環境適應、複合薄型馬達動力耦合、順應性連續步態控制...等都是重要的技術品項。
 

圖三、雙足步行機器人技術魚骨圖

資料來源:工研院IEK(2017/6)(2017/6)
圖三、雙足步行機器人技術魚骨圖
 

三、IEK View
 

智慧機器人技術與應用為全球重要的發展趨勢,從傳統的工業機器人,以至賣場服務、居家應用、醫療照護,甚至先進製程。行走功能是機器人發展的重點之一,不過現在國內外仍處於原型開發狀態,隨著關鍵零組件與技術的成本逐漸成熟與降低,例如開發出影像視覺感測器、力觸覺感測器整合至雙足機器人進行運動規劃的解決方案;再來利用穩健步態與機器學習技術,讓服務型機器人透過機器學習而平穩移動的技術發展策略;都將很有機會讓雙足步行機器人在2020年後成為商品。
 

國內自動化技術發展多以應用國外廠商所提供的自動化相關產品為主,自主技術層級有待突破。新世代的機器人導入智慧型化技術須具備有高靈敏度的感知能力,因此,環境感測模組的開發與整合應用為台灣廠商的發展機會。
 

台灣已具備視覺、力覺模組生產廠商,且ICT產業鏈完整,整合視覺資訊與其他感測訊號,並透過軟體運算後轉換為智慧型機器人環境感知資訊(空間中各種物體之位置訊號),此項範圍型環境感知技術的創新應用有助於普及智慧型機器人於新世代的人類生活與工作中。
 

也就是佈局可量產化機器人產品之關鍵模組與技術,配合智慧機械政策引導自動化產品百花齊放,引領台灣精密機械廠商投入人工智慧應用發展領域,並加速關鍵零組件技術的建構。帶動國內感測器與自動化技術由工業自動化市場擴展至服務型機器人應用市場,以靈活度更高的步態機器人獲得生產力與競爭力提升,並為國際樹立台灣能發展出智慧化、高精度化、複合化之標竿機器人產品;將有益於擴展台灣ICT與精密機械業者之現有技術的發展應用。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


* 點閱數1890
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁