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2018-10-22
打造智慧型機器人 推動科技產業進化
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機器人研究團隊:(左起)電機系許陳鑑主任、包傑奇教授、呂藝光教授、蔣欣翰副教授、王偉彥教授、陳瑄易副教授
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電機系團隊參與2015 年國際智慧型人型機器人競賽(Intelligent Humanoid Robotics)榮獲全能(總成績)冠軍
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電機工程系主任許陳鑑(右一)、教授包傑奇(Jacky Baltes)(右二)、王偉彥率(左一)領機器人團隊,榮獲IEEE IROS 人型機器人應用挑戰賽第一名。

電機系成果卓越.表現斐然

近年來經常受媒體關注報導的「機器人競賽」新聞,或許你會產生陌生又熟悉的感覺。自從「人工智慧」這個名詞在1956年首次被提出之後,已歷經60餘年的發展,此研究領域有許多待突破的研究瓶頸,多年來研究成果起伏互見,近兩年來,「人工智慧」隨著科技躍進式發展,又再度成為科技先進國家的重視焦點,紛紛加碼投入對人工智慧機器人領域的研究。表面上是一場機器人競賽,背後其實是一個國家對其製造業、資通訊技術產業的實力展示,也是一個國家的青少年創新能力的展現。

國立臺灣師範大學電機工程學系以「系統晶片」、「多媒體與通訊」與「智慧型控制與機器人」三大領域為核心發展方向,近幾年在機器人的研究上成果卓越,表現斐然。由系主任許陳鑑教授與王偉彥教授所帶領的學生團隊,除了連續三年稱霸教育部主辦的國際智慧人形機器人競賽(International Competitionon Intelligent Humanoid Robotics), 三度獲得「全能冠軍」外,也在2014 國際機器人足球聯盟(The Federation of International Robot-soccerAssociation, FIRA)的機器人世界賽(RoboWorldCup)中榮獲爬梯(Wall Climbing)第一名、舉重(Weight Lifting)第二名與全能(All Round)第三名,2015 年首度參與IEEE 機器人與自動化國際研討會(2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA)的人形機器人應用競賽,一舉拿下銅牌,2016 國際機器人足球聯盟(FIRA)的機器人世界賽中榮獲遠端遙控(Mini-DRC)項目第一名及第二名、爬梯(Wall Climbing) 第二名、馬拉松(Marathon) 第三名,2017 FIRA RobotWorld Cup榮獲遠端遙控(Mini-DRC) 第二名、馬拉松(Marathon) 第二名、射箭(Archery) 第三名、舉重(Weight Lifting) 第三名;2018 FIRA 世界盃智慧機器人運動大賽榮獲全能(All Round)項目第二名、來回快跑(Sprint)項目第一名、馬拉松(Marathon)項目第二名、避障(Obstacle Run)項目第二名、足球罰踢(Penalty Kick) 項目第二名、舉重(Weight Lifting)項目第三名,以及小型DARPA機器人挑戰賽(Mini DRC)項目第三名;總計在過去8年共獲得國內外機器人競賽近百個獎項。

電機系機器人團隊,歷時多年所研發的人形機器系統,不但穩定性高,更能精準的展現爬梯、吊單槓和閃避等複雜動作,來回快跑、舉重、障礙物行走、不平地面行走等項目也難不倒它,充份體現臺師大科技與工程學院的研究能力與成果。

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應邀於2016 年資訊展之「探索機器人主題館」展出 FIRA RoboWorld Cup 獲獎獎盃

屢獲國際獎項及專利肯定

電機系機器人團隊的六位教授不僅接連拿下國內外獎項,多年來的研究也獲得國際肯定,包含近五年共發表43 篇SCI 等級的期刊論文、取得國內36項專利、執行20 個科技部計畫及13 件產學合作案,但電機系機器人研究團隊並不因此自滿,仍然兢兢業業的持續針對需要調整的項目進行技術上的改良調整,因為他們對智慧型機器人寄予更崇高的理想,期望這些技術能造福人類社會。

為能早日達成這個目標,從多年前即開始針對各自的專業領域進行研究,打造出具有人工智慧、完全自主的各類型機器人,包括「自主式履帶機器人」、「跨樓層公文傳遞機器人」、「復健機器人」、以及「智慧型人形機器人的開發與設計」等。

王偉彥教授主導研發的履帶機器人,可以藉由擺動前後臂,改變整體的幾何形狀,兩側的履帶不斷偵測樓梯的高度和角度藉以調校高低,使其能夠自主攀爬樓梯與斜坡等崎嶇不平的路面。耗時三年的新一代機器人,改良了前兩代的缺失,增加過水坑的功能,並且克服下坡或下樓梯時,會產生的重力加速度,移動速度更加平穩迅速,負載重量也提升許多。此外,擺臂式履帶機器人因為搭載RGB-D感測器與超音波感測器,可以偵測樓梯的角度和坡度,並識別不同類型的路面與障礙物,因此無論是在室內或室外、白天或黑夜,它都可以主動巡邏,只要使用電腦或智慧型手機連結系統,就能夠隨時監看機器人的巡邏狀況,掌握一切異狀,未來可望發展成為保全機器人,取代人力的巡邏任務,甚至進行救災任務。這項研究的相關技術,已經取得發明專利,2016年資訊月時應主辦單位邀請在「探索機器人主題館」展出,吸引蔡英文總統的目光,駐足多時、詳加詢問。目前這套系統能夠利用它自動爬樓梯的功能,巡邏各樓層,以彌補夜間保全人力不足的情形。

另外,氣動式下肢步態訓練及復健機器人是由蔣欣翰副教授主持的研究計畫來執行,所開發的復健機器人系統以「氣壓缸」驅動,採用嵌入式系統平台設計控制系統,與一般市場上多數使用馬達驅動的下肢步態訓練系統有所不同,不但減少了驅動所需要的元件,也不用加裝額外的減速系統,具有體積小、輕巧性高的特性,完全符合復健醫學理論中「只有儘量模仿人體正常行走的步態,才能達到最佳的復健效果」的需要描述,同時也大幅提升操作上的順暢度與安全性,又因為構造相對簡單,生產成本較低,極具學術研究價值與市場競爭力,可以應用於中風腦傷與脊髓損傷病人的步行復健訓練。

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跨樓層輪型文件傳遞機器人 第三代自主式履帶機器人具爬梯功能

專研領域 匯流為巨大研究能量

臺師大電機系系主任許陳鑑教授提出「跨樓層輪型文件傳遞機器人」研究計畫,要設計開發一部能夠在環境已知的大樓中自主導航的輪型機器人,搭配影像及機械手臂,能夠自主搭乘電梯到達目的地樓層,再配合開發智慧型手機的相對應應用程式,使用者可以簡單的使用手機應用程式,傳遞目的地資訊給機器人,導引機器人前往指定目的地。為了讓定位更準確,團隊針對定位演算法,提出了「嵌設錯誤修正向量的蒙地卡羅定位法」,強化感測器資訊的可靠度,不只用來判別粒子的好壞與否,更可以進一步得知下一刻時間的參考向量,對開發室內環境導航系統很有幫助。未來可望將此自動導引運輸技術,應用至日常居家服務,提供24 小時全天候的送餐、送信、衣物送洗及垃圾處理等服務。

研究團隊所致力於發展的「自主式履帶機器人」、「跨樓層公文傳遞機器人」、「復健機器人」等研究,最終目的都是要協助團隊朝向更崇高的理想前進。一個功能完整的機器人開發,需要整合精密機械、電機電子、資訊通訊、自動化等學術理論與應用技術,是一個高度跨領域的學門,目前團隊正聚焦研究成果,希望能夠整合成為一股巨大的研究能量。

為了提升電機系研發智慧型機器人的能量,系主任許陳鑑教授於去年邀請在國際機器人研究領域擁有高度聲譽及影響力的包傑奇(Jacky Baltes)教授至電機系任教,希望透過包教授在智慧型機器人與人工智慧等領域的專業,與長期累積的研究經驗,為電機系機器人團隊現階段的研究成果,給予更多的改善與研究方向建議,扮演驅動團隊躍進的「火箭推進器」,共同為實現彼此遠大的目標而努力。

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包傑奇教授 電機系大三學生展示人形機器人研究成果

專題式學習 培養動手思考的態度

包傑奇教授是加拿大卡加利大學(University of Calgary)的電腦科學博士,研究專長為機器人地圖建立與定位、智慧型人形機器人、電腦視覺、機器學習等領域。同時他還身兼兩項國際知名機器人賽事的職務,是「人形機器人競賽─ HuroCup 大賽」的創始人,去年底也剛當選國際機器人足球聯盟(FIRA)的主席,顯見包教授在機器人領域的影響力,以及在智慧型機器人領域的卓越成就。

包教授的研究成果相當豐富,更是許多國際性機器人競賽的常勝軍,包括2016 年「RoboCup人形機器人聯賽」獲第一名及第三名、2015 年「IEEE ICRA 人形機器人應用競賽」第一名、2014 年「FIRA HuroCup WorldCup (人形機器人項目競賽)」第二名、第三名,成績斐然。因為長期參與智慧型機器人的運動競賽,包教授也受邀在TED x UManitoba,發表「What can we learn from Robot Athletes?」演講主題,分享目前全球的類人形機器人研究成果,演講過程中,展示人形機器人的動態控制,並分享他多年來對參賽團隊的觀察;包教授深信,在機器人的運動競賽中,獲勝和失敗隊伍之間的差別,通常不是技術技能,而是態度。

包傑奇教授認為,傳統教學的講述法無法幫助學生思考,他喜歡以專題式的學習(Project-based learning)方式進行課程。所謂的「專題式學習」指的是藉由安排複雜且真實的學習活動,提供學習者專題計畫與引導問題,學生在提出解決方案的探索過程中及合作學習的情境下,可以學習如何統整不同領域的知識、增強解決問題的知能與活用知識的技能。

特別是在研發機器人且強調實作的領域,除了技術理論外,實際動手做的能力,更是必備的基本條件。因此,包教授偏好營造出一個空間與氛圍,讓學生相信自己,可以運用所學,親手創造出智慧型機器人,包教授則是扮演從旁輔導的角色協助學生,適時給予建議,完全放手讓學生們主導專題的進度。為了讓學生們可以更快速、順暢的進入學習軌道,包教授通常會請大四或博碩班的學長姐,協助剛進入實驗室的大二、大三學生學習。

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第一代人形機器人 第二代人形機器人

包傑奇教授 享受挑戰新技術新市場

包傑奇教授在國際智慧型機器人領域的知名度與權威影響力,為臺師大電機系師生提供絕佳的國際化環境,他的聲譽吸引新加坡、韓國、印尼及巴西等地學生慕名前來臺師大參與短期學習交流。在進行訪談包教授的過程中,實驗室裡就有兩位來自新加坡的短期訪問學生,他們說,到臺師大進修前,完全沒有任何機器人的相關研究經驗,但是待在包傑奇教授的實驗室裡,短短幾個月的學習,就完成一個「教會機器人如何玩Dr. Eureka 瘋狂科學家」的專案。

此外,電機系師生也和伊朗、加拿大的學生,共同籌組團隊參加RoboCup機器人世界盃,透過與不同文化背景的同儕一起執行專案、合作學習,過程中總能發現到許多意想不到的驚喜,教授、學生們可能會發現解決問題的方法不止一種,並且從不斷嘗試的過程中找到最理想的方案。

隨著人工智慧與軟體影響力逐漸增加,未來人類對這項技術的需求度將愈來愈高,因此人才培育是機器人產業能否長期發展的關鍵。透過鼓勵學生積極參與人工智慧機器人的相關賽事,可以激發學生的創意,並且帶動人才投入機器人設計研發。包教授對臺師大重視學生實作的學習要求感到印象深刻,而這也是他選擇到臺師大任教的原因之一。

包教授表示,臺灣有深厚的製造業根底,有動手做的能力與環境,這些都能讓他持續追求理想,由於臺灣市場已經不需要一台機器可以大量製造同樣的東西,而是希望有一台機器可以做出不同的產品,具備彈性,這個市場需求對包教授而言是極具挑戰性的任務。包教授希望可以結合臺師大在教育方面的強項和現有的機器人核心技術,發展深度學習技術與教育機器人的相關研究,包含人類教導機器人,以及機器人教導人類的「人機互動學習」。

因此,包教授成立教育機器人研究中心,將電機系與臺師大的相關資源集中,以自己本身與電機系機器人團隊參與國際機器人賽事的豐富經驗,期許中心未來能成為推廣更多臺灣學生參與國際相關競賽的平台,同時吸引更多人,對人工智慧、智慧型機器人產生興趣與熱情,共同為臺灣及全球的智慧型機器人發展而努力。

資料來源:國際事務處《鏈》國際專刊、文 許方嘉 | 東亞學系、訪 林融 | 英語學系

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