2022 年 6 月出版
科儀新知 第 231 期
人物專訪
「大處著眼、小處著手」－臺灣機器人教父羅仁權教授勤勉耕耘之道 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林麗娥
由於資通訊 (ICT) 技術的快速發展，加上全球面臨勞動人力不足，各國紛紛投入智慧機器人研發，希望讓機器人從事更為精確細膩、附加價值高、生產彈性更大的工作。在疫情推波助瀾下，零接觸需求更掀起了智慧型自動化的風潮。鑑於此，《科儀新知》231 期即以「智能機器人與自動化」為專題，介紹相關新興技術的發展與應用。而在臺灣，只要與自動化及機器人相關的場合，幾乎都看得到羅仁權教授的身影。本期特別專訪素有「臺灣機器人教父」美譽的羅教授，帶領大家認識這位臺灣機器人的領航者，藉此了解臺灣發展機器人產業的機遇與挑戰，以及需要掌握的關鍵技術。
羅教授鼓勵大家，做任何事都要從「大處著眼，小處著手」。從「大」和「小」這兩方 面入手，就是從大的目標和格局去觀察思考，從小的地方去動手。既要從全局和長遠的觀點出發去考慮問題，也要在具體事情上一件件務實地做好，做出成績、建立信譽，才可以讓人 心悅誠服，如此不管擔任任何職務才能讓你所到之處，面對任何艱難環境與困難，都能攻無不克。
智能機器人與自動化
「智能機器人與自動化」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
陳亮嘉
近年來資通訊 (ICT) 技術的持續演進，運算速度提升與成本的降低，對機器人技術的普及與實用化有推波助瀾的效果。舉凡從產品製造的流程組裝，到日常生活的輔助和服務，各式因應產業或生活上的需求，進行技術整合所設計研發出的機器人系統，已逐漸深入我們身處的環境與各式場所之中。
機器人技術的應用有很大的不同，例如儲存貨架、在危險環境中焊接金屬、進行化學品的替換作業等等，就機器人的移動上可分為行動與固定裝置的機器人。可行動機器人，包含自主移動機器人 (autonomous mobile robot, AMR)、自動導引車 (automated guided vehicle, AGV)、人形機器人 (humanoid robot) 與混合式機器人 (hybrid robot)；固定裝置機器人則包含鉸接式機器人 (articulated robot)、協作機器人 (collaborative robot)。
尤其 COVID-19 疫情影響下，各行各業對機器人和自動化技術需求與日俱增，不少業者將自主移動機器人(AMR) 與自動導引車 (AGV) 結合感測器、人工智慧 (AI)、電腦視覺技術，應用於物流、倉儲、工業、醫療和電商等領域，需求持續穩健成長。疫情催化機器人產業蓬勃發展，也填補因疫情造成的短期勞動力缺口。
本期即以「智能機器人與自動化」為專題，介紹相關新興技術的發展與應用。諸如「應用影像深度學習於人形機器人足球賽之即時物件偵測」一文，其所提出的深度學習機器視覺系統，能夠正確且有效識別出足球目標物件，並能在較為複雜的視野環境中，檢視出一般影像處理流程；屬於鉸接式機器人的「使用適應導納控制於安全直觀之機器手臂手動導引以提高使用便捷性」，則是提出一可自動調變參數的適應導納控制律，用以改變機器人在工作空間中關鍵區域的順應性。還有屬於協作機器人的「應用於微創脊椎手術之手持式輔助機器人」，介紹了手持式機器人在脊椎微創手術的應用，提出了並聯式機構對刀具定位誤差自動補償，協助醫生克服手部震顫干擾進行精準定位。本期專題內容豐富精彩可期，期望讀者在作者群深入淺出的介紹下，激發讀者新的研究想法與方向，擴大並深化機器人在各產業的應用範疇，鞏固臺灣高附加價值製造業的根基。
應用影像深度學習於人形機器人足球賽之即時物件偵測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林昆鋒, 郭重顯
RoboCup 為全球人形機器人之重要比賽之一，其中雙足人形機器人足球賽除了需考慮到雙足動態步行之穩定性外，也需進行即時物件偵測、辨識與定位，以作為自主決策與運作之依據。所探討之人形機器人搭載 NVIDIA Jetson TX2 嵌入式人工智慧運算器實現機器人視覺即時偵測、辨識之運算，並以深度學習卷積神經網路開發，導入 You Only Look Once 網路進行足球與機器人類別之偵測與辨識。此一成果在 RoboCup 2017 賽事進行實際驗證，並獲得中型組人形機器人足球賽第二名成績。
以並聯機器人呈現大範圍之三維虛擬阻抗 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
藍兆杰
觸覺回饋裝置用於向操作者傳輸阻抗，以模擬虛擬或真實環境的阻抗。現有的觸覺回饋裝置使用串聯或並聯機器人來提供多維度的阻抗。這些機器人通常具有非恆定雅可比矩陣，導致工作空間內某些區域的動態特性差和阻抗穩定性限制低。考慮到這些區域，虛擬勁度呈現的範圍有限。本文提出一種三自由度平移並聯機器人，在整個工作空間中具有恆定的雅可比矩陣。一致的動態參數允許呈現大範圍的虛擬勁度。為了提供高勁度呈現所需的大且準確的輸出力，以串聯彈性致動器驅動並聯機器人。串聯彈性致動器可用於大幅降低齒輪摩擦和輸出端慣量，以更準確地控制輸出力量和阻抗。本文將介紹觸覺回饋裝置的設計、動態模型和三維阻抗控制，並以多維阻抗和虛擬牆控制實驗，證明觸覺回饋裝置的準確性和呈現範圍。由於虛擬勁度的穩定範圍比現有的裝置要大得多，因此預計這種新型裝置可用於為軟硬環境提供準確的勁度呈現。
使用適應導納控制於安全直觀之機器手臂手動導引以提高使用便捷性 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
雷耶斯, 蕭得聖
當使用者施加外力於機器人的末端效應器時，若能保證人機互動的安全與流暢，則手動導引可以有效地提高機器人使用時的便捷性。本文提出一可自動調變參數的適應導納控制律，用以改變機器人在工作空間中關鍵區域的順應性，例如奇異點附近、關節角度極限和工作空間極限位置，以實現平穩和安全的操作。此外，透過三維輪廓追蹤實驗比較不同參數調變法則，驗證本文所提出之方法能以較短的任務執行時間達成較高之精度。
應用於微創脊椎手術之手持式輔助機器人 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
顏炳郎, 朱怡靜
手持式手術機器人可維持醫師原有的操刀習慣，並在手術室佔用空間較小、不會受限於特定環境，具有靈活性及多元的應用性。本文從目前對手術機器人的普遍認知出發，針對微創脊椎手術之需求，介紹手持式手術機器人的組成結構與技術特點。最後通過實驗證明，手持機器人有能力協助醫生克服手部震顫，共同操作手術器械將植入物沿正確路徑進行固定。
感測器和機器人技術的集成與應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
李貫名, 林宗宏
感知型機器人通過人與機器人互動的感知活動，在醫療和製造部門等實際環境中是非常具有意義的。而感知型機器人的結構複雜性所造成感測器在幾何定位上的困難以及提出相應的解決方案，一直是感知型機器人發展的主要挑戰。通過三維印刷工藝將三維電子組件集成到三維結構中，可以作為有潛力的解決方案以設計應用於實際的感知型機器人系統。而三維印刷工藝主要又可分為擠壓成型法及化學沉積法。三維印刷工藝所提供的優勢在於可以在一次設置中製造複雜的三維電子設備結構，允許設計上的靈活性和定制功能的便利。因此，透過三維感測器系統的平臺，並進一步研究其擴展到機械、化學和生物醫學領域之感知型機器人。
諧波減速機致動器回授控制之力矩估測技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林峻永, 李志元, 陳文豪
本論文提出諧波減速機致動器機器手臂之力矩估測和控制技術，使用諧波減速機柔性模型估測力矩，最後應用估測力矩於關節力矩回授控制。透過扭轉角與力矩之關係估測力矩，經由光學尺量測位置訊號同時進行位置和力矩的估測。此力矩估測方法及關節力矩感測器與關節力矩回授控制經過數值模擬及實驗驗證並可以應用於機器手臂，如順應外部力矩、抵抗外部力矩及增加控制精度。
科儀專欄
慣性量測單元應用於工具機姿態量測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林彥勳, 吳仲偉, 林奕成, 蕭文澤, 曾立維
本研究主要目的是將慣性量測單元安裝於工具機上進行工具機傾角的姿態量測，透過慣行量測單元中的加速規及陀螺儀所量測到的加速度及角速度訊號進行換算為傾斜角度訊號。為了提升量測角度的準確度，本研究使用卡爾曼濾波器及互補濾波器對兩者訊號進行資料融合，兩種濾波方法可以有效的抑制雜訊及提升精度。
發展高色準成像系統用於量化及細分尿糖試紙呈色 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林宇軒, 李承儒, 蔡心怡, 周俊翰, 黃國政
尿液試紙常用於粗略判斷某些疾病的病程，比如腎臟病、糖尿病與肝膽疾病等。其中，糖尿病的病況發展可透過專業的尿糖試紙來初步評估。尿液中過多的葡萄糖會與試紙中的化學物質發生反應，然後呈現出適當的顏色，以供人類觀察和判斷。一般來說，試紙的顏色只能通過目測來判斷尿液中葡萄糖的大致濃度，分析上較粗略並有因人而異的判斷風險；而準確的定量則須仰賴專業的電化學分析設備，但其設備價格高昂 (數十萬)，檢測時間亦冗長 (≥ 數小時)，在便利性上不佳。在這項研究中，我們提出了一種具有顏色校正功能的成像系統來量化尿糖試紙的顏色，其能提升傳統試紙檢測的精密度，成本上亦不致如電化學分析設備般高昂，僅需 1/3－1/5 硬體成本。本技術透過高演色照明、局部暗室和色彩演算法的組合，來實現色彩偏差小於 3 的取像色彩準確度，並建立了更適合人類觀察的色彩分佈顯示方法。此外，我們亦發展了色票貢獻分析法，來對尿液中的葡萄糖濃度進行數值性的量化。結果顯示，我們開發的系統可以大大提高尿糖試紙的分辨率。這項研究提供了一種低成本、高品質的檢測概念，未來將可用於家庭醫療診斷和相關的慢性病應用。
