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【學人投稿】科幻電影不是夢!日本人型機器人之現況發展

【科幻電影不是夢!日本人型機器人之現況發展】

本田技術研究所

洪舜傑

 

        從漫畫裡的哆啦A夢,到製造業無人組裝工廠內的巨大機器手臂,機器人的未來應用總是令人充滿想像。筆者現任職的本田技術研究所,於1980年代開始即進行二足機器人之研發。2000年時發表了身高130公分的人型機器人「ASIMO」,更於2017年IROS學會上展示了新型的救災型機器人「E2-DR」(註1)。人型機器人在整體機器人產業中,雖仍處於仰賴大量經費的研究開發階段,不過在近年日本社會面臨高齡化、勞動力不足或是災難救援等社會課題時,總是被寄予活用的期待。更且加上日本製造業發展中,所累積的控制、致動系統等技術優勢,輔以當今蓬勃發展的人工智慧、機器視覺等研究領域成果,使得更安全、更方便的人型機器人應用社會指日可待。本篇文章簡介日本人型機器人的硬體與軟體技術內容,以及其商用化市場的概況。

 

        相較於人體身上600多條骨骼肌、200多塊骨頭所構成的複雜自由度以及驅動性能,人型機器人目前為止至多僅有約50個自由度表現(未含精巧型機器手掌)之機構設計。所使用的致動器中,無論是主流的馬達類型或是油壓、空壓、人工肌肉驅動類型,皆需搭配位置或扭力感測器與高反應體內網路,才能達成精準的控制輸出。人型機器人的硬體挑戰項目眾多,例如散熱系統、高容量電池技術、防水防滴防塵等,都是長期運用時所需面對的課題。前段提及之「E2-DR」,在馬達(開發出腿部等高扭力需求型處使用之低電壓三相獨立馬達)與體內網路上(使用光纖通訊電纜與低遲延性網路,實現1000~2000Hz的即時處理頻率)達成了輕量與高效能的設計,讓重量僅有約85公斤(美國Boston Dynamics開發之Atlas人型機器人現約150公斤)的人型機器人能於災難現場發揮救災實力。

 

        介於機器人的系統軟體(大致區分為即時型OS,例如VxWorks,與非即時型OS,例如Linux。後者漸趨多數採用)和應用軟體之間的中介軟體(Middleware)方面,由日本産業技術總合研究所主導開發之OpenRTM-aist是目前許多人型機器人開發團隊的選擇。該組織至今研發多款HRP系列機器人,更於2018年發表了最新型機器人HRP-5P,期許成為新一代人型機器人的共同研究平台。眾多的中介軟體(例如本田技術研究所開發之HRTM等)各有特色,依據需求可作單選或是混合搭配。中介軟體的選擇偏好之相關統計資訊雖不明朗,但可觀察出,現今日本抑或是世界上仍以ROS、ROS2為使用首選。ROS以開放式的模組導向開發模式,集結了廣大的開發者社群,進而正向回饋地產生出許多高效率開發工具。值得一提的是,筆者曾於ROSCon 2018(2018年於西班牙馬德里舉辦之ROS開發者大會,註2)中,於清一色的歐美以及日韓(Renesas社、Denso社、YUJIN ROBOT社等)與會團體中,接觸了我國工業電腦大廠凌華科技(ADLINK Technology Inc.)。凌華科技承接了贊助廠商角色,提供該公司的工業物聯網應用解決方案(DDS系統,為上述ROS2特色之一)予廣大機器人開發社群,令人印象深刻。

 

        人型機器人的應用軟體中,目前仍著重於環境適應以及運動能力的穩健性提升。拜神經網路學習、高性能GPU計算、與開放式資料庫所賜,環境適應(地面與環境觀察、碰撞或異常檢測、行動計畫)所需面對的複數感測器資訊融合、機率型演算法以及經驗學習理論等,皆有日新月異的進展。另一方面,運動能力的提升,始於1970年代日本早稻田大學開始的二足步行研究。發展出倒單擺模型、目標ZMP模型、地面反向力控制等理論,同時搭配順應性控制器、力矩型控制器手法,達成柔軟地吸收環境回傳的不確定力回饋之餘,穩健地完成步行、跑步等活動目標。上述應用軟體之外,「Human in the loop」設計手法也為近年日本機器人產業頗為倡導的概念之一。原始於製造業工廠的生產線上,人類作業員與機器手臂的相互合作,衍生成為未來機器人於人類社會提供服務時,所需具備的協調學習能力(多以強化學習為手段)以及人機界面(HMI之UX設計)等等的研究課題。另一方面,人型機器人(或是機械化有機體)的思考演算法於將來可能會產生的倫理問題(也稱特異點問題,Robot singularity),相較於歐美,日本產官學界的討論度並不甚高。

 

        日本人型機器人商用化市場的概況,相較於美國國防部與NASA對於機器人產業之大力贊助與推廣(例如DARPA Challenge、iRobot之商用化、Valkyrie人型機器人等),仍仰賴各家製造業大廠(前述以外尚有IHI社、川崎重工等)、學術機構(東京大學JSK實驗室、大阪大學石黒研究室等)與新創公司(Preferred Networks等)的個別努力。目前為止,除了工業用機器手臂以外,較為成功的商用化成果大致僅為汽車自動、輔助駕駛領域之技術轉移(SLAM技術)與SoftBank社的接待型機器人Pepper。令人耳目一新的是,除了自律型人型機器人,具有操縱端Master與執行端Avatar的遠端操縱型(Tele-operation)之研究開發也於近年備受矚目。降低未來人類執行任務時的負擔與風險為出發點,Toyota社所開發T-HR3機器人(遠端看護用途)、新創公司GITAI社(太空任務執行用途)、與全日空航空以及日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)所聯盟企劃的「AVATAR X Program」等,讓科幻電影般的人型機器人應用令人更加期待。

 

(註1)IROS 2017會議論文「Development of experimental legged robot for inspection and disaster response in plants」

(註2)ROSCon 2018網站 https://roscon.ros.org/2018/

更新日期 : 2019/08/07