杜以會(huì)

日本新力公司研發(fā)的人形機(jī)器人Sony Qrio，會(huì)走路，會(huì)跳舞，能與人互動(dòng)，能辨識(shí)人臉，在它上方有7個(gè)麥克風(fēng)，倘若有人和它說(shuō)話，它就會(huì)把頭轉(zhuǎn)過(guò)去與對(duì)方互動(dòng)。約在五六年前，人們放了一個(gè)機(jī)器人到埃及金字塔里執(zhí)行探險(xiǎn)任務(wù)，它的前端有攝影機(jī)，身上有操作工具，因?yàn)槟茏灾饕苿?dòng)，所以進(jìn)入金字塔以后，除查看墻壁后面或更深層地方是否有傳說(shuō)中的寶藏外，也順道把附近的情況拍攝下來(lái)。

美國(guó)iRobot公司研發(fā)制造的無(wú)人駕駛戰(zhàn)斗車Stryker，移動(dòng)速度可達(dá)90 km／h以上。這意味著可以把具有良好行動(dòng)能力的機(jī)械人放到戰(zhàn)場(chǎng)上探索敵情，如果裝上武器或許還可以打擊敵人。

機(jī)器人學(xué)是一門整合電子學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)里相關(guān)軟硬件技術(shù)的跨領(lǐng)域?qū)W科。機(jī)器人也有不同種類，凡是能把類似人類或動(dòng)物智慧表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)器人，統(tǒng)稱為智慧型機(jī)器人。這類機(jī)器人具備各種可以配合計(jì)算機(jī)程序運(yùn)作的感測(cè)器，它的計(jì)算機(jī)程序里有許多設(shè)計(jì)好的行為，這是機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化采取行動(dòng)的原因，就好像人類或動(dòng)物能適應(yīng)環(huán)境變化產(chǎn)生行為一樣。

更有些智能機(jī)器人可以與人互動(dòng)或具有學(xué)習(xí)能力，這類機(jī)器人的計(jì)算機(jī)軟件必須更進(jìn)步才能把事情做得更好，但這只是一個(gè)概念，相關(guān)研究仍在進(jìn)行中。

依據(jù)使用性質(zhì)，機(jī)器人可分成兩大類，一類是在工廠里使用的工業(yè)機(jī)器人，另一類是服務(wù)型機(jī)器人。后者可再細(xì)分成專業(yè)服務(wù)型機(jī)器人和家用機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展比較早，現(xiàn)在已是一個(gè)穩(wěn)定中求成長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟(IFR)統(tǒng)計(jì)，2007年-2009年期間，全球工業(yè)機(jī)器人年平均增長(zhǎng)約5.6％。

而在專業(yè)服務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域中，用來(lái)輔助醫(yī)生的機(jī)器人已經(jīng)嶄露頭角，不少大型醫(yī)院里添購(gòu)的輔助性設(shè)備，有些就稱為醫(yī)療輔助機(jī)器人。一位技術(shù)精良的醫(yī)生倘若有機(jī)器人的輔助，就可使用較少的力氣或在不那么勞累的情況下為病人動(dòng)手術(shù)，不但能做更多手術(shù)，也可以延長(zhǎng)為病人動(dòng)手術(shù)的年齡。

至于家用機(jī)器人，則是相當(dāng)受矚目的新興產(chǎn)業(yè)。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2005年為止，使用的家用機(jī)器人已超過(guò)250萬(wàn)臺(tái)，2006年-2009年會(huì)再增加約500萬(wàn)臺(tái)。這些數(shù)據(jù)代表一個(gè)意義：家用機(jī)器人將逐漸走入家庭與辦公室，提供居家看護(hù)等服務(wù)性工作。

研發(fā)居家照護(hù)機(jī)器人

事實(shí)上，家用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)力已經(jīng)浮現(xiàn)。日本政府因?yàn)檎J(rèn)同人形機(jī)器人最適合在家庭中使用，所以提供大量經(jīng)費(fèi)協(xié)助大型機(jī)構(gòu)投入研究。韓國(guó)人樂觀地估計(jì)，2012年后，他們的機(jī)器人產(chǎn)值可達(dá)2500億美元。英國(guó)人比較保守，但也估計(jì)4年內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)值約達(dá)590多億美元。

上述估算各有各的統(tǒng)計(jì)背景，有的只計(jì)算最終產(chǎn)品，有的可能把組件和周邊產(chǎn)業(yè)計(jì)算進(jìn)去。無(wú)論如何，這些龐大的數(shù)字都意味著，這是一個(gè)可以帶來(lái)很多就業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)利益的產(chǎn)業(yè)。臺(tái)灣從2005年開始積極發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，希望在2020年成為智能型機(jī)器人的主要制造國(guó)之一。

然而究竟什么樣的人想購(gòu)買家用機(jī)器人呢?2007年6月在美國(guó)佛羅里達(dá)州舉行的一場(chǎng)機(jī)器人研討會(huì)中，有位學(xué)者分析指出：40歲左右的婦女是購(gòu)買吸塵機(jī)器人的主要族群。家庭主婦在20多歲到30歲結(jié)婚后開始操持家務(wù)，到40歲時(shí)逐漸感到操持家務(wù)的辛苦而希望有個(gè)幫手。由于除草是西方生活的工作事項(xiàng)之一，所以自動(dòng)除草機(jī)器人的產(chǎn)值也預(yù)估會(huì)逐漸增加，其他如娛樂休閑機(jī)器人、伴侶機(jī)器人、保安機(jī)器人、居家看護(hù)機(jī)器人等也會(huì)逐漸普及。

在上述眾多需求中，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以照護(hù)獨(dú)居老人為目標(biāo)，研發(fā)出居家照護(hù)機(jī)器人蘿拉。蘿拉能偵測(cè)老人的跌倒?fàn)顩r，能主動(dòng)巡航至老人身邊提供協(xié)助，能追蹤人臉，還能以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實(shí)時(shí)地把影像傳給家人及醫(yī)師，使老人得到及時(shí)的援助。不過(guò)這些服務(wù)必須整合一些技術(shù)。首先，蘿拉必須是一個(gè)具有自主移動(dòng)能力的機(jī)器人。其次，蘿拉所在的環(huán)境必須是一個(gè)預(yù)先布建傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。最后老人身上，必須佩戴人體姿態(tài)傳感器。

透過(guò)人的聲音與人互動(dòng)

如果從組成角度看，機(jī)器人可分成3個(gè)組成要素。第一是感應(yīng)器，唯有透過(guò)攝影機(jī)、麥克風(fēng)、紅外線傳感器、超音波感測(cè)器、鐳射掃描儀等傳感器，機(jī)器人才能接收外界信息，知道環(huán)境狀態(tài)。例如，透過(guò)環(huán)狀超音波感測(cè)器偵測(cè)與物體之間的距離后，機(jī)器人會(huì)朝沒有障礙物的空間移動(dòng)。又如，有科研人員把數(shù)組麥克風(fēng)研究成果整合到機(jī)器人身上，利用環(huán)形麥克風(fēng)數(shù)組及訊號(hào)處理線路，可以計(jì)算得到聲源方向的資訊，也可以濾除環(huán)境中的噪聲。因此如果不是人的聲音，機(jī)器人不會(huì)理睬，只有人的聲音機(jī)器人才有反應(yīng)。換個(gè)方式說(shuō)，機(jī)器人能透過(guò)人的聲音與人互動(dòng)。

計(jì)算是機(jī)器人的第二個(gè)組成要素，透過(guò)微電腦、微控器、數(shù)位訊號(hào)處理器，或一些嵌入式軟硬件，可以計(jì)算出機(jī)器人該執(zhí)行哪些動(dòng)作。譬如抓取對(duì)象時(shí)，攝影機(jī)要先找到對(duì)象，要計(jì)算對(duì)象與機(jī)器人的關(guān)聯(lián)性，才能決定角度、輪子速度，然后朝對(duì)象靠近，靠近時(shí)還要知道在什么時(shí)候抓取最恰當(dāng)。

另一個(gè)情況是，機(jī)器人與人互動(dòng)時(shí)，必須知道人臉在哪里。在計(jì)算的時(shí)候，機(jī)器人上方的攝影機(jī)有一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，機(jī)器人本身有一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，人的視界也有一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人追蹤一個(gè)人或一個(gè)對(duì)象時(shí)，攝影機(jī)會(huì)得到一個(gè)坐標(biāo)值，還會(huì)透過(guò)人的視界上的命令對(duì)這個(gè)目標(biāo)產(chǎn)生一個(gè)互動(dòng)或一個(gè)操作行為，在過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多計(jì)算，因此背后就有一大堆程序需要撰寫。

當(dāng)然研究者也希望機(jī)器人能提供一些與人互動(dòng)的行為，在心情不好的時(shí)候，機(jī)器人可以嘗試安慰，如果發(fā)生異狀，機(jī)器人能夠提供協(xié)助。因?yàn)橐c人互動(dòng)，所以必須具備辨識(shí)喜、怒、哀、樂等臉部表情的機(jī)制。研究人員以生氣、快樂、中性、悲傷、驚訝等5種面部表情為主，透過(guò)辨識(shí)器，使用“支持向量機(jī)”理論，令機(jī)器人在兩種表情中挑選比較像的一個(gè)，然后再與另一個(gè)表情做比較挑選。如此經(jīng)過(guò)多次的比較與挑選后，就能把最接近事實(shí)的臉部表情挑選出來(lái)。

機(jī)器人行為是仿生物行為

組成機(jī)器人的第三個(gè)要素是制動(dòng)器，如直流馬達(dá)、RC Servo(平常用于遙控飛機(jī))、油氣壓等，有了制動(dòng)器以后才能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。對(duì)于機(jī)器人行為的控制，有一個(gè)BBR(behavior based robotics)理論認(rèn)為：我們賦予機(jī)器人很多行為，這些行為都是仿生物行為。即看到動(dòng)物的一些簡(jiǎn)單行為，把這些行為累積起來(lái)就可以做出復(fù)雜動(dòng)作，產(chǎn)生復(fù)雜行為。

可是仍有一個(gè)問題：機(jī)器人能夠閃躲障礙物，也能抓取物件，如果機(jī)器人接收到同樣的影像與信息時(shí)，它該閃躲還是抓取對(duì)象呢?我們對(duì)于機(jī)器人的需求必定是多功能性的，機(jī)器人如何因時(shí)因地選擇它的行為，這是科學(xué)家正在努力研究的議題。

回頭談?wù)剻C(jī)器人蘿拉。蘿拉提供的居家照護(hù)服務(wù)，必須在“布建Zigbee無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”的環(huán)境中才能運(yùn)作。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)2.4G Hz的無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路，因此老人與機(jī)器人身上，必須各佩戴一個(gè)Zigbee傳感器模塊，才能使得老人的訊息與環(huán)境信息全部集中在機(jī)器人身上。在這個(gè)環(huán)境中，科研人員以研制的模塊與傳感器連結(jié)，并以無(wú)線訊號(hào)強(qiáng)度設(shè)計(jì)其定位感知功能。因此機(jī)器人只需連上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，便能獲得居家照護(hù)訊息。

老人身上佩戴的傳感器模塊稱為“人體姿態(tài)偵測(cè)模塊”，里面包括Zigbee芯片、微控器以及3軸加速度傳感器。3軸加速度傳感器可用來(lái)量測(cè)加速度訊號(hào)，然后再?gòu)挠嵦?hào)中分離出“靜態(tài)加速度”與“動(dòng)態(tài)加速度”。從靜態(tài)加速度(由重力加速度產(chǎn)生)的值，可以研究判斷老人是坐著、站著或躺著；從動(dòng)態(tài)加速度的值，可以分析老人是跌倒、走路或正在上下樓梯。而這套加速度量規(guī)偵測(cè)跌倒信息的成功率達(dá)93％，且這個(gè)模塊可以系在腰際，不致產(chǎn)生被監(jiān)視的感覺。

機(jī)器人時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨

總而言之，在Zigbee無(wú)線感測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境中，可以經(jīng)由Zigbee芯片把偵測(cè)到的感測(cè)值傳給機(jī)器人蘿拉。萬(wàn)一老人出現(xiàn)狀況，Zigbee網(wǎng)絡(luò)立即定位，蘿拉可以實(shí)時(shí)地透過(guò)雷射掃描儀，避開障礙物，移動(dòng)至老人身邊，還會(huì)以攝影機(jī)追蹤老人的臉，把人臉影像以無(wú)線傳輸方式傳到家人手機(jī)或視訊屏幕上。這是一套整合定位、導(dǎo)航、跌倒偵測(cè)、視訊會(huì)議、視覺追蹤、遠(yuǎn)程控制、影像傳輸?shù)榷囗?xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)。

機(jī)器人之所以吸引我們，主要是它充滿各種可能性，而且具有創(chuàng)造龐大利潤(rùn)的機(jī)會(huì)。日本早稻田大學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)是一位機(jī)器人學(xué)者，他的演講發(fā)人深?。骸皺C(jī)器人在舞臺(tái)上作秀，在舞臺(tái)上表演的時(shí)代應(yīng)該告一段落。我們現(xiàn)在應(yīng)該關(guān)心、應(yīng)該趕快開發(fā)機(jī)器人來(lái)支持我們的生活，來(lái)協(xié)助社會(huì)或生活上的一些需求?！边@個(gè)結(jié)論道出了機(jī)器人的真正價(jià)值，也提醒我們使用機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。