机器人时代已经来临

杜以会

日本新力公司研发的人形机器人Sony Qrio，会走路，会跳舞，能与人互动，能辨识人脸，在它上方有7个麦克风，倘若有人和它说话，它就会把头转过去与对方互动。约在五六年前，人们放了一个机器人到埃及金字塔里执行探险任务，它的前端有摄影机，身上有操作工具，因为能自主移动，所以进入金字塔以后，除查看墙壁后面或更深层地方是否有传说中的宝藏外，也顺道把附近的情况拍摄下来。

美国iRobot公司研发制造的无人驾驶战斗车Stryker，移动速度可达90 km／h以上。这意味着可以把具有良好行动能力的机械人放到战场上探索敌情，如果装上武器或许还可以打击敌人。

机器人学是一门整合电子学、机构学、自动控制学与计算机科学里相关软硬件技术的跨领域学科。机器人也有不同种类，凡是能把类似人类或动物智慧表现出来的机器人，统称为智慧型机器人。这类机器人具备各种可以配合计算机程序运作的感测器，它的计算机程序里有许多设计好的行为，这是机器人能适应环境变化采取行动的原因，就好像人类或动物能适应环境变化产生行为一样。

更有些智能机器人可以与人互动或具有学习能力，这类机器人的计算机软件必须更进步才能把事情做得更好，但这只是一个概念，相关研究仍在进行中。

依据使用性质，机器人可分成两大类，一类是在工厂里使用的工业机器人，另一类是服务型机器人。后者可再细分成专业服务型机器人和家用机器人。工业机器人的发展比较早，现在已是一个稳定中求成长的产业。根据国际机器人联盟(IFR)统计，2007年-2009年期间，全球工业机器人年平均增长约5.6％。

而在专业服务型机器人领域中，用来辅助医生的机器人已经崭露头角，不少大型医院里添购的辅助性设备，有些就称为医疗辅助机器人。一位技术精良的医生倘若有机器人的辅助，就可使用较少的力气或在不那么劳累的情况下为病人动手术，不但能做更多手术，也可以延长为病人动手术的年龄。

至于家用机器人，则是相当受瞩目的新兴产业。根据国际机器人联盟统计，截至2005年为止，使用的家用机器人已超过250万台，2006年-2009年会再增加约500万台。这些数据代表一个意义：家用机器人将逐渐走入家庭与办公室，提供居家看护等服务性工作。

研发居家照护机器人

事实上，家用机器人产业的爆发力已经浮现。日本政府因为认同人形机器人最适合在家庭中使用，所以提供大量经费协助大型机构投入研究。韩国人乐观地估计，2012年后，他们的机器人产值可达2500亿美元。英国人比较保守，但也估计4年内的机器人产值约达590多亿美元。

上述估算各有各的统计背景，有的只计算最终产品，有的可能把组件和周边产业计算进去。无论如何，这些庞大的数字都意味着，这是一个可以带来很多就业机会和经济利益的产业。台湾从2005年开始积极发展机器人产业，希望在2020年成为智能型机器人的主要制造国之一。

然而究竟什么样的人想购买家用机器人呢?2007年6月在美国佛罗里达州举行的一场机器人研讨会中，有位学者分析指出：40岁左右的妇女是购买吸尘机器人的主要族群。家庭主妇在20多岁到30岁结婚后开始操持家务，到40岁时逐渐感到操持家务的辛苦而希望有个帮手。由于除草是西方生活的工作事项之一，所以自动除草机器人的产值也预估会逐渐增加，其他如娱乐休闲机器人、伴侣机器人、保安机器人、居家看护机器人等也会逐渐普及。

在上述众多需求中，西安交通大学研究团队以照护独居老人为目标，研发出居家照护机器人萝拉。萝拉能侦测老人的跌倒状况，能主动巡航至老人身边提供协助，能追踪人脸，还能以无线网络传输方式实时地把影像传给家人及医师，使老人得到及时的援助。不过这些服务必须整合一些技术。首先，萝拉必须是一个具有自主移动能力的机器人。其次，萝拉所在的环境必须是一个预先布建传感器网络的环境。最后老人身上，必须佩戴人体姿态传感器。

透过人的声音与人互动

如果从组成角度看，机器人可分成3个组成要素。第一是感应器，唯有透过摄影机、麦克风、红外线传感器、超音波感测器、镭射扫描仪等传感器，机器人才能接收外界信息，知道环境状态。例如，透过环状超音波感测器侦测与物体之间的距离后，机器人会朝没有障碍物的空间移动。又如，有科研人员把数组麦克风研究成果整合到机器人身上，利用环形麦克风数组及讯号处理线路，可以计算得到声源方向的资讯，也可以滤除环境中的噪声。因此如果不是人的声音，机器人不会理睬，只有人的声音机器人才有反应。换个方式说，机器人能透过人的声音与人互动。

计算是机器人的第二个组成要素，透过微电脑、微控器、数位讯号处理器，或一些嵌入式软硬件，可以计算出机器人该执行哪些动作。譬如抓取对象时，摄影机要先找到对象，要计算对象与机器人的关联性，才能决定角度、轮子速度，然后朝对象靠近，靠近时还要知道在什么时候抓取最恰当。

另一个情况是，机器人与人互动时，必须知道人脸在哪里。在计算的时候，机器人上方的摄影机有一个坐标系统，机器人本身有一个坐标系统，人的视界也有一个坐标系统，当机器人追踪一个人或一个对象时，摄影机会得到一个坐标值，还会透过人的视界上的命令对这个目标产生一个互动或一个操作行为，在过程中会产生许多计算，因此背后就有一大堆程序需要撰写。

当然研究者也希望机器人能提供一些与人互动的行为，在心情不好的时候，机器人可以尝试安慰，如果发生异状，机器人能够提供协助。因为要与人互动，所以必须具备辨识喜、怒、哀、乐等脸部表情的机制。研究人员以生气、快乐、中性、悲伤、惊讶等5种面部表情为主，透过辨识器，使用“支持向量机”理论，令机器人在两种表情中挑选比较像的一个，然后再与另一个表情做比较挑选。如此经过多次的比较与挑选后，就能把最接近事实的脸部表情挑选出来。

机器人行为是仿生物行为

组成机器人的第三个要素是制动器，如直流马达、RC Servo(平常用于遥控飞机)、油气压等，有了制动器以后才能产生运动。对于机器人行为的控制，有一个BBR(behavior based robotics)理论认为：我们赋予机器人很多行为，这些行为都是仿生物行为。即看到动物的一些简单行为，把这些行为累积起来就可以做出复杂动作，产生复杂行为。

可是仍有一个问题：机器人能够闪躲障碍物，也能抓取物件，如果机器人接收到同样的影像与信息时，它该闪躲还是抓取对象呢?我们对于机器人的需求必定是多功能性的，机器人如何因时因地选择它的行为，这是科学家正在努力研究的议题。

回头谈谈机器人萝拉。萝拉提供的居家照护服务，必须在“布建Zigbee无线感测网络系统”的环境中才能运作。Zigbee网络是一个2.4G Hz的无线感测网路，因此老人与机器人身上，必须各佩戴一个Zigbee传感器模块，才能使得老人的讯息与环境信息全部集中在机器人身上。在这个环境中，科研人员以研制的模块与传感器连结，并以无线讯号强度设计其定位感知功能。因此机器人只需连上无线网络，便能获得居家照护讯息。

老人身上佩戴的传感器模块称为“人体姿态侦测模块”，里面包括Zigbee芯片、微控器以及3轴加速度传感器。3轴加速度传感器可用来量测加速度讯号，然后再从讯号中分离出“静态加速度”与“动态加速度”。从静态加速度(由重力加速度产生)的值，可以研究判断老人是坐着、站着或躺着；从动态加速度的值，可以分析老人是跌倒、走路或正在上下楼梯。而这套加速度量规侦测跌倒信息的成功率达93％，且这个模块可以系在腰际，不致产生被监视的感觉。

机器人时代已经来临

总而言之，在Zigbee无线感测网络系统环境中，可以经由Zigbee芯片把侦测到的感测值传给机器人萝拉。万一老人出现状况，Zigbee网络立即定位，萝拉可以实时地透过雷射扫描仪，避开障碍物，移动至老人身边，还会以摄影机追踪老人的脸，把人脸影像以无线传输方式传到家人手机或视讯屏幕上。这是一套整合定位、导航、跌倒侦测、视讯会议、视觉追踪、远程控制、影像传输等多项技术的设计。

机器人之所以吸引我们，主要是它充满各种可能性，而且具有创造庞大利润的机会。日本早稻田大学工程学院院长是一位机器人学者，他的演讲发人深省：“机器人在舞台上作秀，在舞台上表演的时代应该告一段落。我们现在应该关心、应该赶快开发机器人来支持我们的生活，来协助社会或生活上的一些需求。”这个结论道出了机器人的真正价值，也提醒我们使用机器人的时代已经来临。