Monday, April 30, 2007

探討台灣機器人產業發展前景 科技論壇五月登場



智慧型機器人被公認為是未來最具發展潛力的新興產業之一,許多我國IC設計公司更擁有充份支援智慧型機器人產業發展的能力。值此智慧型機器人產業方興未艾之際,將於5月10~12日在台北世貿中心舉辦的「台北國際半導體產業展」,主辦單位特別規劃「科技產業論壇」座談會,並將以「智慧型機器人──高度整合的潛力產業」為題,邀請業界先進探討此一新興產業的發展前景。

根據市調機構的研究資料顯示,2012年市場需求高達800億美元至2500億美元,產業年平均複合成長率超過30%,其應用範圍更擴及家庭、辦公室、公共場所、軍事、太空等,應用類型超過三萬種。台灣高科技產業領域實力雄厚,具備優勢的發展條件。

主辦單位表示,智慧型機器人(Robot)能取代部分人類工作或執行人類難以從事的任務,應用範圍相當廣泛,小到替外科醫生執行內臟手術、 家庭保全、照護,大到執行戰鬥任務與太空探險等都可以利用機器人來達成;同時所需要的技術領域也很多元,包括精密機械、模具、通訊、半導體、影像顯示、材 料、資訊、電子電機、軟體技術等,要製造出一台可以執行完整任務的機器人,不僅需求的技術缺一不可,整合能力也同樣重要。

基本上,機器人應用的領域有兩個一個是工業生產製造,一是與一般人生活關係較密切的服務用機器人,根據國際機器人協會 (International Federation of Robotics,IFR)及聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)預估,2007年全球多用途工業用機器人年裝置數量將達10萬6,300台。

至於服務用機器人,根據各研究機構預估,2012年市場需求至少有800億美元,樂觀的機構甚至認為市場規模將成長至2,500億美元。日本已將智慧型機器人列為新產業創造戰略七大領域之一,韓國也列為十大新世代成長動力產業之一,並投入大量資金、人力積極發展。

台灣在精密機械、資訊電子、模具、光電、醫療照護及服務等產業都具備強大產業潛力,智慧型機器人產業正 是這許多優勢產業整合起來的標竿,讓台灣從製造優勢轉型為創新驅動,進而帶動下一波經濟發展。因此政府也成立「台灣機器人產業發展協會」將在五年內投入 20億元經費,利用主導主性新產品開發計畫、產業科技專案等措施,協助企業界推動產業發展。該協會的明年產值目標,是將機器人產業規模由目前的200億元 推升到300億元,並在2014年到2020年間,讓台灣成為全球智慧型機器人主要製造國,年產值達2,500億元。

為此「台北國際半導體產業展」將於「科技產業論壇」的「智慧型機器人──高度整合的潛力產業」主題研討會中,針對機器人產業的發展潛力、 激發智慧型機器人的創意開發、建立整合上、中、下游的智慧型機器人發展平台、運用異業整合,開創智慧型機器人市場等面向,邀請工研院機械與系統研究所副所 長張所鋐擔任主持人,集結包括威盛電子、微星科技、科宇資訊、信誼基金會等在此一領域耕耘已久的廠商,為目前台灣智慧型機器人產業的發展所遭遇的問題把 脈,希望可以為此一產業的健康發展貢獻心力。

Tuesday, April 17, 2007

美國防部徵求可變形軍用機器人

你想創造能任意改變形狀且能擠進比蟲卵還小的空間的化學機器人嗎?美國國防部高等研究計畫局(The Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)最近公佈了一個名為ChemBots的技術徵求計畫,募集能進入危險區域或敵方、可在廣泛的軍事領域賦予戰鬥者優勢的機器人。

DARPA公佈的聲明指出,由於機器人能在戰場上提供具吸引力和高效率的優勢,該機構期望開發出具柔軟度、靈活度的行動化機器人,能擠進並 穿越建築物、牆壁或位於地下的狹小開口。該徵求計畫並希望機器人的尺寸夠大,可以攜帶「實際有用的負載(operationally meaningful payload)。」

機器人必須能四處走動並感測到小型開口,並透過變換形狀來穿越這些開口,然後重新定義尺寸、形狀和功能。它們還必須能自行發電、自行消耗 (self-consuming)或能量積蓄(energy-scavenging)。它們可以是自動化或是透過使用者控制的,但不能受限於控制器或電 源。DARPA並特別聲明該種機器人必須具備足以耐受各種溫度、濕度與衝擊力的「強健體魄」。

DRAPA並在徵求計畫中指出:「自然界的許多生物都可以是這種ChemBot的功能範本,像是老鼠、章魚與昆蟲等可以穿過只比牠們的體型稍大一點點的開口的動物。」該機構並舉出包括蠕蟲、毛毛蟲、蝸牛或是蛞蝓等等其他具備柔軟肢體、可輕易彎折的自然生物為例子。

該機構表示,有意參加徵求計畫的機器人開發者,可運用包括形狀記憶材料(shape-memory materials)、可逆化學物質,或是微粒組合、幾何變化和其他新型材料或結構等方法來創造理想的機器人。繳交功能概要白皮書的截止期是5月3日,而 完整計畫書的截稿期則是7月2日。

(參考原文:Darpa seeks shape-shifting war robots)

擺脫笨重馬達與齒輪 未來機器人行動更自由

從通用汽車(General Moto)廠房裡的固定式電焊機(fixed-in-place welders),到科幻電影《星際大戰》中虛構的R2D2,來自步進馬達(stepper motors)的特殊「咻咻(whirring)」聲幾乎已成為這些機器人共同的特徵。不過,如果Dennis Hong教授的「WSL (whole-skin locomotion)機器人」計畫能夠成功,將改變以上的刻板印象──因為這種新型機器人將不再需要馬達和齒輪等任何傳統機械裝置。

Dennis Hong任教於美國維吉尼亞理工學院與州立大學(Virginia Polytechnic Institute and State University),不久前才獲頒美國國家科學基金會(NSF)提供的、總額40萬美元的傑出青年教授科學研究獎金(Faculty Early Career Development Program Award),讓他得以繼續投入WSL研究計畫。NSF的這個獎項專門頒給富有創新能力、並可望在將來成長為學術界領袖的年輕教授。

創造能在複雜地形行動自如的機器人

Hong表示:「WSL機器人會利用它全部的表面產生的磨擦力來移動,所以稱為“whole-skin locomotion?。如果我的研究計畫能成功,那麼這種移動方式將成為搜救機器人的最佳選擇,因為它可以鑽進倒塌的房屋裏。」

然而WSL計畫要取得成功還有許多困難有待克服。首先,機器人外部皮膚的翻轉需要能夠伸展並收縮成環形的傳統機械制動器。這樣的技術並不是沒有,但仍處於試驗狀態,這進一步提高了WSL研究的難度。

Hong表示:「我們不會考慮馬達、齒輪和滑輪等傳統機械裝置,而且暫時也不會使用導電性聚合物(electroactive polymers,EAP)。導電性聚合物本身就是一個仍處於研究狀態的領域,需要完成更多的改進才能應用於實作。」

第二個大問題是如何將非傳統制動器的收縮和伸展,應用到機器人外皮的循環翻轉運動中。而且組裝也是一個大問題。現有的機器人都在外表裝配了 感測器,這給它們帶來了視覺和聽覺功能,因而能夠避開障礙物並確定正確的移動方向。而如果機器人的外表被卷成了環形,就沒有可以固定感測器的位元置。

Hong指出:「WSL是一種將制動環的伸展和收縮運動轉換為外翻運動的新技術。但難題不僅僅在於它的生產,由於機器人整個表面都在移動,如何裝配感測器和動力系統也是大問題。」

目前的行動機器人幾乎都有輪子、軌道或者腳。當搜救機器人必須穿越複雜的地形時,這些裝置各有長處和缺點。比如要找到被困在倒塌的建築物裏 的人,機器人必須能夠從障礙物的上面、下面或中間穿過,而且還要在狹窄的角落移動。此外機器人的內視鏡(endoscope)必須能夠隨意彎曲,還能擠過 不規則的狹窄空間。

Hong表示:「隨著機器人智慧的演進,以及行動機器人被應用於越來越多的新領域,尋找一種新的行動方式,讓機器人能在複雜而不規則的地形移動變得非常重要。現有的行動方法可以滿足一部份要求,但很難實現所有這些功能。」

「變形蟲(amoebas)」原理

Hong一直想利用變形蟲等單細胞生物的移動原理,這種生物可以通過鞭毛、纖毛或偽足(pseudopods)等器官進行移動。但只有偽足 才適合地面型機器人──它能讓細胞表面的某部份突起,以跨越、穿透或是沿著物體滑行。所以Hong針對如何將偽足原理應用到機器人移動作了初步研究,得出 了所謂的WSL設計方案。

Hong透露:「為了弄清楚變形蟲的運動方式,我們研究了其移動方法的生物學原理,將它的胞質流動原理運用到機器人的移動中,形成了 WSL的概念。」為了以現有的材料實現這一設計,Hong還製作了一個以外置石英韌帶(quartz cords)來驅動環形薄膜的原型機。這個移動的薄膜模仿了變形蟲透過內外翻轉前行的原理。

有了NSF的獎金,Hong表示他將在今後5年裏製作一系列的原型機,不僅要展示如何用一個固體管核心來驅動環形薄膜,還要解決WSL機器人的結構和組裝問題。

第一個原型會於明年初問世,將在固定核心內部採用電動馬達,來驅動不斷翻轉的環形薄膜。同時,Hong的研究小組還將繼續研究EAP和類似 的材料,將之製作成制動環並透過伸展和收縮來向前移動,以用之來取代電動馬達。他們將會在制動環的首尾兩端放置EAP,來推動外表的薄膜,進而驅動機器人 前進。

2008年,Hong的研究小組將製作出第一個採用EAP制動器的原型。之後,他們將試圖解決機器人封裝的問題,以便即使在其外部皮膚運動過程中感測器也能保持固定。

在過去的5年,Hong還曾試圖設立一個科學機構,幫助別人利用非傳統移動方法、感測器和制動器來製作自己的機器人原型。

Hong表示:「由於我們的資金是來自NSF的,所以我們的最終目標並不是要製作一個能夠大規模生產的原型,而是力圖突破科學和技術的界線,因而明白這樣一種新型的移動方法能有什麼樣的作用。」

更多的機器人相關研究

Hong並沒有把所有精力放在WSL上,他還藉助來自不同地方的研究基金,在他位於維吉尼亞理工大學的機器人和機械裝置實驗室(Robotics & Mechanisms Laboratory),進行多項有關其它非傳統移動方式的研究。(實驗室官方網站)

「我們的實驗室正在進行多種新型移動方法的研究,除了上述由NSF贊助的WSL研究計畫,我們的研究項目還包括輪/足混合式機器人、三足機 器人和人形機器人。」Hong表示,在研究階段的另外三種新型行動機器人,包括配備活動軸輻系統(Active Spoke System)的智慧型行動機器人,智慧動力人形機器人(the Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence),以及和自激式三足動力實驗機器人(Self-Excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)。

Hong也是維吉尼亞理工大學的智慧足球機器人顧問,該大學的足球機器人代表隊,每年都參與RoboCup國際自動機器人足球賽;他也是 維吉尼亞理工大學VictorTango機器車隊的顧問之一,該團隊即將參加美國國防部高等研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DRAPA)舉辦的機器車挑戰大賽。

此外Hong是NASA Summer Faculty Fellowship獎和美國機械工程師協會/通用汽車的青年學者獎得主,還贏得了ASME機械和機器人會議最佳論文獎。

Dennis Hong
維吉尼亞理工大學Dennis Hong教授與他的機器人

(參考原文:Robots won't walk or whir--they'll ooze)

(R. Colin Johnson)