模仿遊戲:機器人的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺如何運作?

模仿遊戲:機器人的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺如何運作?
Photo Credit: Rog01 @ Flickr CC By SA 2.0

我們想讓你知道的是

一群靠著高超技術,年年在各項國際大型機器人競賽中獲獎連連的大學團隊,他們不僅做出了令人驚豔的機器人,更將這個技術應用在各種可以造福人類的領域中。

文:周彥彤、楊谷洋(協力指導)

機器人的視覺

人類對於環境資訊的接受與了解,有90%以上是透過視覺,跟其他感官相比,重要許多。能「看」讓我們可以做到更多事情,對機器人也是一樣。

靈魂之窗

人類的眼睛是怎麼看到外面的世界?眼睛可以說是個非常精密的光學系統。外界的光穿過眼睛,到達位在眼睛後面的視網膜,形成清楚的影像,視覺神經再把訊息傳遞到大腦,大腦再把這些訊息轉變成視覺,於是我們就能看,並且透過過去的學習與經驗知道看到了什麼。視覺對我們的行動有很大的影響,只要試著把你的眼睛矇起來,就能發現再簡單的動作都變得困難。對機器人來說也是一樣。

把人類識別影像的機能,用來讓機器人可以看到的機制叫做機器視覺(Machine Vision),這是一個模擬人類眼睛運作方式的系統。比擬人類眼睛的部分是攝影機或照相機,負責攝取外面的影像,接著把影像傳遞到電腦裡,再由電腦進行分析、辨識,機器人就可以知道形狀、距離、是立體或者平面、明暗跟色調,機器人將這些辨識好的資訊記在腦海中,下一次,同樣的物品出現時就能一眼看出,不用再次進行複雜的分析了。

眼見為憑

有了視覺系統的機器人,能力就會變高許多。因為可以看,機器人在執行任務時就更加精密,像是前面所提到的,具有視覺的機械手臂能做到「手、眼、力」的協調,進行更複雜的工作,對手的動作跟出力都能掌握得更好。

當機器人可以看的時候,透過視覺掃描所處的環境,就知道環境裡所有物品的位置,加上程式的幫忙,規劃出行走的路徑,隨時能避開障礙物。機器人就可以走出人類所規畫好的環境,邁向更複雜廣闊的世界。機器人的視覺也可附加其他辨識系統,功能更強大。例如人臉辨識系統,機器人就能分辨客人是誰,甚至分析臉上表情來判斷對方的情緒,順利跟人類互動。

我有透視眼

機器視覺還可以做到許多人眼比不上的功能。這讓機器人可以替代人類去進行許多危險或者複雜的工作,例如視野範圍比人類大很多,能進行大範圍的掃描,收集更多資訊。可在黑暗、強光、高溫等人眼不適合運作的環境中工作,而且工時很長,不會疲勞。機器人的視覺還可以開外掛,加裝其他功能,例如附加紅外線或者顏色濾鏡等功能的視覺感測器,就能看出產品上人眼看不出來的很細微的瑕疵,甚至分析飲料等物品裡的成分。

透過高速視覺系統,機器人可以應付高速移動的物體,當面對投手高速投過來的球,加裝了這種系統的機器人會清楚的看到球運動的軌跡,輕輕鬆鬆的把球給打出去。研究者把各種需要的功能附加上去,讓機器人變成名符其實的透視眼。機器視覺不只應用在機器人身上,更涵蓋了文件辨識、醫學工程、航太遙測等及其他需要視覺的行為上,是應用非常廣泛,相當重要的科技。

機器人的觸覺

觸覺其實是由很多感覺混和在一起的,所以我們碰觸到一個東西時,會同時感受到軟硬、冷熱、粗細等各種感覺。當機器人也能擁有觸覺的時候,甚至可以帶人類碰觸到未知的世界。

感觸有多深?

人體的觸覺主要是透過皮膚運作,你會感覺到冷熱、作用在身體上的力氣大小、知道自己碰到什麼東西等等,都是透過皮膚裡跟神經系統相連接的偵測器,稱作觸覺受器。我們一整天無時不刻都在使用觸覺,甚至睡覺的時候也是,所以觸覺是一個非常重要的感覺。其中手的部位的觸覺受器最多,一個指尖上大約有300多個受器,讓我們用雙手就能完成許多高難度的事情。

當研究人員想要賦予機器人觸覺時,首先想到的是能不能也給機器人跟人類一樣的皮膚,讓機器人全身都有觸感?也就是製作出所謂的電子皮膚。電子皮膚上安裝有感測器,並且布滿了電子線路,感測器會偵測皮膚所受到的壓力、溫度等等,透過電路把感測到的資訊回傳到機器人的電腦,機器人就能藉由「觸覺」作出反應。不過這是一個很昂貴的點子,小小一片皮膚就造價不斐,況且有些機器人並不需要全身都擁有觸覺,只要某個部位具有觸覺感測器就能讓能它們很強大了。

一指神功

生產現場的機械手臂如果沒有觸覺,只是靠設定好的力量來拿東西時,能拿起來的物品就很有限。為了讓機械手臂可以自動偵測抓起物品時的狀態,研究人員在手臂的指尖上加裝了觸覺感測器。這類觸覺感測器是為了生產環境中的特殊功能而設計,所以不必一定要模仿人類的觸覺,能夠偵測的範圍包含了手腕及手指,基本上具有兩種感覺:一是觸感,能讓機器人判斷接觸到的物體形狀、質地。

二是力感,力感又分成:壓覺,要在物品上施加多大的力氣;力覺,判斷手指與手腕要從什麼地方施力;滑動覺,偵測掌握物品的狀況,讓東西不會滑落的感覺。透過用這樣的觸覺感測器,機器人不僅會選花生,還可以幫忙撿雞蛋而不會捏破。

觸覺感應

裝設在機器人身上的觸覺感測器,不只能提供機器人自主偵測的資訊,透過觸覺的交互感應,甚至可以讓人類透過機器人傳回來的觸覺,擴大人類的觸控感知範圍。這類的觸覺設備是透過一個能夠接收機器人回傳觸覺的操控器或者手套等,感覺到機器人碰到的物品的觸覺,讓操控的人好像真正碰觸到那個物品一樣。

這樣的設備可以運用在醫療上,當醫生把小機器人放進人體裡,透過遠端操控,就可以讓機器人幫忙開刀,甚至不用把人體開腸破肚。利用這樣的技術,也能讓機器人在水下、太空中或者各種複雜環境中工作,儘管操作的人沒有在現場,依然可以身歷其境,漂亮完成任務。

機器人的聽覺