一年一度的國際消費性電子展(CES)在1月初於美國拉斯維加斯舉行,在展出的眾多五花八門的消費性電子裝置中,筆者偏好尋找能對這個世界帶來一些重要影響的電子技術;CES第一天,我首先注意到的就是韓國現代汽車(Hyundai Motor Company)展示的可穿戴外骨骼機器人(wearable robotic exoskeleton),由該公司的資深研究員Dong Jin Hyun講解。

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可穿戴外骨骼機器人技術的研發始於美國麻省理工學院(MIT)的「高效益機器人架構與電機系統(highly efficient robotic mechanisms and electromechanical system,HERMES)」,是MIT仿生機器人實驗室(Biomimetic Robotics Lab)旗下的研究專案;該實驗室提出了一個概念、著手設計,最後打造了可遠端操控的全身人形機器人原型。

MIT所打造的人形機器人系統不只能在危險的環境運作,能負擔繁重的任務,此設計最重要的影響是由Dong Jin Hyun衍生設計出的可穿戴式外骨骼。

讓HERMES與人形機器人動作平衡

設計工程師一直在嘗試讓機器人的運動發揮到極限──也就是說讓機器人的動態行為動作就跟人類一樣。我們身為人類,能透過大腦思考來適應不尋常、未預期的狀況,讓我們能在問題解決方面非常有創造力;透過在機器人身上佈署某種形式的人工智慧以及運動技巧,就可能讓機器人能進入高度危險、可能致命的環境執行任務,以保障現場工作人員的生命安全。

藉由採用發散運動分量(divergent component of motion,DCM),操作員與機器人能透過質心(center of mass,CoM)與壓力中心(center of pressure,CoP)的動力達成平衡同步化;我們人類能透過幾個關節協調複雜的動作,並同步協調動作的優美與順暢,而研究人員也希望打造出能完全模仿人類流暢動作的機器人。

能達成以上目標的方法之一,是透過全身遠端操作(whole-body teleoperation)來擷取、模仿人類的動作。

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MIT研發的機器人系統HERMES,是一種能執行複雜動態操作任務的人形機器人設計。
(來源:參考資料1)

遠端的機器人操作員需要能與機器人的身體與感官合為一體,也就是說能感覺到機器人的力量以及受到的干擾,並因此能導引機器人成功執行任務、就像操作員自己在現場一樣。MEMS感測器應該在這種設計中扮演了重要角色,現在加速度計與陀螺儀已經能有效被運用於這類人形機器人系統的運作與感測。

慣性量測單元(IMU)以及感測器中樞,能實現機器人的精確控制、自動化以及定位(positioning);如ADI的EVAL-ADIS2評估系統能協助加速產品上市,Bosch Sensortec也有可搭配其智慧中樞(Smart Hubs)以及專用感測器節點(ASSN)的優異感測器中樞軟體。

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Bosch Sensortec的MEMS感測器解決方案陣容堅強。
(來源:Bosch Sensortec)

客製化IMU設計讓機器人站穩

講到IMU,似乎與HERMES人形機器人無關,不過客製化IMU能讓設計工程師維持擁有天生不穩定運動軌跡(motion profile)的機器人之穩定性;例如為Ballbot設計的客製化IMU,能為這種本來形狀就無法「站穩」的機器人,帶來維持穩定所需的精確度。

在校準IMU之前需要先校準ADC,這有助於簡化IMU的校準,只需要簡單的設備就能完成;Kalman濾波器在此是實現資料融合以及精確角度估算輸出的關鍵,並能讓機器人完美平衡。Kalman濾波器也能去除陀螺儀訊號漂移,以及可能會讓加速度計失誤的移動加速雜訊。

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