伴侶機器人系統整合應用技術 - angrin.tlri.gov.t工業機器人應用與發展工業機器人特性：解決3D(危險、骯髒、無聊)問題、多種類、多軸關節

伴侶機器人系統整合應用技術The Application and integration of Companion Robot Technology

機械與機電系統研究所智慧機器人組組長

游鴻修

Tel: +886-3-591-6576

Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院 2

Robot

具有感覺、智慧、可作業，外型機能與人類及動物相若的機械。

可代替人類在危險境或製造工廠運作，或塑造成外表、行為、心智的仿人機器人。

Robotics

是一項涵蓋了Robot的設計、建造、運作、以及應用的跨領域科技，就如同電腦系統之控制、感測回授、以及資訊處理。

前言


國際機器人發展歷程機器人應用領域涵括生產製造、軍事國防、科學探勘、服務導覽及醫療照護…等。


國內機器人發展歷程國內機器人以產業應用為主，另外更發展居家協助、保全監控、服務導覽及教育娛樂…等應用服務。


機器人種類

工業用

機器人

服務型

製造用非製造用公共服務個人/家用

•保全•導覽•醫療•農林• …

•吸塵•除草•娛樂•教育• …

•上下料•焊接•組裝•修邊• …

•食品處理•生物處理• …


2005 2010 2016

Pro

du

ct road

map

Home robot

Tour-guide robot

Companion robot

Security robot

Cleaning robot

Industrial robots for loading/assembly/ Cell

Robot Controller-MIO

U-Bot Mobile Platform

AGV

Exoskeleton

Service robot

Industrial Robot

Orthosis robot

Safety robot

ITRI Robot R&D

../../FY99/99.08.23 Prof. Tomizuka 參訪/FY96~FY98/FY98/2009.08 所長歐洲機器人機構拜訪/機器人組研發現況/簡報/IM Bot Gsensor.mpg../../FY99/99.08.23 Prof. Tomizuka 參訪/FY96~FY98/FY98/2009.08 所長歐洲機器人機構拜訪/機器人組研發現況/簡報/IM Bot Gsensor.mpgAGV_展場_200kg_2012_08_31.wmvAGV_展場_200kg_2012_08_31.wmvtwo way motion with one driving sys..mpgtwo way motion with one driving sys..mpgauto pallet_直線加速.wmvauto pallet_直線加速.wmv../../../../99行政/doc/重大效益/海豹投籃Eye to Motion.wmv../../../../99行政/doc/重大效益/海豹投籃Eye to Motion.wmv


工業型機器人技術與應用


工業機器人應用與發展

工業機器人特性：解決3D(危險、骯髒、無聊)問題、多種類、多軸關節

型機器人，較靈敏，活動死角少，可依生產線需求而設計

應用之工業：Automotive、Packaging & Palletizing、Metal Fabrication、

Foundry & Forging、Plastics

執行的作業：最主要仍在於汽車工業的焊接、搬運與組裝等作業，近年

來在FPD產業亦大量導入做為搬運之用途

焊接上下料組裝

搬運包裝


雕刻

鉆孔

磨平

去毛邊

噴漆/黏膠塗佈

裝配

鎖鏍絲

造形壓模

擠花袋(筒）/嘴

烘焙成型模

模組多元化應用智慧創意應用

機器手臂發牌機

工業機器人應用與發展


Motion •快穩準•提升精度•最佳化運動軌跡

Intelligence•容易用•智慧感測•安全檢知

Orchestration•協調性•虛實整合•軟體加值平台

Link

Welding

快速來回取放

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Integrated Velocity 0

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Time (sec)

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F500P200

Affordable

次世代工業用機器人-手眼力協調MIO機器人控制器-


Motion Intelligence Orchestration4 智慧擴增模組

1. 機器人與自動化模擬器自動產生加工曲面軌跡、機器手臂運

動，奇異點偵測等模擬功能

2. 機器手臂精度提升軟體模組3. 視覺型手眼協調軟體模組4. 機器手臂安全觸覺感知模組

2 進階運動控制(MIO+)

支援速度控制支援扭矩控制支援 lead-through順應教導

1 基礎運動控制 (MIO)

機器人專用RCL運動函式庫奇異點速度調變、空間防撞、

速度軌跡恆定等特殊功能 -50 0 50 100350

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F500P200

3 EtherCAT 高速網路控制(eMIO) 支援EtherCAT網路，國際化通訊標準協定支援Industry 4.0聯網與自我診斷功能全數位即時網路串聯，彈性化電控配線






• 快穩準運動軌跡恆定





• 線上精度提升與監控

• 最佳化運動軌跡 • 動態軌跡精度提升

• 順應教導- A公司

• 順應教導- B公司


ITRI’s high-safety collaborative robot:• Safety-rated monitored stop• Speed & separation monitoring• Hand guiding• Power and force limiting

–協作型工業機器人技術規範:

ISO 10218 ISO/TS 15066 (Standard in development)

次世代工業用機器人-安全協作機器人-


次世代工業用機器人-安全協作機器人-


服務型機器人技術與應用


機器人與人類共同生活之情境

辦公室

深山林地

農業地區

營造工地

居家生活

商業/娛樂場所

高齡化社群

利用RFID作為通信工具的智慧型辦公空間

頂樓用大型地面清潔機器人

大樓外牆清潔

大樓管路偵查及清潔

保全機器人

多功能環境整潔機器人角落的污垢也不放過

殺蟲機器人

澆水機器人

智慧型採收

茷木機器人

無人砂石車

無人垃圾車居家看護生活伴侶

餵食機器人

寢具品質維護

床單自動更換復健機器人

病人翻身看護

智慧型車輛

洗車機器人

智慧型輪椅

警衛機器人

表演/娛樂機器人

地陪/導引機器人

廚房幫手/端食

廚房幫手/洗婉

防盜

家事幫手/折衣浴缸清潔

燈泡更換

智慧型高鐵

交通


機器人產品應用

Robotics平台

家電

軍事航太

農林漁牧

教育娛樂

醫療照護

保全

工業自動化

機、光、電與軟體技術 ...健身器材

iRobot RoombaAIST Paro

NEC PaPeRoABB Inc.

農用Robot

Helpmate/Pyxis

Zeus

Matsutek

新保中正一號

Alsok


國外健康照護機器人

• 遠端醫療機器人 PR-7

▪ Remote Presence控制系統

▪ 多對多系統架構

▪ 提供不受時間限制的醫療服務。

美國，InTouch Health科技公司，網址:http://www.intouchhealth.com/products_rp7robot.html



• 看護機器人 Ri-Man ▪ 5個觸覺傳感器▪ 視覺、聽覺傳感器

日本，獨立行政法人理化學研究所，網址:http://rtc.nagoya.riken.jp/RI-MAN/index_us.html



• Keepon▪ 用於協助改善自閉症小孩在跟人談話時眼睛不會正視對方(eye-contact)的問題。

▪ 此機器人會跟靠近他的人有互動，會出現凝視的行為，也會跟別的keepon互相凝視或是共同看一件物品。

▪ 由於 keepon 會把它的「眼睛」所看到的影像錄製下來，因此可以觀測到小朋友跟它互動時的真實表情，有利於研究者進一步分析。

▪ 小朋友可以跟 keepon 的互動，也可以透過觀察keepon 跟另一隻keepon 互動，來了解人與人之間互動時眼神交會的情形。

日本，National Institute of Information and Communications Technology



• 海豹伴侶機器人 (Paro)▪ 全身上下裝有超過100個感應器，

▪ 對光線、聲音、甚至語言都有反應

▪ 如果有人用日文像牠問好，它就會突然張大眼睛，拍打牠的話，牠還會喊痛，甚至會抬頭、伸腿、眨眼珠等等

▪ 具有撫平人心的作用，有許多老年人接觸了這種會與人互動的機器玩具後，不但心情變開朗，有些大腦病變的患者，甚至出現好轉跡象

▪ 目前日本已經有超過1000隻Paro入住日本療養院和老人家中，另外商家也已跟全球20多個國家的療養院協議，讓他們把Paro引進療養院

日本，產業技術粽合研究所(AIST)


• 醫療保健疾病防止, 診斷, 處治, 復健, 醫療院所的自動或智慧系統, 醫療訓練

Yaskawa, TEM LX2

SECOM, MySpoon

產品特色：復建治療用機器

四肢復建升降容易

安全

產品特色：自動餵食機器人

運用於各種食物之進食



• 醫療保健疾病防止, 診斷, 處治, 復健, 醫療院所的自動或智慧系統, 醫療訓練

Yobotics,

RoboWalker

Intuitive, da Vinci

產品特色：強化替代下肢肌肉功能

產品特色：手術用機器人

3-D 視訊系統

具手部及手指動作偵測

介面，以控制機械手

臂動作


http://www.yobotics.com/images/RoboWalker/knee_tracking.jpghttp://www.yobotics.com/images/RoboWalker/knee_tracking.jpg


Yujin Robot (Korea)

Childcare Robot

Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院

智慧型機器人

定位導航技術

智慧決策技術

人機互動技術

機器人關鍵技術整合應用


智慧型語音互動系統• 整合語音辨識、語音互動技術，提升友善度

• 更簡單、直接的健康照護互動方式

• 健康療育之多媒體語音互動功能

• 回饋使用者相關的醫療資訊

• 個人貼心資訊提醒

• 心理與生理的陪伴語音互動架構

Voice

commandBody motion

+

Voice feedback

Voice

recognition


• 全方位影像技術▪ 全方位(360度)影像監控

▪ 夜視監控錄影

• 2D視覺技術▪ 異常入侵偵測技術

▪ 人臉偵測追蹤技術

▪ 障礙物偵測及自主避障導航

▪ 清潔機器人智慧保全技術

▪ 火焰、煙霧影像偵測辨識

• 3D視覺技術▪ 建立機器人外圍3D地理資訊，協助機器人自動導航

▪ 結合工業用機器手臂應用於移動中工件搬運與組裝

3D地理資訊

人臉偵測追蹤技術

全方位影像監控

機器人視覺技術

3D視覺工業應用


機器人觸覺技術Twendy-One

Source: Waseda Univ.Sugano’s Lab

Degrees of Freedom in Total 47 + Omni Directional Mobility

Arm 7×2 Hand 13×2

Neck 3 Body 4

Mobile Mechanism Omni Direction

Total Weight 111Kg


機器人決策判斷

資料來源：HRP2, JAPAN

協調控制機器人

•身高154cm、體重58kg，共30個自由度

•具有力協調控制

•高自由度的股關節構造，可通過狹隘的道路

•可行走於凹凸不平的路面，並可倒退著走

智慧機器人

•身高160cm•與人對奕•臉部表情互動

•在25分鐘內,108隻機器人可分散在300 m2

範圍內

•群體多工任務執行

•搜尋特定目標

群體多工機器人

資料來源：MIT, Robot Swarm (McLurkin)

• 智慧、群體多工、協調


室外定位導航 v.s. 室內定位導航

• 導航 = 定位 + 建地圖 + 避障 + 軌跡規劃

Simultaneous Localization And Mapping

Perception Decision Making

• Outdoor navigation road level– 定位 estimated by GPS (已有大量商品化產品，屬成熟技術)

– 建地圖圖資資訊 (road is not often modified)

– 避障 road is free, others is obstacle

– 軌跡規劃 topological

• Indoor navigation metric level– 定位 estimated by Laser or vision sensor (開發中技術)

– 建地圖 it’s hard to get a indoor map. (complex and dynamic)

– 避障 every objects are obstacles in the map

– 軌跡規劃 metric


Environment Perception

Sensors:

Laser

Sonar

IR

IMU (Inertial Measurement Units)

Encoder

Vision

Maps:

Feature-Based

Location-Based


• Sensors with Map

- Robots generate map with the aid of

sensor mounted

- Robot localizes itself with sensor

measurements and map information

•Sensors without Map

- No pre-generated maps are required

for robot localization

- Simultaneous Localization &

Mapping (SLAM/vSLAM)

Environment Perception

../../機器人之發展與應用/A star testing_001.avi../../機器人之發展與應用/A star testing_001.avi


Motion Control

Algorithm

Robot pose (x)

Map (m)

Motion Trajectory

Or [v, w] ,

[VL, VR] or

Command!

Sensors with Map


Three robots navigating in the environment are

localized by the system with green circles.

Localization errors


伴侶機器人系統整合應用技術重點

ITRI Roppie

通訊互聯

能與其他Robot通訊

能與資訊家電通訊

能與其他標準互聯人機互動

人工智慧(情緒,心靈)

朝向說話者方向/對話

能理解肢體語言

能提供知識庫資訊

能適應與人互動並學習

友善的人機介面

操作能抓住各種形狀物體

能進行組立/分解工作

能使用工具

安全的輕量化

移動認識環境

了解自己的位置

識別障礙物

檢知人的運動

迴避衝突

主動的健康量測

省電

自動充電

長時間運行

安全對人安全

碰撞無危害

高可靠度

不再次引起相同事故

能預知故障

動力管理


未來展望


未來展望

智慧機器人與自動化技術生產為全球發展趨勢•以智慧機器人及智動化設備，提供製造整體解決方案（Total Solution），提升製造業附加價值及生產力。

發展智慧機械，帶動產品附加價值•以國產控制器協助廠商技術升級，讓廠商硬體製造優勢轉化為製程加值軟實力，掌握技術自主性。

•整合業者推動研發聯盟，共同建構高階製造設備產業核心競爭力與自主性。

導入製程智動化，促成整體產業升級轉型•推動3C 、 3K、金屬加等重點領域產業示範案例，複製擴散相關領域產業。

以智慧製造，提升產品附加價值及優化台灣產業結構

• 高荷重產業機器人應用

• 高精度產業機器人應用

• 人機共工合作生產應用


未來展望

以智慧化服務滿足生活需求，以提升人類生活便利及福祉 ?

• 台灣人口日趨高齡化，老年人或身障人士對行動輔具依賴性日增。

• 非醫療性手杖等輔具屬於低風險性醫療器材，常使人忽略安全的重要性。例如：整體結構強度、功能(止滑

性差)、力量回饋等。

• 使用者過度依賴輔具，加速體能、肢體退化。

照護機器人/設備是行動不便人士、高齡者的救星？


簡報結束敬請指教

Documents

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