像真人抓球、抽衛生紙 清大研發「清華紳士」機器人

清大動機系教授張禎元研發出可模仿人手細緻動作的機器人。圖/清大提供
清大動機系教授張禎元研發出可模仿人手細緻動作的機器人。圖/清大提供

機械手臂已普遍應用於生產製造,若要應用於護理、復健,則須突破手部動作不夠靈巧的瓶頸。清華大學動機系特聘教授張禎元領導跨域研究團隊結合AI人工智慧、生物力學與人因工程,研發出有視覺及觸覺、可模仿人手細緻動作的機器人,能像真人一樣抓球、抽衛生紙。清大校長賀陳弘將這百分之百台灣設計、製造的擬人雙手機器人命名為「清華紳士」(Tsing-Hua Gentleman),期許能以精巧溫柔的動作(gentle touch)成為機器人界的醫療照護先鋒。

清華紳士配有一「硬」一「軟」的雙手臂,「硬」手有力,「軟」手則要夠「軟Q」。張禎元說,清華紳士的軟性手模仿人類的手指關節設計,使用氣壓傳動來控制手指彎曲動作,並採用獲得美國專利的演算法晶片來感測手指受到的回饋力道,並進行精準的角度測量。

一般機器人抓球或握飲料瓶是機械性地五爪開合抓握;但清華紳士的動作則近似人類般流暢,靠的是先將人類的動作數位化,再教給機器人重現。機器人雙手要做到如人手般靈活,未來才能抱嬰兒,或為病人及老人拍背、翻身。

為了能讓機器人有「觸覺」,張禎元還研發一種靠磁場及磁力線改變來感測的壓力感知線,比起市面上感測一個方向就要裝一個感測器的系統,它只需要一個感測器就可偵測正面、側面等多方向的力量變化,更像真人的手指。

除了靈巧精細的手指,張禎元團隊還為清華紳士配備了無死角的七軸手臂,比一般六軸的機器手臂靈活度更高,甚至可將手臂反折往人類手臂無法伸往的角度。還有可自由轉動的脖子及3D立體視覺系統,可大範圍掃描周邊物體,擁有「空間感」,並利用AI人工智慧來辨識物件。

張禎元是美國卡內基美隆大學機械工程博士,並曾任職於美國IBM,專精機械振動。回台任教後,巧遇當時任職於長庚醫院復健科醫師的小學同學裴育晟,開始合作設計用於手部復健的機械輔具,在科技部輔具計畫的支持下打造「鏡像手」,造福因腦中風而手功能受損的病患,也在清大創新育成中心成立新創公司富伯生醫。

「清華紳士」是清大動力機械、電機、資工教授跨領域合作的結晶,張禎元負責機電整合與結構設計,機器人的「腦」則由資工系教授金仲達、副教授黃稚存、副教授朱宏國及電機系特聘講座教授吳誠文、教授劉靖家主導研發。

清華大學動機所博士生李俊則寫程式教機器人動作。圖/清大提供
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清華大學研發的機器人能如真人般靈活地抽取衛生紙。圖/清大提供
清華大學研發的機器人能如真人般靈活地抽取衛生紙。圖/清大提供
清大動機系教授張禎元在科技部輔具計畫支持下研發出能幫助中風病患復健的鏡像手。圖/清大提供
清大動機系教授張禎元在科技部輔具計畫支持下研發出能幫助中風病患復健的鏡像手。圖/清大提供

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