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「清華紳士」機器人有雙溫柔手 醫療照護夠體貼

2021-01-14 19:03經濟日報 記者李珣瑛 / 新竹即時報導
機器人
  • 科技部
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機械手臂若要應用於護理及復健,必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。

清華大學校長賀陳弘將這個百分之百台灣設計、製造的擬人雙手機器人命名為「清華紳士」(Tsing-Hua Gentleman),期許他能以精巧溫柔的動作(gentle touch)成為機器人界的醫療照護先鋒。

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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」。張禎元坦言,軟要比硬還難得多,比如應用於新冠肺炎的採檢,機器手得把棉花棒伸進人的鼻孔或咽喉,「動作要輕柔且準確,感受到一定的回饋力道就必須收手,否則就可能破皮流血。」

張禎元解釋,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,再一步步教給機器人重現。張禎元指出,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」,張禎元還研發了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。清華紳士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。

為了展示清華紳士擁有追蹤物體、避開障礙的視覺系統,張禎元跟他玩起「猜猜球在哪個杯子裡」的遊戲。在清華紳士面前擺了3只倒蓋的黑色杯子,並在其中一只杯子裡放進小球,接著迅速調動杯子位置,只見機器人的頭也跟著轉,「目不轉睛」地盯著目標,最終不疾不徐地伸出手來翻開了有球的杯子。

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,成功打造「鏡像手」,造福因腦中風而手功能受損的病患,也在清華大學創新育成中心成立新創公司富伯生醫。

台灣將在2026年步入超高齡社會,65歲以上的人口將占總人口五分之一。因此,張禎元希望「清華紳士」機器人未來能在醫療、護理、長照、居家層面全方位幫助長者,「除了醫療照護,最好還能煮飯洗碗。」

「清華紳士」是清華大學動力機械、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、副教授朱宏國以及電機系特聘講座教授吳誠文、教授劉靖家主導研發。應用於清華紳士的多項關鍵研發突破,也獲未來科技獎、國家新創獎等大獎肯定。

此外,張禎元也特別感謝科技部半導體射月計畫的支持,及工研院機械與機電系統研究所合作開發七軸機械手臂。

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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清華大學動機系教授張禎元(左四)指導學生研發擬人機器人。圖/清大提供
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清華大學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
清華大學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
清華大學動機系教授張禎元(右)指導博士生鄭力維參與科技部輔具計畫,研發出幫助中風...
清華大學動機系教授張禎元(右)指導博士生鄭力維參與科技部輔具計畫,研發出幫助中風病患復健的輔具。圖/清大提供

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