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...
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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
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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
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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。
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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。
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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• …
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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
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工業型機器人技術與應用
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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
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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
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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
-50 0 50 100350
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X (mm)
Y (
mm
)
Position Data
0 1 2 3 4 5 6 7 80
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1000
Time (sec)
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mm
/s)
Integrated Velocity 0
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1000
Time (sec)
V (
mm
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Integrated Velocity 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40
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1000
Time (sec)
V (
mm
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Integrated Velocity 2
S100 (mm/s)
S500 (mm/s)
S1000 (mm/s)
S100 (mm/s)
S500 (mm/s)
S1000 (mm/s)
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X (mm)
Y (
mm
)
Position Data
F500P20
F500P100
F500P200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 180
100200300400500600700800900
1000
Time (sec)
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Integrated Velocity 0
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Time (sec)
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mm
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Integrated Velocity 1
F500P100
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1000
Time (sec)
V (
mm
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Integrated Velocity 2
F500P200
Affordable
次世代工業用機器人-手眼力協調MIO機器人控制器-
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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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X (mm)
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Position Data
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Integrated Velocity 1
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Integrated Velocity 2
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S1000 (mm/s)
S100 (mm/s)
S500 (mm/s)
S1000 (mm/s)
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Position Data
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Time (sec)
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Integrated Velocity 2
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
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
次世代工業用機器人-手眼力協調MIO機器人控制器-
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• 快穩準 運動軌跡恆定
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
次世代工業用機器人-手眼力協調MIO機器人控制器-
• 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
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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-
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次世代工業用機器人-安全協作機器人-
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服務型機器人技術與應用
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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
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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
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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
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國外健康照護機器人
• 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
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Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院 20
國外健康照護機器人
• 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
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國外健康照護機器人
• 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)
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• 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
國外健康照護機器人
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• 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
國外健康照護機器人
http://www.yobotics.com/images/RoboWalker/knee_tracking.jpghttp://www.yobotics.com/images/RoboWalker/knee_tracking.jpg
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Yujin Robot (Korea)
Childcare Robot
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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
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Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院
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
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Copyright 2016 ITRI 工業技術研究院
• 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
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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
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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
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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
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Environment Perception
Sensors:
Laser
Sonar
IR
IMU (Inertial Measurement Units)
Encoder
Vision
Maps:
Feature-Based
Location-Based
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• 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
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Motion Control
Algorithm
Robot pose (x)
Map (m)
Motion Trajectory
Or [v, w] ,
[VL, VR] or
Command!
Sensors with Map
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Three robots navigating in the environment are
localized by the system with green circles.
Localization errors
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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
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未來展望
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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
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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?
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簡報結束敬請指教