【科幻電影不是夢！日本人型機器人之現況發展】

本田技術研究所

洪舜傑

        從漫畫裡的哆啦A夢，到製造業無人組裝工廠內的巨大機器手臂，機器人的未來應用總是令人充滿想像。筆者現任職的本田技術研究所，於1980年代開始即進行二足機器人之研發。2000年時發表了身高130公分的人型機器人「ASIMO」，更於2017年IROS學會上展示了新型的救災型機器人「E2-DR」（註1）。人型機器人在整體機器人產業中，雖仍處於仰賴大量經費的研究開發階段，不過在近年日本社會面臨高齡化、勞動力不足或是災難救援等社會課題時，總是被寄予活用的期待。更且加上日本製造業發展中，所累積的控制、致動系統等技術優勢，輔以當今蓬勃發展的人工智慧、機器視覺等研究領域成果，使得更安全、更方便的人型機器人應用社會指日可待。本篇文章簡介日本人型機器人的硬體與軟體技術內容，以及其商用化市場的概況。

        相較於人體身上600多條骨骼肌、200多塊骨頭所構成的複雜自由度以及驅動性能，人型機器人目前為止至多僅有約50個自由度表現（未含精巧型機器手掌）之機構設計。所使用的致動器中，無論是主流的馬達類型或是油壓、空壓、人工肌肉驅動類型，皆需搭配位置或扭力感測器與高反應體內網路，才能達成精準的控制輸出。人型機器人的硬體挑戰項目眾多，例如散熱系統、高容量電池技術、防水防滴防塵等，都是長期運用時所需面對的課題。前段提及之「E2-DR」，在馬達（開發出腿部等高扭力需求型處使用之低電壓三相獨立馬達）與體內網路上（使用光纖通訊電纜與低遲延性網路，實現1000~2000Hz的即時處理頻率）達成了輕量與高效能的設計，讓重量僅有約85公斤（美國Boston Dynamics開發之Atlas人型機器人現約150公斤）的人型機器人能於災難現場發揮救災實力。

        介於機器人的系統軟體（大致區分為即時型OS，例如VxWorks，與非即時型OS，例如Linux。後者漸趨多數採用）和應用軟體之間的中介軟體（Middleware）方面，由日本産業技術總合研究所主導開發之OpenRTM-aist是目前許多人型機器人開發團隊的選擇。該組織至今研發多款HRP系列機器人，更於2018年發表了最新型機器人HRP-5P，期許成為新一代人型機器人的共同研究平台。眾多的中介軟體（例如本田技術研究所開發之HRTM等）各有特色，依據需求可作單選或是混合搭配。中介軟體的選擇偏好之相關統計資訊雖不明朗，但可觀察出，現今日本抑或是世界上仍以ROS、ROS2為使用首選。ROS以開放式的模組導向開發模式，集結了廣大的開發者社群，進而正向回饋地產生出許多高效率開發工具。值得一提的是，筆者曾於ROSCon 2018（2018年於西班牙馬德里舉辦之ROS開發者大會，註2）中，於清一色的歐美以及日韓（Renesas社、Denso社、YUJIN ROBOT社等）與會團體中，接觸了我國工業電腦大廠凌華科技（ADLINK Technology Inc.）。凌華科技承接了贊助廠商角色，提供該公司的工業物聯網應用解決方案（DDS系統，為上述ROS2特色之一）予廣大機器人開發社群，令人印象深刻。

        人型機器人的應用軟體中，目前仍著重於環境適應以及運動能力的穩健性提升。拜神經網路學習、高性能GPU計算、與開放式資料庫所賜，環境適應（地面與環境觀察、碰撞或異常檢測、行動計畫）所需面對的複數感測器資訊融合、機率型演算法以及經驗學習理論等，皆有日新月異的進展。另一方面，運動能力的提升，始於1970年代日本早稻田大學開始的二足步行研究。發展出倒單擺模型、目標ZMP模型、地面反向力控制等理論，同時搭配順應性控制器、力矩型控制器手法，達成柔軟地吸收環境回傳的不確定力回饋之餘，穩健地完成步行、跑步等活動目標。上述應用軟體之外，「Human in the loop」設計手法也為近年日本機器人產業頗為倡導的概念之一。原始於製造業工廠的生產線上，人類作業員與機器手臂的相互合作，衍生成為未來機器人於人類社會提供服務時，所需具備的協調學習能力（多以強化學習為手段）以及人機界面（HMI之UX設計）等等的研究課題。另一方面，人型機器人（或是機械化有機體）的思考演算法於將來可能會產生的倫理問題（也稱特異點問題，Robot singularity），相較於歐美，日本產官學界的討論度並不甚高。

        日本人型機器人商用化市場的概況，相較於美國國防部與NASA對於機器人產業之大力贊助與推廣（例如DARPA Challenge、iRobot之商用化、Valkyrie人型機器人等），仍仰賴各家製造業大廠（前述以外尚有IHI社、川崎重工等）、學術機構（東京大學JSK實驗室、大阪大學石黒研究室等）與新創公司（Preferred Networks等）的個別努力。目前為止，除了工業用機器手臂以外，較為成功的商用化成果大致僅為汽車自動、輔助駕駛領域之技術轉移（SLAM技術）與SoftBank社的接待型機器人Pepper。令人耳目一新的是，除了自律型人型機器人，具有操縱端Master與執行端Avatar的遠端操縱型（Tele-operation）之研究開發也於近年備受矚目。降低未來人類執行任務時的負擔與風險為出發點，Toyota社所開發T-HR3機器人（遠端看護用途）、新創公司GITAI社（太空任務執行用途）、與全日空航空以及日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）所聯盟企劃的「AVATAR X Program」等，讓科幻電影般的人型機器人應用令人更加期待。

（註1）IROS 2017會議論文「Development of experimental legged robot for inspection and disaster response in plants」

（註2）ROSCon 2018網站 https://roscon.ros.org/2018/