機械工業雜誌

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領袖觀點｜讓工業機器人導航系統具有社交意識

刊登日期：2024/08/01

二十一世紀被稱為AI機器人時代，眼下各式各樣的機器人已經逐步進入到社會上的各個角落，其中像是從事接待、導覽的機器人，特別是擬真的人形機器人等，勢必會與我們有許多的互動，賦予它們人類社會社交禮儀的能力也成為新的趨勢，舉例來說，甚至在餐廳慶生的場合，還可以聽到機器人高唱生日快樂歌，藉由社交能力的引進提升了機器人的接受度，也讓它們更能融入人類的社會。
相對來說，對於多數應用在自動化領域的工業機器人來說，似乎並不存在社交的需求，反而是如何能符合應有的安全規範才是觀戰重點吧？的確在井然有序的工廠環境中，面對訓練有素的工作人員與較為固定的運作模式，機器人所需要擁有的社交意識應該就是堅守「保持距離以策安全」，也無須有太多的禮數。但這樣的情形在今天已經有了改變，由於工業機器人的工作場域不再僅限於工廠，像是前幾年，由於疫情關係，人員不能任意移動導致物流往來大幅增加，也讓倉儲自動化的需求迫在眉睫，成為疫情重災區的醫院也有類似的情形，機器人以其足以減少人員接觸的特性，在防疫與醫院智動化上備受期待。
在這些場域當中，就會存在機器人與非專業領域人員接觸的機會，這時候如果機器人還堅持如同在工廠裡所採行的種種最佳化、最短路徑等等運作模式，勢必會讓人產生困擾，也因此，除了安全考量之外，也會有某種「社交」的需求，這也是本篇文章想和大家討論的重點，當工業機器人在公共場域執行任務時，在面對人群時應該具備何種社交能力，有別於上述的服務型機器人，所講求的不是與人的友善互動，而是如何讓它們在執行任務的同時，不至於讓周遭人員產生過大的心理壓力。基於此，我們提出所謂的「具社交意識機器人導航」的概念，並以超商的補貨任務作為範例。
超商幾乎已經成為我們生活中不可或缺的一部分，臺灣超商的密度居世界第二位，平均每兩千人就擁有一間，但由於人力資源短缺，加上長時工作的特性，超商的營運也面臨考驗，像日本部分店家已經不再堅持24小時全年無休，引進機器人進行補貨工作對於超商大有助益，目前學界與業界也均有所投入，像是Seven Eleven、FamilyMart等都已經有示範店；補貨任務非常具有挑戰性，因為貨架之間的走道通常十分狹窄，而且周遭三不五時還可能會有顧客出現，如何能讓機器人成功地完成補貨工作，同時不致於影響到顧客的採購，甚至讓他們全然沒感覺到機器人的存在呢？
圖1顯示陽明交通大學電控所團隊所開發的超商機器人自主補貨系統架構，其中就引入具社交意識機器人導航模組，我們採用工研院機械所打造的移動式機械手臂MARS作為系統平台，MARS結合多軸機械手臂與移動平台，既可在場域中自由移動，又可運用靈巧的手臂取放物件，對於在超商中梭巡、完成商品上下架工作來說是極佳的選擇，再加上機械所也提供相關技術支援，讓開發的過程更為順暢。此系統包括補貨任務規劃、導航、模型預測控制、以及感測器融合等模組，運作情形說明如下，經啟動後，該系統會按時派遣MARS進行巡邏，利用配備的深度相機(Depth camera)檢查貨架是否缺貨，通過任務規劃器確定適當的補貨順序後，接續經由導航功能移動MARS到指定的貨架，再運用控制策略執行補貨，在導航和補貨過程中都會考慮到顧客的存在，由於補貨工作涉及到移動平台和多軸機械手臂的共同運動，因此運用模型預測控制進行協調，在此同時，感測器融合模組融合機器人里程計(Odometer)、光學雷達(Lidar)、與慣性測量單元(IMU)的資訊來達到規劃路徑所需的精確度。接下來，本文會著重於具社交意識機器人導航模組的說明，系統其他單元的詳細內容可參考本實驗室所發表的相關論文。
在工業機器人社交意識的討論中，我們所關切的是如何讓它們在工作過程中降低對周遭人員的影響，包括在心理層面的壓迫性，以上述的超商補貨任務來說，目標就會落在確保MARS的巡航與補貨動作不會導致顧客不方便與不自在。人們通常不喜歡其他人包括機器人靠得太近，因此就會有所謂的個人空間的概念，它的範圍在不同文化、性別、或個人都會有所不同，基於此，一開始學者針對社交導航所提出的策略就是在人的周圍圈出一個圓形區域[1]，如圖2(a)所示，它的半徑大小取決於各自的社交因素，之後的路徑規劃則須避開此區域；接續的研究指出[2]，由於人對於迎面而來的人或物感覺較為強烈，提出利用非對稱高斯函數(Asymmetric Gaussian Function, AGF)來描寫個人空間，讓它的前面大一點、後邊小一些，如圖2(b)所示；為了能涵蓋到更多的社交因素，例如在台灣行人習慣靠右走，日本、香港則是靠左，我們進一步提出讓個人空間可以根據特定社交規範改變它各部位的大小與形狀，將前述的AGF轉換成AGF-SN (Asymmetric Gaussian Function-Social Norm)，如圖2(c)所示。