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人與機器人互動:身體

機器人的身體相當重要。不管是在人形機器人方面,要做出令人願意與之互動的機器人,需在其身體外形上下功夫; 或者是要讓機器人執行某特定功能,例如系列一文章中的堆方塊機器人,需要考慮機器人的身體與環境在物理層面上的互動; 或者是機器人分身可以傳達部分的身體感覺,這些例子,都說明了機器人身體的重要性。

不過,在機器人的領域,機器人的身體直到相當晚近才受到重視,也出現了「受生物啟發的機器人學」(bio-inspired robotics)這個領域。已往的機器人學,並不那麼重視機器人的身體,以及身體與環境之間的關係。往常的做法,多半是讓機器人的中央處理器算好指定的動作,而機器人的身體四肢,就依照傳達到致動器的信號動作。如果我們用擬人化的說法,將中央處理器視為是腦部,那麼以往機器人的運動方式,就是依照腦部所發出的訊號動作。
與生物系統相較之下,這種運動模式極為受限。例如我們觀看某一物體的視覺經驗,會隨著與物體之間的距離變化、或者是光線的強弱,產生很大的差異。此時若是移動身體,從不同的角度注視物體,比較容易判斷物體的顏色、外形,甚至是質地。生物體從身體與環境的互動中獲取資訊以協助判斷,這個顯而易見的事實,並未獲得以往機器人學太多的注意。

因此,以往機器人的設計,不常從生物體的行為汲取想法,也不注重機器人與環境的互動。其實,這種設計的緣由,與我們一般對於生物體或者社會生活的想法也有關係:我們把生物體想像成好比社會組織,是個指令由上而下層層傳遞下來的階層組織,就像公司裡面有董事長、總經理、經理、職員一樣。生物就像是階層組織,由腦部傳遞指令給軀體去行動; 軀體除了執行指令之外,只是被動地從外界接收訊息交給腦部去處理,沒有主動作為的空間。

如果我們對生物體的行為如何促發,有不一樣的想法,或者是社會的組織原則發生變化的話,會不會對機器人的設計有什麼影響?事實上,1990年代,就有些機器人學家試圖從另一個方向來想像行為,不把行為視為是軀體接受訊息、經過腦部處理,然後再下達指令的過程。他們把行為想成是同時發生,而且有著相互關係的許多平行過程的組合。這些過程並不等待一個最高的指令才一一運作,而是在較低的層級各自負責一定的範圍,然後再整合成整體的外顯行為。

在這種想法之下,再利用身體與環境的互動,可以讓機器人學家更簡單地達成目的。提高2足步行機器人或是4足機器貓狗的行走速度,直到目前還是個不小的挑戰。如果機器人的腦部要負責計算行走時每個關節致動器擺動的角度大小,並讓機器人維持身體的平衡,必然得耗費大量的運算資源,因此,無法提升行走速度是可以預見的結果。

有些機器人學家就從生物體的四肢有肌肉幫助運動得到靈感,製作出具有類似肌肉功能的機器人雙足,或者利用彈簧連接機器貓狗每條腿的上下肢。以這種機器貓狗來說,有了這個裝置,就可以用比較簡單的設計達成效果。運用腳與地面的相互作用,機器人學家只需讓機器貓狗的肩部和臀部關節作周期性的運動,就能讓機器貓狗穩定地快速行走。

其實在系列三提到的Kismet,它的設計也是源自這種平行處理的想法。例如它會注意在視域中出現的物體、用視線追蹤其軌跡、會追蹤聲音來源,而如果從事同一動作太久會感到「無趣」,轉而從事別的活動。kismet外顯的行為,是由這些與其它數種行為模組共同組成,而不是只由1個控制中心下達的指令完成。

本系列從機器人與人的互動談到機器人的設計,我們可以發現,機器人的設計其實離不開人類的傾向和社會生活。人類的擬人化傾向,讓人形機器人如雨後春筍般地接連出現,但卻也讓我們瞭解,機器人外表的栩栩如生必須搭配流暢的動作,否則會徒增人們的嫌惡感。而階層化這種社會生活的特徵,也常主導我們對於生物運動機制的想像,而影響了機器人的設計方向。撇開機器人的實用功能不論,機器人為何如此為人著迷,或許正是因為它觸發了人類的擬人化傾向,而設計的方式,也反映著人類看待生物以及社會的觀點上的變化吧!

類別 :[科學][應用科學][技術][高新科技]
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