機器人學平衡

文/鄭可安  |2021.10.14
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文/鄭可安 

同學或許有過這樣的經驗:吃完午餐在排隊盛湯時,一不小心舀太大一勺,滾燙的湯幾乎都要從碗緣滿出來的窘境。遇到這種狀況時,同學們通常會如何應對呢?

我想,大部分的同學都會不自覺的壓低身體重心、雙眼視線聚焦在碗裡的湯、小心翼翼地捧著碗,再採用小碎步的方式緩慢走回自己的座位上。過程中,若我們發現湯快要從碗的邊緣灑出來,就會暫時停下腳步,等湯的晃動幅度稍微平緩了,才繼續往前走。

倚靠輪子 靈活度低



仔細回想,在學校中從來沒人特別教導我們,怎麼安全的護送熱湯,但我們的身體卻像本能般的會調整平衡,以最佳的方式完成各種艱難任務。這不起眼的技能,對人類而言可能沒什麼大不了,然而,看在亞利桑那州立大學的電機研究團隊眼中,可不知道羨煞多少機器人。

通常我們會覺得,機器人既然是以程式控制的,一定可以在各方面穩定的運作。但是,用雙腿「走路」對機器人來說,曾經是遙不可及的夢想,甚至目前市面上常見的居家機器人,絕大多數仍以「輪子」的方式前進,這是因為機器人要想依靠雙腳前行,必須「克服摩擦力」及地面「坡度」、路面「材質」等不同地形,徑直的金屬結構怎樣也無法像人類的關節一樣靈活,所以始終沒辦法有太多具突破性的發展。

規律晃動 難以平衡



在自身都難以維持平衡的情況下,機器人要安全運送盛滿熱湯的碗就更困難了。研究團隊記錄下機器人端湯的數據,發現因為它們有著固定的步幅和跨步的頻率,所以碗內的湯就像鐘擺一樣有規律的前後晃動,每一次的週期都激起至固定的高度;一旦湯的高度超過碗壁,就會自然的灑出來,直到碗內剩餘的湯量不足以翻過碗的高度(同學們也可以理解為,以固定速度推動餐車運送湯碗時,湯會有規律的朝前、後灑出固定的湯量,而不是一次把碗內的湯全部灑出來)。

那麼人類端湯時,又呈現怎麼樣的物理狀態?在平衡感的幫助下,湯就像是碗裡的一顆彈珠,只要我們能掌握彈珠滾動的高度,在彈珠滾出碗前即時調整回來,讓它保持在碗壁的高度以內,就可安全無虞的運送熱湯。

在了解到人類和機器人步行平衡的本質差異,未來或許研究團隊能做出即時修正,改良機器人行走形態,也有望改良現行電子義肢不靈活之處。

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