清華大學機器人有雙溫柔手 醫療照護都上手

 

機械手臂已普遍應用於生產製造，但若要應用於護理及復健，則必須突破手部動作不夠靈巧的瓶頸。清華動機系張禎元教授領導跨域研究團隊，結合AI人工智慧、生物力學與人因工程，研發出有視覺及觸覺、可模仿人手細緻動作的機器人，能像真人一樣抓球、抽衛生紙。

 

清華賀陳弘校長將這個百分之百台灣設計、製造的擬人雙手機器人命名為「清華紳士」(Tsing-Hua Gentleman)，期許他能以精巧溫柔的動作(gentle touch)成為機器人界的醫療照護先鋒。

 

清華紳士配有一「硬」一「軟」的雙手臂，「硬」手有力，「軟」手則要夠「軟Q」。張禎元教授坦言，軟要比硬還難得多，比如應用於新冠肺炎的採檢，機器手得把棉花棒伸進人的鼻孔或咽喉，「動作要輕柔且準確，感受到一定的回饋力道就必須收手，否則就可能破皮流血。」

 

張禎元教授解釋，清華紳士的軟性手模仿人類的手指關節設計，使用氣壓傳動來控制手指彎曲動作，並採用獲得美國專利的演算法晶片來感測手指受到的回饋力道，並進行精準的角度測量。

 

一般機器人抓球或握飲料瓶是機械性地五爪開合抓握；但清華紳士的動作則近似人類般流暢，靠的是先將人類的動作數位化，再一步步教給機器人重現。張禎元教授指出，機器人雙手要做到如人手般靈活，未來才能抱嬰兒，或為病人及老人拍背、翻身。

 

 

為了能讓機器人有「觸覺」，張禎元教授還研發了一種靠磁場及磁力線改變來感測的壓力感知線，比起市面上感測一個方向就要裝一個感測器的系統，它只需要一個感測器就可偵測正面、側面等多方向的力量變化，更像真人的手指。

 

除了靈巧精細的手指，張禎元教授團隊還為清華紳士配備了無死角的七軸手臂，比一般六軸的機器手臂靈活度更高，甚至可將手臂反折往人類手臂無法伸往的角度。清華紳士還有可自由轉動的脖子及3D立體視覺系統，可大範圍掃描周邊物體，擁有「空間感」，並利用AI人工智慧來辨識物件。

 

為了展示清華紳士擁有追蹤物體、避開障礙的視覺系統，張禎元教授跟他玩起「猜猜球在哪個杯子裡」的遊戲。在清華紳士面前擺了3只倒蓋的黑色杯子，並在其中一只杯子裡放進小球，接著迅速調動杯子位置，只見機器人的頭也跟著轉，「目不轉睛」地盯著目標，最終不疾不徐地伸出手來翻開了有球的杯子。

 

張禎元教授是美國卡內基美隆大學機械工程博士，並曾任職於美國IBM，專精機械振動。回台任教後，巧遇當時任職於長庚醫院復健科醫師的小學同學裴育晟，開始合作設計用於手部復健的機械輔具，在科技部輔具計畫的支持下，成功打造「鏡像手」，造福因腦中風而手功能受損的病患，也在清華創新育成中心成立新創公司富伯生醫。

 

「太太的一個要求，讓我決定投入機器人的研發。」張禎元教授笑說，太太有天在電視上看到一個會煮菜的機器人，就說她也想要，「我跟她說那影片是假的，都是動畫模擬出來的，但我也保證會做個真的會煮菜的機器人給她。」

 

台灣將在2026年步入超高齡社會，65歲以上的人口將占總人口五分之一。因此，張禎元教授希望「清華紳士」機器人未來能在醫療、護理、長照、居家層面全方位幫助長者，「除了醫療照護，最好還能煮飯洗碗。」

 

「清華紳士」是清華動力機械、電機、資工教授跨領域合作的結晶，張禎元教授負責機電整合與結構設計，機器人的「腦」則由資工系金仲達教授、黃稚存副教授、朱宏國副教授以及電機系吳誠文特聘講座教授、劉靖家教授主導研發。應用於清華紳士的多項關鍵研發突破，也獲未來科技獎、國家新創獎等大獎肯定。

 

此外，張禎元教授也特別感謝科技部半導體射月計畫的支持，及工研院機械與機電系統研究所合作開發七軸機械手臂。