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▌踩著球走的機器人
▌文／賀立斯（Ralph Hollis）
▌翻譯／甘錫安
▌提供／科學人
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聰明伶俐、能四處行走，在家裡、辦公室或看護機構幫我們處理日常活動的機器人，一直是每個人的夢想。這樣的機器人雖然是科幻作家和機器人研究者最愛的主題，卻似乎一直是個遙不可及的夢想。工程師還有很多根本的問題尚未解決，包括機器人的知覺、如何建立周遭環境的模型、自動推理、物品操作和行進方式等。
雖然跟理想之間還有很大的差距，但研究人員已經製作出很讓人驚訝的機器人了。2002年，在加拿大亞伯達艾德蒙頓市舉行的美國人工智慧協會年會上，有個團隊在會場入口處擺了具機器人。這部聰明的機器很快就找到了報到處、簽到參加研討會、接受演講室的分配、自行前往指定地點，最後在預定時間做了簡短的自我介紹。在其他例子中，有些機器人能勝任博物館的互動式導覽員，有些則具備家庭看護助理的功能，有些電腦專家和工程師也為行動系統加裝手臂和手掌，以便操作物品。這些實驗性機器人的行動裝置，都是底部有三或四個輪子的底座，讓機器人靜止時也能穩定站立，設計人員稱它為「靜態穩定」。
高度足以和人類互動的機器人，由於重心較高，所以加速和減速都得慢慢來，同時必須避開較陡的斜坡以免傾倒。為了克服這個問題，靜態穩定的機器人通常身體較寬，以便加大輪距來穩定重心，但如此一來，就會大大限制機器人穿越房門，以及在家具或人們之間穿梭的能力。
幾年前，為了克服必須加大輪距的問題，我決定以單一球形輪當成支撐腳和推進器，製作高高瘦瘦、動作敏捷的機器人。由於機器結構相當簡單，加上重心偏高，因此能朝任何方向快速移動。這套系統採用主動式平衡裝置，可達到所謂的「動態穩定」，也就是它必須不斷修正姿勢，才能維持站立狀態。我發現，以這種概念設計而成的輪式行動機器人，是至今還沒有人研究過的新類型。因為一時找不到更好的名稱，所以我叫它「圓球機器人」（ballbot）。
我和學生已經讓圓球機器人運作了一年多，同時研究其穩定性以及在人類環境中運作的適合程度。這段時間裡，許多來到實驗室的訪客都覺得它的平衡能力很神奇，而且單靠一個球形輪就能四處遊走，也相當厲害。
保持平衡不簡單
人類靠內耳前庭協助維持平衡：前庭的資訊加上視覺等其他感官提供的資訊，一起負責控制腿和腳的肌肉，讓我們能站直而不跌倒。圓球機器人維持平衡的方式也有點類似這樣。首先，機器人必須有個行為目標，例如要停留在一個地方不動，或是在兩定點之間直線行進。其次，機器人必須隨時知道重力的牽引方向，並且能測量身體相對於這個參考垂直線的方向。接下來，機器人的球形輪必須能夠朝任意方向旋轉，並測量自己在地面上的移動路線。最後，圓球機器人必須有辦法（或稱為「控制規則」）處理自己的感測器測量到的資料，發出指令控制球形輪轉動，達成前面所說的目標。
自古至今，解決「垂直問題」一直是極富挑戰性的課題。我們的解決方案大量利用了運算、光纖和微機電系統（MEMS）等領域的最新發展，讓我們能以低成本製造出功能與傳統旋轉式陀螺儀相仿的裝置。
我們使用的系統中有三具正交（互成直角）的光纖陀螺儀，裝設於牢牢固定在圓球機器人身上的盒子裡。這幾具陀螺儀都沒有旋轉質量。每具陀螺儀配有光源、偵測器和一圈光纖。光波在光纖中朝相反方向行進，並且在偵測器上互相干涉。圓球機器人在運作時，三具陀螺儀的角運動感測器分別繞著三個方向的軸旋轉，但不論機器人怎麼行動，光纖內的光波都以固定速度行進。因此在每個感測器中，順時針與逆時針行進的兩個光波之間會有一小段路徑差。在不同狀況下，路徑差會使偵測器上的干涉條紋偏移，產生與角速度成正比的輸出，這是法國物理學家薩尼亞（Georges Sagnac）早在1913年就發現的現象。小型電腦會整合這三個角速度，計算出機器人身體俯仰（前後傾斜）、搖晃（左右傾斜）以及轉向（沿垂直軸旋轉）的角度。
為回報正確的垂直方向，每個陀螺儀都必須計入地球的自轉。另外還有許多較小的效應，在一段時間之後可能造成誤差和漂移。我們的系統中有三具微機電加速度計，同樣成正交排列，跟陀螺儀安裝在一起。圓球機器人四處移動時，這些感測器會即時回報每個方向的加速度值，由電腦合併計算總加速度的方向和大小。這個數值是根據時間得到的平均值，因此加速度計的讀數無法直接用於控制平衡。這個結果是個可靠的長期指標，可為系統指示重力方向，用以校正光纖陀螺儀的漂移。
機器人起步走
以馬達控制球朝各種方向移動的方法有好幾種。我們在設計圓球機器人的驅動構造時，特別力求簡單。我們在桌上移動機械式滑鼠時，滑鼠底部的膠皮滾球轉動，帶動兩個正交的滾軸旋轉，滾軸旋轉的測量值提供資料給電腦，告訴電腦該如何在螢幕上移動滑鼠游標。圓球機器人的運作則正好倒過來，機器人的電腦發出命令，指揮一組馬達帶動滾軸旋轉圓球，讓機器人能在地上朝各方向移動。這種方式可說是「逆向滑鼠球」驅動。目前是以馬達控制球的俯仰和搖晃兩個方向，還有一個馬達（還沒裝上）負責控制身體轉向，讓圓球機器人能面對任何方向。
圓球機器人站在球形輪上，很像是馬戲團小丑貼在球上。這個球是空心球體，表面有一層厚厚的聚氨酯橡膠。這種驅動方式同時具備摩擦和減震兩種特性，因為球和滾軸之間一定會有滑動，所以必須補償回來。另外，球和身體之間有三個滾珠軸承，負責支撐身體重量。
為了計算出球的旋轉和行走距離，我們在每個驅動馬達上安裝了光學編碼器。每個編碼器有一個固定光源，對面有光線偵測器。透明的旋轉光罩（上面有很多不透明細條紋）固定在馬達之間的轉軸上。馬達轉動時光罩跟著旋轉，其上的條紋圖形交替遮斷光束及讓光束通過。圓球機器人的主電腦只要計算交替次數，就可以測出球的旋轉，進而得出行走距離。
控制圓球學問多
簡而言之，圓球機器人依據垂直方向，決定如何旋轉圓球，以便維持平衡及四處移動。幸好，圓球機器人基本上等於是個上下顛倒的單擺，物理學家對這種構造已經研究得很透徹了。我們運用最佳控制理論，決定驅動圓球機器人到達目標的方法或規則，同時盡量降低到達目標所需的工夫。決定規則時必須考慮圓球機器人的八種內部狀態，四種是機器人的前後動作，四種是左右動作。系統根據機器人內的感測器，針對這幾個方向測量或推定機器人的位置與速度、身體是否要傾斜，以及傾斜程度。
我們採用簡化的線性數學模型描述圓球機器人的動態。匈牙利裔美籍數學系統理論學家卡曼（Rudolf Kalman）於1960年發明的方法「線性二次式調節器」，可用來為這類系統推導控制規則。這種方法認為系統內部狀態的測量值與狀態值本身成比例。此外它假定狀態隨時間改變的比率，正比於狀態值加上控制動作（比如馬達轉矩）可能造成的比例影響。卡曼的技術巧妙地隨時間縮小積分函數，函數中包含狀態的二次測量值加上控制動作的二次測量值。這種解決方法會產生一組最終常數，這組常數乘上每一個內部狀態，可及時算出機器人在每一刻的建議（或最佳）控制動作。在圓球機器人的主電腦中，這些計算每秒會執行數百次。若機器人要站立著不動，它的控制規則會試圖將身體的位置與速度，以及每個方向的傾斜和斜率同時調整到零，並且會盡量減少要維持不倒所需的動作。當機器人要從一處走到另一處時，控制規則會自動下令圓球倒轉，使身體傾斜，讓機器人向前加速。接近它的目的地時，圓球會自動加速轉換傾斜角度，同時讓圓球機器人停止。
走進你家客廳
我們剛剛開始嘗試透過無線電與圓球機器人互動。我們計畫加裝一對手臂和能傾斜搖擺的頭，配備雙眼視覺系統和其他許多感測器，希望將這部機器發展成功能強大、擁有高度自主能力的機器人。我們的目標是了解這類機器人在日常環境中跟人類一起行動的表現如何，以及以量化方式比較它和傳統靜態穩定機器人在效果、安全及導覽能力的不同。我們認為，要在日常環境中運作，傳統機器人的發展演進遲早會到達極限。
投注心力開發動態穩定機器人的不只是我們，目前已有其他研究團隊製作出雙輪機器人，在俯仰方向為動態穩定，但在搖晃方向為靜態穩定。這些機器人雖然不像圓球機器人一樣是全向式設計，但也具備相當敏捷的行動能力，尤其是在戶外。長期看來，能具備人類外觀的動態穩定雙足機器人，可能有其優勢，特別是爬樓梯的能力。全世界的研究團隊都在努力開發這些複雜又往往十分昂貴的機器。在此同時，圓球機器人或許可以扮演有趣又有效的角色，用以研究行動機器人在人類空間該如何活潑且優雅地和人們互動。
（本文由科學人雜誌提供，原載於科學人2006年11月號）
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▌11月9日「水星凌日」再度出現
▌文╱科科報編輯小組
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「水星凌日」現象將再度出現，包括台灣等地都可以觀察得到。台灣中央氣象局指出，在台北時間9日日出後，可在太陽面上中心右側偏上方到日面邊緣約一半處，看到像小型太陽黑子般的水星。隨著太陽上升，水星在日面上也逐漸向上移動，在上午8:11水星會從太陽右上方移出。
水星凌日每100年約出現13至14次，上次水星凌日發生於2003年5月7日水星凌日，全台各地也都能見到全部過程。下兩次水星凌日將分別於2016年5月9日和2019年11月11日出現，但發生時間是在台灣夜間，台灣下次要再見到水星凌日需等到2032年11月13日。
由於水星視直徑比日面直徑小194倍，因此需要把日面放大50到100倍才看得到。但千萬不可以用望遠鏡直接觀看太陽，而需以投影的方式，或在望遠鏡筒前加裝太陽濾鏡才安全。
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