機械人也大開眼界

劉雲輝教授
機械與自動化工程學系

機械人愈來愈發展得聰明和精確無誤。難怪很多科幻小說想像未來是機械人的世界。

但機械人還有一件事未能做到：用眼看。機械人可以安裝鏡頭，但最後都要由人類的眼睛代勞。因此，執行自由流動動作而非重複任務的機器人，必須有人操控。

這點正是中文大學機械人工程師劉雲輝教授所克服的難題，他用基於視覺的三維移動控制，以創新的方法給予機械人一雙慧眼。只要為具這種視力的機械人編好程式，機械人可獨立操作，應用於工廠、倉庫甚至手術室內輔助醫生。

機械人無法看得見的最大原因，是因為它們沒有深度知覺。人類能即時自然地掌握到深度，但要機械人準確迅速地判斷物件的距離極為艱難。它所看到的，只是一片畫布般的平面，它甚至不知道自己身處在房間的哪個位置。

由於機械人無法理解所在環境，所以吸塵機械人如iRobot的Roomba會隨意在房間移動，直至撞到障礙物如牆壁才轉向。這做法欠缺效率，容易錯過某些位置。

劉教授的目標是消除這個不確定因素 ，他以基於視覺的三維移動控制讓機械人掌握自己位置，而不需要利用室內表現欠佳的全球定位系統。這技術亦容許機械人操控遇壓力則彎曲變形的軟性物件。

身為中大機器人研究所所長、機械與自動化工程學系教授，劉教授將這技術應用到醫學上。他帶領團隊與威爾斯親王醫院合作，開發了兩個機械人系統，目前在測試階段。

其中一個系統可智能操縱內窺鏡；目前醫生通常一手操控內窺鏡，另一手施行手術，顯然欠缺效率。這種新型機械人能獨立移動，醫生腳戴傳感器操控機械人，從而騰出雙手。

另一個有望臨床試驗的機械人，負責輔助腹腔鏡子宮切除手術。手術中需要翻動子宮，讓醫生找出要切除的組織，以進行子宮切除。目前的做法是由助手協助，用工具將子宮定位在適當的角度。

這個輔助工作並不容易，手術需時三小時，有助手甚至在過程中睡着。劉教授的機械人本身具備基於視覺的操縱器，能找出關鍵的組織並按需要調整子宮的角度；最重要是它不會感到沉悶乏味。

要機械人在醫學領域完全自主運作，不會是很快能實現的事，安全措施規定主刀醫生必須一直在場。但手術講求精細，聰明的機械人是難得的好助手。

劉教授的想法，是要讓醫生和機械人相輔相成。他相信未來機械人可獨立地執行基本醫療程序，問題是規定是否容許這做法。

他的團隊率先全球首次嘗試利用圖片作變形操縱，即是由機械人操控可變形的物件，例如海綿、衣物甚至人體器官。當中的程式是要把物件上不同點連起，直至所有點符合正確的位置；邏輯有如有兩個分開的正方形，機械人必須調控到兩個正方形重疊。

要正確編寫機械人的程式，首先必須將問題轉化成數學模型。在過去三十年來的研究中，程式都納入了深度作為分母。深度是可變的，所以一直難以找出解決方案。

劉教授和他的團隊用了四年時間，經過屢敗屢試，將程式重新設定。最終解決方法原來十分簡單，就是從程式中剔除深度。教授指這樣可得出一條簡單的線性程式，產生完美的解決方案。

教授解釋說：「有了深度，配對(mapping)變成非線性，所以很難控制，之前一直沒有人解決這點。我們做了小修訂，將非線性的關係變成線性，就可以將現成的理論應用到這個線性關係 。」

這個修訂剔除了深度並取代掃描效果，透過按必要放大和縮小圖像，實質上抵銷了量度實際深度的需要。

當他們發現了這一點，數學上必要的轉變便呼之欲出。劉教授說：「有時這過程需時十年，需要慢慢改進程式，提高機械人的智能。」

具備視覺的機械人可在倉庫或工廠獨立工作。劉教授與中大深圳研究院合作，研製了智能叉車機械人，同樣配備了這種控制系統。叉車機械人已在江蘇某工廠內移動零件，生產高速火車的部件。

這套視覺系統的應用範圍十分廣泛，劉教授希望可應用到行李處理、操控軟性物件如食物，以及照顧老人等服務。他表示：「目前仍有很多問題要解決，才可讓機械人在自然環境中如人類般可靠而高效率地工作。」

倘中英文版本出現歧義，概以英文版本為準。

 

本文出自中大主網頁（2016年3月）

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