高速接球的機器人
"工研院機械與系統研究所研發的「灰熊厲害的接球機器人」，由於具備高速視覺判讀技術，可在0.4秒內算出球的運動軌跡，並完成接球動作。"
文／趙俞婷、楊嘉慧
審稿／工研院機械所博士生 張永融、工研院機械所經理 游鴻修
在球類運動中，球員必須根據來球的速度及運動軌跡，預判其落點，才能順利接球。因此，若想要設計一款能接球的機器人，就必須賦予其分辨空間前後位置的立體視覺、預測飛行軌跡，以及快速操控機械手臂接球等能力。工研院機械與系統研究所研發的「灰熊厲害的接球機器人（下簡稱接球機器人）」，就是同時擁有這些能力的設計。
圖為工研院的灰態厲害機器人。（影像來源：工研院）
接球機器人的內部是一隻有六個自由度的機械手臂，手臂長60公分，接球的網子直徑約15公分，工作範圍在半徑75公分的半圓球內。接球機器人前方架設兩台以仰角60~70°（註1）面對發球位置的攝影機（畫質是640 x 480像素，每秒60張圖像），捕捉到的畫面會回傳至可接收訊號並進行運算的「嵌入式視覺伺服平台」，做視覺追蹤處理。
從座標值算出運動路徑
嵌入式視覺伺服平台在進行影像追蹤處理時，要先判讀出何者是要追蹤的運動物體。其方法是先拍攝工作環境的影像，並建立背景模型，接著利用背景濾除運算，比對出連續擷取到的影像與尚未發球時的環境背景，找出運動中的球體，即可標示出球在不同時間點的三維空間座標位置（註2）。之後，將座標值傳送到機器手臂內的處理中心，並累積多組瞬間的空間座標值，將這些座標點連成曲線，畫出一小段運動軌跡，就能算出移動球體的初始速度、初始位置、加速度等數值，同時預測出球體運動路徑，及其落到接球機器人工作範圍中的時間與位置，這樣即可成功指派命令使機械手臂完成接球動作。
為了讓接球機器人能在短時間內快速反應，現只取0.07秒內匯入的4組影像即可運算出飛行軌跡（擷取15組影像資料，能更準確地判斷球的軌跡）。目前技術已可做到追蹤移動速度每秒5公尺的物體，並在球進入雙眼攝影機視野後0.1秒內完成影像判讀及預測軌跡，於0.4秒內做出接球動作。
註1.攝影機拍攝角度設計為仰角60~70°，鏡頭只會針對球體飛行上升的運動區域拍照，可避免受到在地面移動的物體或人體干擾。
註2.座標位置的計算是根據攝影機擷取到的畫面，算出球位在攝影機畫面中的影像位置，套入攝影機模型參數，得出球在實際三維空間中相對於攝影機的方向。此方向為球與攝影機之間的連線，兩台攝影機分別有一條連線，兩線的交點就是球的位置。
接球前要先校正
由於機器人與兩台攝影機擺放的相對位置每次都不盡相同，因此接球機器人在接球前要先做校正，以便嵌入式視覺伺服平台抓取到影像後，可以準確計算出三維座標位置，並轉換成接球機器人參考系統中的座標位置，之後再由機器人內部的處理中心計算球的飛行軌跡。校正方法是先將60x85公分大小的黑白間隔棋盤板放置在球上升途中會經過的區域，接著從兩台攝影機擷取到的棋盤圖像中，計算黑白格子的偏斜角度及大小，就能換算出分別的攝影機參數以及兩台攝影鏡頭之間的距離及角度關係。此外，接球機器人底部也裝有雷射測距儀，可以發射雷射光束到黑白棋盤上，算出接球機器人與棋盤間的距離。最後，從攝影機、棋盤以及接球機器人、棋盤的空間關係，即可換算出兩台攝影機與機器人的相對位置與角度。
目前，接球機器人尚有部份技術待克服，如攝影機對準的方向若背景太過於複雜，很容易干擾嵌入式視覺伺服平台的判讀而算錯位置。在自動化產業應用趨勢方面，視覺導引機器人(Vision guided robot)隨著機器人產業發展，因其應用的彈性與智慧性，將漸漸成為主流，工研院「嵌入式視覺伺服平台技術」目前全球領先，未來可依不同自動化需求，進行客製化設計，應用在製造業之智慧型自動化系統等領域。
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延伸閱讀
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【本文轉載自科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】
