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淡江大學電機系機器人研發團隊 歷年參與國內外競賽心得分享

淡江大學電機系機器人1


文/林怡仲、李世安、劉智誠、翁慶昌

 淡江大學電機系翁慶昌教授於2003年率領機器人研究團隊參與「世界盃機器人競賽」(Federation of International Robotsports Association, FIRA)獲得世界冠軍之後，於2004年成立「機器人足球實驗室」，並開始結合競賽導向、問題導向以及計畫導向的方式帶領學生研發各式的智慧機器人。從2003年迄今，機器人研發團隊已獲得國內外超過240個獎項的成果，目前機器人研發團隊主要分為「輪型組」、「人形組」以及「手臂組」等3組，每年均會參與的國內外競賽主要為「FIRA世界盃機器人競賽」與「上銀智慧機器手實作競賽」，這二項競賽每年都會持續地增加比賽項目的難度，讓參賽的隊伍可以持續地發揮研發創意與提升技術能量來面對各類問題的挑戰。淡江大學機器人研發團隊於「FIRA世界盃機器人競賽」主要參加「視覺全自主足球機器人組」(RoboSot)與「人形機器人組」(HuroCup)的競賽。而在「上銀智慧機器手實作競賽」則是參加「開發組」與「應用組」的競賽，所有競賽過程中都不得有人為遙控，每台機器人都必須靠自主判斷來決定行為決策。目前「輪型組」已12度獲得「FIRA中型視覺自主機器人組」(RoboSot)之「足球賽」(Soccer Game)的世界冠軍，「人形組」亦已9度獲得「FIRA人形機器人組」(HuroCup)之「全能賽」(All Round)的世界冠軍，而「手臂組」從2014年迄今也連續5年獲得「上銀智慧機器手實作競賽」之「開發組」的冠軍。近幾年之「輪型組」、「人形組」以及「手臂組」等3組的成果與心得分享整理如下：

「輪型組」的競賽成果與心得

在2014年，「輪型組」研發團隊是將第五代足球機器人進行升級改造後參與競賽的，第五代足球機器人是一架四輪全方位控制的視覺自主機器人，除了將舊系統運算核心改進為新型工業運算核心來增加機器人整體效能與穩定性外，另外也設計出更加強力穩定的踢球裝置功能，使足球機器人具備了極佳的得分能力，因此第五代足球機器人更具有優勢來獲得2014年FIRA比賽中「中型視覺全自主足球機器人組」(RoboSot)之「足球賽」(Soccer Game)的冠軍。除此之外，「輪型組」團隊也設計一台全新的第六代機器人來參與「RoboSot組」的挑戰賽，第六代機器人是一架三輪全方位控制的視覺自主機器人，此架機器人優越的定位及視覺處理能力，讓團隊獲得了定位挑戰賽(Localization Challenge)冠軍及避障挑戰賽(Avoidance Challenge)季軍的殊榮。在2017年，「輪型組」研發團隊延續在機器人作業系統(robot operating system, ROS)上的開發，在這一年的比賽中將原有的各項技術整合進這套系統中，其中包含即時影像處理、團體進攻及防守策略、混合式定位演算法、動態視窗避障系統、機器人運動控制及網頁式人機互動介面等等。因此在「中型足球機器人組」(RoboSot)之「避障挑戰賽」(Avoidance Challenge)表現優異並獲得冠軍，是2017年唯一完成全部挑戰的隊伍，另外分別拿下「定位挑戰賽」(Localization Challenge)冠軍、「傳球挑戰賽」(Open Creative Challenge)亞軍及「正規足球賽」(Robot Soccer)亞軍。而在2018年，「輪型組」研發團隊在新設立的「足球機器人競速組」(RoboSot Race)取得了銀牌的成績，這個項目需使用統一規格的平台進行對抗，考驗參賽隊伍對策略的開發與技巧。

「輪型組」(圖1)參賽學生的心得整理如下：擔任2014年「輪型組」隊長陳功瀚表示：「在本次的訓練與準備中，將軟體架構改為Linux系統並使用ROS作為系統架構，所以有些未能及時做好最佳的調整，相信未來在完整運用ROS的優勢之下，將可以讓機器人的整體性能更好。」；擔任2017年「輪型組」隊長周立翔表示：「這是第二次帶隊參加足球機器人競賽，2015年克服壓力帶領著團隊順利拿下十連霸，今年在機器人開發上更是突破了很多技術，儘管未能達成四冠王的夢想，今年的失敗將成為我們的借鏡，觸底反彈讓我們明年重返榮耀。」；「輪型組」隊員顏冠庭表示：「在本次在競賽中，靠著影像辨識、AMCL+EKF與馬達回授來定位機器人與辨識各個物品完成定位、傳球、避障挑戰賽與正規賽，比賽期間大家互相幫助努力，經歷了7個月的努力在此次比賽中獲得兩金兩銀的優秀成績！」；「輪型組」隊員阮明達表示：「這次比賽嘗試利用網頁來與影像溝通，並且再次體會到影像對機器人的重要性，只靠一個色模來定義門跟球是一件非常危險的，當有外在環境變化就會影響機器人的視覺。」；擔任2018年「輪型組」隊長張宗翰表示：「今年賽制改變，除循環賽外，增加複賽後的4強決賽，多了機器人的耗損與碰撞的機會，加上參賽隊伍實力相近，強化結構和提升機器人功能成為優先改善目標，目前團隊正積極研發新型機器人，盼趕上明年出賽!」。
淡江大學電機系機器人研發團隊競賽心得分享1
圖1. FIRA輪型機器人

「人形組」的競賽成果與心得

在2014年，「人形組」研發團隊使用所研發設計的第9代人形機器人參加「FIRA人形機器人組」(HuroCup)的競賽，此次第9代人形機器人之外觀並無太大變動，但是機器人內部對一些部分加以升級，換上了新的工業電腦與新的運動控制板，大幅提升了機器人影像判斷的速度與步態控制上的強健性。在本次競賽項目中，憑藉著比以往更加穩定的機器人行走步態，分別在負重爬坡(Lift and Carry)與馬拉松(Marathon)兩個項目獲得冠軍；在舉重(Weight Lifting)與籃球(Basketball)兩個項目獲得季軍。在2017年，「人形組」團隊是以第10代小型人形機器人參加這一年的競賽，人形機器人的雙足行走相較於輪型機器人的移動算是不同的研究方法與技術。由於整個比賽過程中不得有人為遙控，每台機器人都必須具有能夠用視覺影像的方式來自主判斷與行動的能力，因此人形機器人內部必須具有攝影機來擷取周遭的影像及辨識物體的能力，以及工業電腦與運動控制板來讓機器人能自我辨識物體及控制穩定行走的能力。而這一年人形組團隊將機器人內部系統進行更新與轉換，從原本的Windows作業系統換成Linux作業系統，讓第10代人形機器人能夠並行執行影像處理、步態控制以及策略判斷等功能，所以重新開發並且搭載 ROS，最後分別獲得「舉重」(Weight Lifting)季軍、「斯巴達競賽」(Spartan Race)亞軍、「馬拉松」(Marathon)亞軍以及「籃球」(Basketball)亞軍。雖然冠軍數沒有以往多，但是這是系統升級改善的陣痛期，當然比賽難度與參與隊伍的強度增強也是競賽值得參與的地方。而在2018年，「人形組」團隊一樣使用第10代小型人形機器人參加這一年的競賽，但是在這一年首次挑戰人形機器人組(HuroCup)賽事中的所有競賽，整個賽程變得很緊湊，各競賽中間的調整時間與維護時間更成為這次的考驗，最終在舉重項目搶下1金的成績。

「人形組」(圖2)參賽學生的心得整理如下：擔任2017年「人形組」隊長蔡承恩表示：「這是我第三次參加FIRA國際比賽，卻是我第一次擔任隊長，隊員們在比賽過程中除了自己負責的項目，也會幫助其他人進行測試，透過這一次的比賽我們也熟悉了一些新項目的規則與運作方式，希望下一次比賽時能夠拿下好成績。「人形組」隊員陳國瑋表示：「這次比賽的最大收穫就是，當機器人遇到突發狀況，然後這個突發狀況是我能力和知識範圍內能處理的，包含設影機設定以及重灌整個系統套件，或是替換不同的影像開發package，抑或是一出現機器人錯誤能馬上反應是那個環節的問題，能馬上修好機器人然後讓比賽順利進行是給自己訂下的努力目標。擔任2018年「人形組」隊長陳宗勳表示：「由於是首度挑戰所有競賽項目，讓維護機器人狀況成為重要課題。此次團隊發現改善目標，例如減少機器人重量，使其得以靈活操控；另外是強化機器人自主控制系統，讓其能順利排除狀況，目前「人形組」研發團隊也正在積極開發全新的機器人，期望可以趕上2019年的比賽。
淡江大學電機系機器人研發團隊競賽心得分享2
圖2. 人形機器人籃球賽

「手臂組」的競賽成果與心得

在2017年，「手臂組」研發團隊使用所設計的6自由度機器手臂「大黃蜂 MIT(隊名)」與「上銀科技」所提供的機械手臂「淡江尚贏(隊名)」參加「第十屆上銀智慧機器手實作競賽」的「開發組」競賽與「應用組」競賽，分別獲得「開發組」之總冠軍與三個單項冠軍以及「應用組」之總冠軍的佳績。「第十屆上銀智慧機器手實作競賽」的決賽項目包括「智慧堆疊」、「機械揮毫」、「眼明手快」及「智慧裝配」等4個項目。該年這4個項目，除了要求機械手臂必須更靈活、更精準去適應嚴苛的環境外，而「眼明手快」、「智慧裝配」及該年所增加的「智慧堆疊」這3個項目皆須包含影像辨識系統，使得祴年競賽的每一個項目更增添了「AI人工智慧」的元素，所以4個項目均提升比賽的難度。而「手臂組」研發團隊亦迅速尋找新技術與新方法來解決這些問題，例如在於影像辨識的部分，團隊透過大量的照片訓練，運用深度學習(deep learning)的DarkFlow架構來對RGB影像進行物件分割，用以快速找出物件位置，並且配合Tesseract-OCR，使其有更穩定的文字辨識效果，透過兩種演算法的整合來讓機器手臂能夠具有更好的物件自主辨識能力。因此，「大黃蜂MIT」和「淡江尚贏」皆能夠在這些競賽中順利完成任務並拿下佳績。

「智慧堆疊」項目規定機械手臂須於時間內抓取英文字積木，並堆疊至指定區域由上而下排出「2017/HIWIN/ROBOT」。該項目考驗著機械手臂的人工智慧，機械手臂系統必須透過精準的影像辨識來判別場上積木各個面的英文字母及圖形，「大黃蜂MIT」以近乎完美的影像自主辨識能力，穩定地完成各項指定動作，更在零失分的情況下，於該年新設立的「智慧堆疊」項目中拿下這個項目的單項冠軍。

「機械揮毫」項目規定機械手臂抓取多支彩色筆在白色排球上繪製出規定大小的「台灣」圖案並塗滿及寫出「HIWIN」字樣，該項目考驗機械手臂的穩定度、軌跡控制能力及學生們構圖的創意能力。本團隊已多年獲得這個項目的冠軍，該年也不例外，「大黃蜂MIT」及「淡江尚贏」的二隊學生在賽前就發揮創意做好了不錯的構圖。這個創意構圖是以該年「2017台北世界大學運動會」在淡江大學登場的舉重項目為元素，「台灣」圖案化作聖火，「HIWIN」字樣的「W」構圖為舉著槓鈴的雙臂，而兩個「I」分別構圖為手臂上的槓鈴，這個創意構圖深受評審們的青睞。在競賽現場，「淡江尚贏」穩定地完成各項指定動作，獲得佳績。「大黃蜂MIT」在「機械揮毫」任務中，學生臨場的應變表現在這個項目有不錯的積分，讓「大黃蜂MIT」獲得「開發組」總冠軍。

「眼明手快」項目規定機械手臂必須能夠透過視覺辨識判斷洞口位置、顏色與形狀，並讓機械手臂自主完成四種色球、六角柱、方塊及三角柱的分類，該年「眼明手快」項目增加六角柱物件的辨識，使得難度更大幅提升。「大黃蜂MIT」及「淡江尚贏」今年亦更具備了較完整的影像自主辨識能力及穩定的手臂控制能力，並在比賽過程中以一個方塊的分數之差獲勝，以穩定的判別且迅速的完成了此項目，並拿下「開發組」這個項目的單項冠軍。

「智慧裝配」項目規定機械手臂必須透過機械手臂末端的鏡頭設備拍攝影像，並自主辨識準備盒中包含的7個螺帽、5個墊片與5個螺栓，並於時間內進行螺栓、墊片與螺帽分類、螺帽放入無螺紋螺栓中、螺栓放入立方體通孔中及螺帽鎖入螺栓上四項指定任務，該項目考驗機械手臂的速度及影像辨識的精準度，也是在這四個決賽項目中，最具工廠智動化含意的項目。今年這項比賽增加墊片這個物件，而螺帽與墊片很容易會被辨識為相同物件，所以團隊初期為這項辨識嘗試各種方法，在比賽前二周終於有較好的辨識方法。在競賽現場，「大黃蜂 MIT」及「淡江尚贏」能夠順利地完成「智慧裝配」的四項指定任務，且「開發組」拿下這個項目的單項冠軍；而「應用組」也同樣拿下這個項目的最高成績。而在2018年，「手臂組」研發團隊於8月29日至9月1日在南港展覽館參加「第11屆上銀智慧機器手實作競賽」(圖3)，「大黃蜂 MIT」再次蟬聯開發組總冠軍，締造五連霸紀錄。

「手臂組」(圖4)參賽學生的心得整理如下：擔任2017年「手臂組」之開發組隊長葉奕伸表示：「連續四年參加了上銀舉辦的『上銀智慧機器手實作競賽』，在這段期間內也見證了實驗室的『傳承』。自2016年起，實驗室投入上銀比賽的主要人力開始交棒給大專生，本校自第7屆上銀競賽以至今年第10屆的四年時間，已立四連霸不敗紀錄。」；擔任2017年「手臂組」之應用組隊長賴宥澄表示：「從2012年至今，實驗室於上銀競賽的主力，從碩博士研究生逐漸轉為大三專題生，今年參與競賽的隊伍，實力均更甚於以往，而『應用組』每一隊均使用由上銀開發之機械手臂，因此在軟體的開發為決勝關鍵，能在激烈的競爭當中脫穎而出獲得冠軍，實屬不易。」；擔任2018年「手臂組」之開發組隊長機器人博一郭昆龍說：「今年比賽項目有異動，『智慧裝配』項目微調成『智慧分類』、『眼明手快』被『智慧澆注』取代，加上今年競賽提前，讓團隊準備較為倉促。感謝成員們合作，短期內進入狀況並快速達成預期目標，才能維持總冠軍和贏得智慧堆疊、智慧揮毫、智慧分類3個單項冠軍。」。
淡江大學電機系機器人研發團隊競賽心得分享3
圖3. 上銀智慧機器手實作競賽

淡江大學電機系機器人研發團隊競賽心得分享4
圖4. 上銀智慧機器手實作競賽「手臂組」

淡江大學電機系機器人研發團隊競賽心得分享5
圖5. 於2018年舉辦的第23屆「世界盃機器人運動大賽」 （Federation International Robot-sports Association）全體合照














淡江大學電機工程學系講師
林怡仲
淡江大學電機工程學系副教授
李世安
淡江大學電機工程學系助理教授
劉智誠
淡江大學電機工程學系教授
翁慶昌