顏家鈺 Jia-Yush Yen

精密運動控制之應用與進展

我的研究生涯一直以精密定位為主要的研究領域，見證了從初代磁碟機控制精度 1 μm，到現在後 2 nm半導體製程達到次奈米精度，也見證了其中牽涉的軟體、硬體的創新與進步。軟體方面從以往只有固定的線性控制器架構藉調機疊代來達成所需要的性能，到以線性矩陣不等式為基礎的最佳化。硬體方面從以前數位控制只有 1 KHz、8 bits 的輸出，到現在動輒 10 KHz、16 – 24 bits 的輸出，驅動器的響應也從以往針對硬碟驅動器只有幾克的質量也只能達到百赫茲的頻寬，到今天可能是數十公斤的設備也要達到上百赫茲的頻寬，工程規格也從最終定位進展到運動過程中的瞬時都有其定位規範。而今日計算速度的演進可即時進行複雜的預測控制，精密的軟體模型能力，已經不限是否線性，只藉建立一個性能指標就有可直接進行各式的最佳化，技術重點反而是如何建立合適的指標來適切反映我們對系統各項性能的要求。我與醫師們的合作機會，也讓我能從事手術機器人的研究，強大的運算能力配合軟性機器人的操作容許在微創機器人的運動中加入多個瞬時運動中心，來維持病患切口。也能即時進行雙足機器人的數位孿生，此雙足孿生可以即時摹擬本人的所有動作如行走（圖一）和轉彎（圖二），此雙足孿生機器人維持平衡的所有資訊就可以提供運動輔助、復健醫學甚至外骨骼的控制基礎。我也了解到，需要長時間經驗的累積才能在一個領域建立深入的競爭力與研究眼光。