瞄準智慧製造 機器人三大趨勢

朝向多功能、協作化、聯網化,改善以往機器人功能少、加工動作簡單的窘境

台灣製造業面臨激烈競爭,過去大量生產與低價競爭已非決勝關鍵,如何協助產業轉型升級,是當前的重要議題。根據國際機器人聯合會(International Federation of Robotics,IFR)統計,2018年全球工業機器人出貨量達歷史新高、至38.4萬套,包括汽車、電子、食品和飲料、製藥、塑料及金屬等行業,機器人應用都出現成長,隨著智慧製造發展,傳統機器人已不敷使用,必須朝向多功能、人機協作和聯網化發展,將更有利業者邁向智慧生產。

綜觀工業機器人的發展歷史,1960年代第一台工業機器人在美國誕生,1970年代逐漸在歐美市場興起,當時工業機器人可滿足工廠大量生產的需求,但如今隨著社會消費型態改變,全球製造業面臨急單、少量多樣的生產挑戰,傳統工業機器人也需「改頭換面」,學會新能力,因應新生產模式。

近年正夯的「斜槓」風潮,也吹進製造界,隨著機器視覺、語音和觸覺等面向的技術增進,提升機器人的能力,帶動「斜槓機器人」興起,「斜槓機器人」能於單站作業時提供更多功能,滿足業者多種生產需求,改善以往機器人功能少、加工動作簡單的窘境,未來透過多功能的機器人,將更能滿足客戶的客製化需求。

此外,過去工業機器人體積龐大,希望取代人工完成重勞力、高污染的工作,常應用於骯髒、危險、辛苦的3K行業,工廠考量安全性,會使用圍欄把機器人和作業員隔離,由機器人獨力作業。但現今像3C、醫藥、紡織、食品加工和物流業等產業的機器人使用量逐漸提升,這些產業的特色是產品種類多、產品體積精巧,同時也需要作業員靈活的操作能力,因此需要更小型、可與人共同作業、更安全的機器人,所以機器人朝向人機協作發展,並將軟硬體功能模組化,提供整體的彈性解決方案,滿足當前的製造需求。

而隨著行動數據、物聯網、雲端運算和人工智慧技術如火如荼進展,機器人也朝向聯網化發展,以支援工廠生產系統資訊蒐集與雲端數據交換,增進生產效率和良率,協助業者迎向智慧生產。

為因應近年機器人多功能、人機協作、聯網化的趨勢,工研院也投入開發相關機器人技術,譬如本院的「智慧砂帶機與亮面瑕疵檢測系統」、「線上3D視覺檢測系統」、「驅控式整合關節機器手臂」等,協助業者生產管理更自動彈性,突破智慧製造的升級瓶頸,強化國際競爭力。

在瞄準機器人多功能的動向上,工研院開發智慧砂帶機與亮面瑕疵檢測系統解決從前水五金產線的砂帶機,通常一台只有一種功能的窘境,智慧砂帶機配置兩種砂帶,搭配亮面瑕疵檢測系統,能單站完成由粗到細研磨、拋光,並檢測瑕疵,還能改變砂帶形狀、寬度跟角度來符合各式工件形狀、減少研磨死角,三合一的機型設計能有效利用工廠用地。當前,智慧砂帶機除了應用於水五金產業,更協助全球市占率逾90%的水上摩托車螺旋槳大王般若科技,研磨螺旋槳葉片及分析葉片品質、提高產品良率。

另外,傳統機器手臂採用的接觸式檢測設備,通常只具備2D或3D視覺檢測功能,過去面臨檢測時間長、耗費人力操作、只能檢測小型手機零組件的難題。

為解決此問題,工研院研發非接觸式的線上即時3D視覺檢測系統,結合機械手臂可同時進行2D跟3D視覺檢測,更能檢測大範圍、高曲度的工件,在單站即能完成多樣化產品檢測需求,可應用於航太、車輛運具零組件等檢測,目前已與漢翔航空工業公司合作,檢測其高曲度、大面積的工件。

而在人機協作方面,工研院開發的驅控整合協作型手臂,兼具驅控模組化、小型化、高精度,除了整合馬達、感測器、電源轉換等元件,還可如積木組合,依不同需求組成多軸機械手臂,手臂總重約12公斤、荷重約5公斤、重複精度在正負0.02公釐,可彈性調整臂長與構型,配合業者頻繁變動產線內容。

此外,為迎合萬物聯網的時局,工研院攜手產學研界組成「智慧製造聯網數據加值產業聯盟」,推動跨領域設備聯網標準,讓不同設備聯網溝通無礙,並已參考德國機械公會標準,以及工業物聯網國際主流標準OPC UA(OPC Unified Architecture),制定機器人聯網標準、幫助機器人互相聯網,解決過去機器人沒有共通的數據傳輸標準的窘境。

綜上所述,機器人將更為智慧化與多功能,在製造場域的應用將愈加廣泛,面對瞬息萬變的市場以及勞力短缺,導入機器人已成為必然的趨勢。(本文作者為工研院機械與機電系統研究所所長胡竹生)


協作型機器人 創人機共工新局

傳統的工業機器人在工廠生產線上,因其快速、不具備與人體安全互動的因素,需以圍欄隔開機器與人員。然而,從近年的國際大展均可發現有安全功能的機器人成為焦點,也就是一旦有外力觸碰到機器人,機器人會馬上停止動作,確保人身安全。

例如2019德國漢諾威工業展,在最受矚目的智慧製造核心創新應用展區,就有許多形式的人機協作的智慧製造應用方案,包括:透過工作台上方的攝影機與投影機偵測人類動作,當動作結束後再以機械手臂自動接續後面動作,以達成人機協作的效率與安全;或是讓機器人學習人類思維、應對,達到製程改善、效率提升與機器人操作簡易化之效。

為確保周圍人類的安全,目前協作型機器人有動力和力量的限制。有效荷重愈高,機器人運作的速度越慢,以便能夠在一定的時間內停止,避免碰撞而受傷。目前的協作型機器人大多不超過10公斤有效荷重,約5公斤的荷重是協作型機器人產品的主流,針對汽車暨零組件製造業,預估國外廠商和台灣達明機器人公司都將在未來陸續推出10公斤級以上的協作型機器人。

人機共工下的機器人,首要的安全系統就是需有碰觸立即停止的功能,反應時間可達毫秒等級,觸覺技術在符合ISO10218、ISO/TS15066的標準下,協助工業機器人以最低成本變成協作型機器人,並持續擁有原本工業機器人快、穩、準的特性。有幾家國內外公司發展感測技術來加值工業機器人產品的安全性,例如BOSCH的APAS(Automatic Production Assistants),可利用紅外線感測來偵測碰觸,Blue Danube Robotics的AIRSKIN,利用壓敏電阻感測,而由工研院機械所衍生的新創公司,原見精機的Tactile Sensing,則利用觸覺剪力來感測。他們的特色是透過感測、人機交互等技術與機器人控制技術融合,機器人能與人並肩工作,消除人機之間的隔離防護。

機器視覺也是發展重點之一,機器人與攝影鏡頭相結合,可執行各式各樣的物件辨識與抓取,嵌入式視覺是將電腦視覺應用在機器上,能夠以視覺來瞭解周圍環境,邊緣運算的應用更是趨勢,因具有分散式處理能力,可支援行動運算和物聯網,不僅機器人本身可以處理資料,也可透過內建的電腦或伺服器來處理資料,不必傳輸到資料中心。

國際機器人聯盟公布2018年全球工業機器人裝置量統計資料,全球工業機器人裝置量為38萬4000台,比起2017年僅成長1%,主因是2018年中國汽車銷量呈現28年來首次下滑,以及2018年全球智慧型手機銷量下降5%,導致電子產業應用的工業機器人減少,加上2018年第三季的美中貿易戰導致大環境充滿不確定性,製造業自動化投資呈現減緩或觀望,機械設備投資急轉直下。

迄今為止,協作型機器人的部署主要為中小型企業,2018年協作型機器人的市場規模約4億美元,較2017年僅微幅成長。由於協作型機器人的需求非常多樣且分散,美中貿易戰打打停停,製造業保持觀望態度,預估2019年全球市場規模會較2018年減少。

機器人是工廠自動化中非常重要的工具,功能不斷提升,執行上會更精確、程式的編寫更容易,機器人不僅可快速學會人們所賦予的指令,人員也能安全地操作,協作機器人結合人工智慧、人類智慧、感測能力,建構資深技術操作人員技能的傳承,當機器人技術與人工智慧相結合之後,機器人就不再被固定在安全工作地點內,而是可以和人一起協同工作,這是將來機器人最本質的特徵。(本文作者為工研院產業科技國際策略發展所分析師黃仲宏)

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