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機器人功能大躍進 成為智慧製造的關鍵要角
2016/09/05-DIGITIMES企劃  


台北國際自動化工業展於日前起跑,此次最大亮點,莫過於日本發那科(FANUC)、德國庫卡(KUKA)、瑞士ABB、日本安川電機及川崎重工,名列全球工業機器人市佔率前五大的業者齊聚參展,堪稱擁有最齊全工業機器人品牌的大展。

綜觀2016年「台北國際自動化工業大展」,參展廠商所象徵的熱門領域相當多,舉凡雲端、虛實整合系統(CPS)、智慧自動化設備、智慧化服務、互聯網與3D列印等備受關注的題材,都被囊括在內,但真正令眾多參觀人士眼睛為之一亮的,其實另有更具吸引力素材,意即是當前最夯的工業機器人,一次就來了超過15個品牌,且箇中涵蓋知名的「四大家族」,確實極具看頭,也象徵工業機器人市場熱力四射。

來自丹麥的機器人製造商Universal Robots,開發UR系列機器手臂,標榜可走出圍籬,近距離與人群協同工作;該公司期盼藉由此類產品打開亞太市場,今年(2016)也首度參與台北國際自動化工業展。來源:Forbes
何以全球工業機器人市場如此暢旺?固然與鋪天蓋地的工業4.0、智動化等趨勢浪潮息息相關,但最根本的癥結點,仍在於全球人口正以前所未見的速度老化,預期到了2050年,超過65歲的老年人數將佔總人口的17%,足足比現今的8.5%翻了一倍,如此衰老的人口結構,著實象徵勞動人口的迅速流失,包括現在看似擁有人口紅利的國家,包括中國及其餘新興國家,也同樣無可避免將墜入這個輪迴。

全球人口結構老化  得靠機器人補勞動力缺口

在此前提下,製造企業意欲解決這個極為棘手的難題,別無他法,就只能靠著工業機器人、自動化設備來填補人力缺口,連帶使得工業機器人前景看漲。

國際機器人協會IFR指出,以大陸為例,2015年每一萬名工廠工人裡頭,僅有36台工業機器人,密度在全球排名第28名,遠遠被同屬亞洲陣營的韓、日、台拋在後面,但在官方積極推動之下,預估今後5年其機器人密度將翻漲8倍,其間在2020年時,每一萬名工人就會有150台機器人,應可首度擠入全球前十名。

曾在2011年揚言在3年內建立百萬機器人大軍的富士康,儘管現今只實際安裝了約4萬個全面運作的機器人,但已成功整合到富士康旗下最主要的生產基地,譬如昆山、鄭州與深圳等地的廠房都已達到「關燈工廠」的境界,意即已實現100%自動化,靠的正是工業機器人。

據悉,富士康自製的Foxbot工業機器人,已具備執行一般製造業廠房超過20種工序的能力,舉凡油壓、拋光、打磨與品質測試等工作都足以勝任。

看到這裡,難免有人對於現今各方熱衷追逐工業機器人,感到疑惑與不解,主要是因為,工業機器人並不是什麼新話題,甚至早在50年以前就有此技術,尤其汽車業更堪稱是導入工業機器人應用的先驅產業,用途包括了物料輸送、組裝、焊接與塗料,涉及的機器人型態亦含括多關節機器人、直角座標機器人與水平多關節機械手臂等多種項目,看來運用工業機器人的成熟度並不低,既然如此,為何還把工業機器人當做不可方物的潛力新秀看待?

融入擬人功能  促使機器人性能激增

事實上,這些對時下機器人熱潮感到不解的人,他們所言確實有幾分道理,工業機器人真的已經存在世界相當久的時間,而且不只是汽車業,其餘包括電子、機械、化工與食品等不同類型的製造業,也紛紛加入機器人的應用行列;即使他們講對了不少內容,但卻忽略了一個重要的趨勢,也就是過去在產線上執行工作的機器人,與未來在智慧工廠內擔負人機協作重任的機器人,在內涵上其實是不盡相同的,理當不能一概而論,特別是伴隨機器視覺、控制器技術的長足精進,現在工業機器人的能力,已經比過去更為強大。

細究新舊機器人不同之處,如前所述,「影像視覺」可謂相當重要的分水嶺。譬如知名大廠FANUC,即自行研發了+Rvision視覺系統,並將之整合在機器人的控制器當中,使得工業機器人不再只是聽著命令一動動行事的盲劍客;事實上除了FANUC外,其他機器人供應商皆已投入影像視覺技術的研發,例如展現於機械手臂的Eye in Hand技術,即開始被普遍採用。

業者表示,透過Eye in Hand技術應用,著實具備諸多好處。第一,此技術可以補償機械手臂在絕對精度方面的誤差;第二,能夠避免機械手臂在移動時遮蔽機器視覺的視野;第三,開始讓機械手臂有能力抓取諸如線材等形狀不規則的物體;第四,利用機械手臂夾帶機器視覺進行多角度取像,再將影像結合運算,便可重建物體的形狀,具體做法是,可以運用一個或多個相機,計算出物體的2D、2.5D與3D資訊,包含物體的位置(x,y,z)、旋轉角度(Rx,Ry,Rz)等六個資訊,亦可搭配結構光掃瞄物體表面,以提高物體特徵的可見度。

除了視覺外,新舊機器人不同之處還有力覺與觸覺,兩項能力加上前述的視覺,並稱是機器人所具備的三大擬人功能。而機器人之所以能實現力覺與觸覺,主要是內含力覺感測器、觸覺感測器,前者主要用於測量兩個物體之間作用力的三個分量,及力矩的三個分量,也就是量測對機器人的指、肢與關節等運動中所受力道的感知,故可分為腕力覺、關節力覺與支座力覺等;論及觸覺感測器,先從觸覺談起,觸覺乃是接觸、衝擊與壓迫等機械性刺激感覺的總和,因此可利用觸覺幫助機器人進行抓取,進一步感知被抓取物體的形狀、軟硬等物理性質。有了力/觸覺,使機器人不再是沒有感覺的木頭人。

走出傳統圍籬 邁向人機協作新局

再者,新一代的智慧型機器人,也是可以走出傳統圍籬、擁抱人群的安全機器人。業者表示,傳統機器人並非基於與人互動而設計,若未保持安全距離,可能對人類造成傷害,所以基於安全考量需要將機器人隔絕在圍籬之內,平時就照既定的程式邏輯來執行固定工作,反觀現今談論的智慧型工業機器人,重點不再是執行一成不變的固定作業,而是協助人們工作,而且需要隨時彈性調整作業項目。

因此顯而易見,機器人已經不再是關在圍籬背後的工業機具,而搖身一變成為人類的工作夥伴,故在設計上必須講究安全可靠,並且需要通過美國認可的ANSI/UL 1740國家標準,才能確保對人類無害。

另一方面,從前機器人主要執行單機作業,現在則是拜多機協同控制技術所賜,能夠進一步執行多機協作,檢視主要技術內涵,在於控制器能提供一對多功能,具備多機協同功能,並採用EtherCAT高速數位通訊、PC Based全軟體控制器,至於多機協調作業所涉及的功能項目,則包括了機器人之間的同步,例如Program Synchronization、Motion Synchronization,以及機器人之間作業空間耦合,也就是Geometric Coupling,譬如Load Sharing、Master-Slave。

而在移動方式部份,則從早期的固定式移動、中期的軌道式移動,再推進到最新的自主移動載具。

總結來說,H2M人機協同作業的應用,正在成形發酵,只因工廠空間愈來愈緊湊,迫使企業必須力求空間使用效率的最大化,另外則藉由人與機器人相互分工,藉以有效分擔作業負荷,大幅增進工作效能;影響所及,機器人開始走出柵欄,與人類的距離逐漸縮短,同時機器人也具有安全協同作業技術,以及更便利的操作技術。

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自動化工業展台北國際自動化工業大展工業機器人智慧製造(Smart Production)
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