機器人及自動化應用 為智慧工廠奠基礎

精密機械研究發展中心 組長 蕭仁忠

以前的精密機械常被人以為是「黑手」，但精密機械研究發展中心(精機中心)智慧化系統發展組組長蕭仁忠引述媒體報導的「影響全世界的60公里」專題指出，以大台中地區為主(從苗栗以南到彰化一帶)的精密機械產業聚落，可以看到機器人及自動化的結合價值，也讓精密機械的價值重新被全世界注意。

蕭仁忠指出，台灣的精密機械產業聚落特色，每一家的廠商產能不見得很大，一年可能只有幾百台，不可能滿足客戶如蘋果的需求，但用分工合作的方式，就能滿足客戶需求。

精密機械的產值也許不大，但蕭仁忠認為卻是根本產業。精密機械產業的範圍包括精密工具機、產業機械、光電及半導體製程設備、智慧型機器人、精密模具以及精密零組件，產值從2010年的新台幣8,600億元，成長到2011年的9,920億元，蕭仁忠認為，精密機械產業在2013年就已由全球第十大躍升為第六大，產值也可望突破兆元，邁向高值化產業的目標指日可待。

隨著智慧工廠的需求不斷演進，原本以自動化為主要應用的機器人，也需要變得更有智慧。蕭仁忠指出，獨立的機器人，不可能支撐一個產業，必須要加入系統整合及應用，精機中心也特別將原來的機器人組，改為智慧化系統發展組，就是著眼於此。

但智慧化系統發展組的範圍與領域，仍是以機器人，尤其是機器手臂為發展核心，往外延伸出更多的智慧加值應用，包括視覺、系統整合、力量控制等，最後與工具機做鏈結，產生更強的競爭力。

以CAD Based機器人程式生成技術為例，由於每一家做機器人的產業，使用的控制語言都不太一樣，加上過去的機器人作業單元，大多仍採用教導方式一點一點去帶，相當耗時費工，而且比較複雜的動作，也會很難帶。因此就有大廠機器人開始配合CAM軟體產出機器人語言，但價格非常昂貴。

蕭仁忠表示，精機中心決定自已做，直接讀入操作對象CAD圖檔，抽取並指定特徵，自動產生產業機器人可用語言，就不用教導。而且具備3D操作介面，可直接點選特徵(如面、輪廓)，並指定為加工路徑。如此一來，就可以根據客戶需求開發對應不同廠牌機器人之後處理器，直接轉出機器人語言。

精機中心是用Open CASCADE(OCC) Libraries來開發，成本比較低，再用Visual Studio來做介面，呈現出3D CAD圖形。精機中心目前已經能用OCC於軟體環境內進行建模動作，也可於軟體環境內對加工機台進行運動模擬，或是生成機器手臂與多軸工具機等加工機台的控制程式碼，也可於軟體環境中選擇加工件之加工路徑並進行路徑設定。

蕭仁忠也展示操作的過程，使用者的操作流程，分別是選擇參考圖以及選擇切割線段；對應程式流程，則是儲存所需參考圖、儲存所選線段並標明後，計算線段起點位置的法向量並繪出，設定差補點，必要時要做刀具半徑補正，從哪個方向進來，如切旋轉角時，刀具要隨時修正。至於模擬的操作方式，依序為建立移動方向、建立移動軸及設定平移距離，可以看到有無干涉，機器手臂的運動方式是否符合預期。

接下來要產生程式碼，蕭仁忠表示，產生的方式有兩種，第一種是根據特徵產生，把每一個插補點的位置找出來，將座標值送進去產生；第二種是用程式去寫。

以汽車零組件及閥類鑄件為例，由於面臨鑄件處理有3K及缺工問題，非常需要機器人。精機中心目前開發的智慧化作業單元控制軟體，以可自動完成鑄件去毛編作業，結合智慧型量測與加工面重建技術，即可解決工件差異性問題，自動完成表面溢料削除以及邊緣去毛邊等兩種作業。

類似的技術也可以用在機器人型鋼電漿加工系統。蕭仁忠指出，由於全球採用鋼結構的建築應用需求激增，但二維加工範圍有所限制，加上型鋼加工步驟多，非常耗時，現有自動化型鋼加工系統佔地過大(約47公尺)、價格昂貴，想要導入的企業，往往會望而卻步。

蕭仁指出，精機中心的解決之道，就是發展三維耦合加工系統，結合機器人、電漿系統及控制平台，光是產線空間就大幅縮小到16公尺左右，而且無銑、鑽、鋸加工，減少刀具廢鐵成本，加工時間也僅佔現有生產線的三分之一，人力耗費也從3人減為1人。

另一個案例則是服務性機器人。蕭仁忠指出，服務性機器人最主要的設計特性，需要移動性及自主性，所以需要有適應環境的能力，如導覽機器人可以依雷射測距儀掃描所得圖形，辨識人類雙腳圖形存在後，根據遊客位置資訊產生智慧化互動功能，如待機時會自動轉向接近的遊客，或是在移動時，遭遊客阻擋去路時，可以發出「對不起，借過一下」的語言，或是在多人圍觀的狀態下，選擇最佳的面向方向。

蕭仁忠表示，服務型機器人會自主移動的關鍵，就是同時定位與建圖技術(Simultaneous localization and mapping；SLAM)，利用雷射掃描器，讓機器人自己建立地圖，並同時自我定位於地圖中，就能知道下一步該往什麼方向移動。

服務型機器人與人互動的能力非常重要。精機中心目前也在發展擬人機械手，一隻手共有1拇指、3手指，共計4自由度，每指1自由度。手指採用平面連桿機構，拇指採用球面連桿機構塑造擬人動作。

另外，精機中心也整合RFID書碼辨識設備、書籍輸送設備、各類書籍分檢設備及圖書運載機器人，開發出圖書自動化分類運載系統，更已用在國立台中圖書館中。

系統具備Dual-mode行走模式，包括2D雷射室內定位導航技術的全自動行走模式，以及磁條感應行走模式，並透過介接模組整合圖書自動分檢系統，由自主移動式機器人全自動承載圖書至各藏書區，使館員能更專注於顧客服務及行政作業。

最後一個案例是伺服馬達轉定子組裝生產線。蕭仁忠指出，由於中國大陸嚴重缺工及勞動薪資上漲的問題，進而帶動產業設備朝向自動化發展，而伺服系統是設備朝向自動化的一項關鍵零件，市場需求與日俱增。但目前廠商於伺服馬達的製造及組裝上，仍然採用半自動及人工作業，對於品質及產量上，接受到相當大的限制。

蕭仁忠指出，轉定子組裝人力需求通常為4人，工序包括入料、脫模、轉定子壓合到貼標出料等共16道工序，單件產出時間180秒，改為全自動化組裝後，如組裝過程最基本的鎖螺絲，也是自動化的關鍵，可以做到同時鎖三支螺絲，配合其他相關技術，單件產出時間大幅縮短為50秒。

但蕭仁忠也指出，很多產品用人工組裝可以克服很多困難，但想要做到自動化，可能就得付出一些代價，例如組裝過程不能用到太小的零件或空間，產線設計就得配合修改，如圓盤式工作站就是自動化常見方式，可在有限空間內完成多站組裝。