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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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2011台北國際機器人展 智慧機器人 啟動二次自動化革命

文/陳帝鴻

二次自動化革命來了!國內在七○年代興起的生產線自動化革命,主要為了因應傳統製造業的人力短缺而起,希望機器人能在焊接、搬運、噴漆…等不利於健康的惡劣工作條件下,代替人類工作。對機器人的需求,仍停留在「少樣多量」的專用機階段。如今,隨著3C產業起飛,產業對機器人的要求也產生劇烈變化。因應3C產品生命週期短暫、產品輕薄短小等特質,產業所需要的機器人,不再像過去那樣孔武有力,而是朝向動作靈巧精確、能夠滿足高彈性化生產需求的智慧型機器人發展。
工研院日前於台北國際機器人展發表多款具備高彈性化生產能力的智慧機器人;從零組件研發、軟體設計、智慧視覺伺服系統到零件組裝,都百分之百由國人自主研發。不僅能直接帶動國內機器人關鍵零組件產業升級,所研發的智慧機器人,更能夠迅速針對不同產業的需求,進行客製化調整,滿足現今3C產業的生產需求。不但是台灣業者以自主開發優勢,切入機器人產業的大好契機,更是促使國內製造業根留台灣,並持續邁向高彈性化與高品質自動化生產方式發展的至要關鍵。


在《鋼鐵人》、《變形金剛》等電影當中,機器人可以成為天才發明家的絕佳幫手,狂派金剛甚至可以化身家庭電氣用品監控人類,企圖毀滅世界;在現實生活裡,具備視覺判斷與感知能力的智慧型機器人,也正悄悄推動製造業生產自動化的二次革命。

機器人在製造業中的應用,其實並不是新鮮事。早在1959年就有第一家工業製造廠Unimation在美國成立;國內也在七○年代開始推動生產線自動化,將機器人大量應用在食品、印刷、汽車零配件、金屬鑄造、塑膠製模等傳統製造業。當時使用機器人的著眼點,其一是降低成本、節省人力;其二則是以機器人去代人類去從事3K(骯髒、辛苦、危險)生產環境下的辛苦勞動,有效解決高風險工作環境下的人力短缺問題。機器人的功能,也大多集中在搬運、焊接、噴漆等技術門檻不高的基礎工作層次。

不過,隨著製造業的發展重心,由傳統製造業漸漸轉移至高科技產業,對機器人的需求也大不相同,由過去的「自動化」,漸漸演變為現今的「智慧自動化」,使機器人再度成為顯學,成為歐美各國的發展重點,紛紛投入智慧機器人研發,希望讓機器人從事更為精確細膩、附加價值更高、生產彈性更大、更能因應高品質要求的工作。

根據IFR國際機器人聯盟(International Federation of Robotics)的統計數字,目前全球機器人產值約4,000億新臺幣,正進入「智慧化」的關鍵轉形期。不但歐盟成立EUROP研發聯盟,加速產業機器人的智慧化腳步,美國也提出國家機器人計劃(National Robotics Initiative),投入次世代機器人研發。除了產業型機器人以外,鄰近的韓國和日本,更對目前尚未成熟的具智慧功能的服務型機器人市場虎視眈眈,將服務型智慧機器人的發展,視為下世代明星產業。

尤其台灣製造業在量大、生產技術門檻較低的傳統製造業方面,並未占有太大優勢;如何在台灣製造業目前仍居優勢地位的生產基礎下,繼續向上加值提升,達到製造業服務化,高科技業自動化等目標,在激烈的全球競爭下掌握升級先機,產業機器人的智慧化發展,在其中扮演了關鍵角色。

自主研發促進產業升級

為了協助國內製造業產業升級,工研院在經濟部技術處的支持下,三年來積極投入智慧機器人發展,不但研發出從機械結構、關鍵零組件整合、軟體設計、核心控制系統,都百分之百由國人自主研發的機器人;更融合智慧視覺辨識技術、環境攝影機定位技術等尖端科技,讓產業機器人達成智慧化目標。在服務型的機器人開發方面,也以具備手眼協調能力的機器人Roppie與智慧清潔機器人,成為國內業者切入服務型機器人市場的敲門磚。

經過視覺辨識技術與自行研發核心控制系統的客製化設計,國人自主研發的智慧產業機器人,不但能符合國內製造業的生產需求,使生產線更具彈性,還能直接帶動關鍵零組件產業升級,包括馬達、減速器、控制器等產業,都將直接受惠。在智慧機器人所適用的產業類別方面,不但能符合傳統製造業對人力的需求,以更高的效率和生產彈性,達到降低生產成本的目標,精確靈巧的動作,更能符合3C產業生產自動化的高標準要求。

工研院機械所經理巫震華表示,對國內製造業者來說,在國際競爭之下,自動化的腳步,勢在必行。舉例來說,若業者聘請一個員工,一天最多只能工作8~10小時;若使用機器人,不但能夠一天幾乎工作24個小時,還不需要考慮薪資、勞健保…等人事成本。

台北國際機器人展上看得到的機械手臂,大多數都是國內代理商所代理的國外品牌,國內的製造業者,當然可以買這些國外進口的機器人來使用,但比較大的問題是,國外業者的機械手臂,在軟硬體上都不會針對廠商的特殊需要去修改,機械手臂買來之後,業者要自己想辦法應用到生產線。假設修改進口機械手臂的時間是一個月,那業者所耗費的成本,絕對不僅是購買這具機械手臂的成本,還要再加上一個月的電子設備、人事成本等負擔,絕對不僅是硬體成本而已。

「但是工研院所展出的機械手臂,百分之百是由國人自主研發,在核心結構上都是共通的,能夠針對不同生產線的需要,進行客製化,能夠迅速貼合國內製造業者的需求,」巫震華強調,「除了機械手臂的機械技術以外,工研院也為業者開發控制軟體,能夠針對特定的功能需求修改程式。尤其以國內的製造業者所接到的訂單來說,都是量比較少,但式樣相對多;因為量比較大的訂單,經常都集中在中國大陸。這代表國內的製造業者,必須很頻繁地去換線,因此自動化系統必須要能夠做到愈彈性愈好。」

自動化的關鍵轉型期

尤其台灣目前正處於後ECFA的關鍵轉型期,由國人百分之百掌握智慧機器人關鍵技術,不但能協助台灣製造業者產業升級,在代工生產方面,提升全球競爭力;在大陸薪資結構逐漸調漲的大趨勢下,當初受大陸的低工資吸引去設廠的廠商,也已開始轉向自動化機械生產,對自動化生產設備的需求也隨之提高,並且很有可能優先使用台灣所研發的零組件與智慧機器人系統。對國內相關業者來說,不但是以零組件供應商,切入機器人產業的大好時機,更是以系統供應商的角色,切入智慧機器人市場的絕佳機會。

工研院機械所智慧機器人技術組副組長黃俊弘指出,目前全世界在生產工業用機械手臂的廠商,規模都還很小,還沒有出現一統市場的獨大者。對於台灣廠商來說,只要掌握關鍵技術與零組件優勢,想要以系統供應商的角色切入智慧機器人產業,機會其實還蠻大的。

與工研院合作超過20年歷史的祥儀企業,已針對機器人拆卸工件自動化等多項技術,進行技術轉移。管理部經理王贈祺指出,該公司是製造工廠,搬運工作的低階人力,已經愈來俞難招募;能夠由機器人來取代,再好不過。祥儀也可以把原本投入在搬運人力上的資源和成本,轉投入到研發上頭去,讓研發的能量更強。

過去祥儀企業以生產馬達為核心業務,借助工研院的研發能量,目前正努力從過去的機器人關鍵零組件供應商,升級為智慧機器人系統供應商;甚至也企圖與日韓品牌競爭,積極切入極具發展潛力的服務型機器人市場。王贈祺表示,因為就DC微小馬達的市場來說,利潤會愈來愈少,再加上面臨到大陸業者的競爭,必須向上升級,朝更高層次的系統供應商去轉型。

目前在服務型機器人方面,祥儀企業已有具體成果,正積極以導覽型智慧機器人切入市場,該公司的機器人產品,也是透過和工研院的技轉合作。類似功能的產品,日本品牌機器人的市場售價,大約要新台幣350萬;但因為使用的是國人自主研發的關鍵技術,讓成本可以大幅降低,也使祥儀的產品的售價,非常有競爭力,大約只要日本品牌的三分之一。一場與時間賽跑的二次自動化革命,正全方位起跑。

工研院研發技術重點

◎機器人手機組裝/拆卸單元:

瞄準3C產業的需要,工研院結合視覺辨識技術與最新研發的六軸垂直關節型機械手臂,使機器手臂變得更聰明,能夠自主地從事組裝狀況判斷,以迅速靈巧的動作,勝任精密的手機組裝與拆卸的工作,並且公差只有0.02mm。運用視覺辨識技術的演算,不但在組裝過程當中,能夠檢測出組裝狀態是否有失誤或缺料;在組裝完成之後,還能再利用裝設於機械手臂上的鏡頭,做檢查的工作。

當機器手臂規劃出運動路線後,操作者可以在系統的模擬畫面中,看到規劃的結果,幫助使用者規劃最佳運動路徑。人性化的人機界面,協助使用者更好上手操作。最重要的是,控制這具機器手臂馬達運作的運動控制卡,也是完全由工研院自主研發,並不是買國外的技術。由於整套系統都是由國人自主研發,便能迅速針對不同生產線的需求,進行客製化調整。經過測試,平均組裝一只手機只要60秒;即使再加入複雜的零組件,組裝時間也能控制在兩分鐘之內完成,預期其產能效益可提升50%以上。

工研院預計明年將進一步導入力量控制系統,將力量感測器加入馬達出力軸,讓機器人不僅專注於位置精度,還能兼顧力量大小的控制,達成更高度精密產品的組裝。

◎機器人鎖螺絲自動化:

傳統的機器手臂,必須要將等待被鎖上的螺絲固定在一定的位置;對於業者來說,必須先耗費固定物件的時間和成本,設計夾治具,才能讓生產線運作。工研院將視覺辨識技術與機械手臂相結合,在機械手臂的工作範圍上方,裝設一組鏡頭,將視覺辨識與定位技術,應用於螺絲孔洞搜尋與定位計算。如此一來,機器手臂便具備辨識待鎖螺絲的角度和方向的能力,不需要夾治具先將螺絲固定,不但省下業者去設計昂貴夾治具的時間和成本,也讓生產過程更具彈性。

◎機器人異型件組裝自動化:

目前的3C電子產品主機板的插件,由於物件細小且異質性高,主要還是仰賴人工處理。但透過具視覺辨識能力的自動化機器人設備,可以在主機板插件之前,辨識出小型電容零件的極性位置,迅速而正確的進行電容插件。以直徑6.3mm的小型固態電容為例,從供料到插件,只需要1.5秒即可完成,動作靈巧精確。

在目前的人工處理程序下,大約每100片會有一至兩片插件失誤,錯誤率其實不低。但若以自動化的機械手臂來處理,不但能夠使錯誤率降低,更具備人工所不能及的高速優勢,對電子業與半導體產業的發展,將有很大的幫助。

◎水五金產線動態導引夾取:

傳統的水五金生產線,由於五金形狀各異,業者必須一一設計多種夾治具去夾取,設計之後還必須生產製造,不但耗費資本,也浪費時間。工研院開發動態視覺導引定位技術,使機械手臂能透過視覺辨識系統,判斷各種不同形狀的物件姿態,自動以正確的角度,抓取正在輸送帶上移動的不同形狀水五金零件,完成自動化入料加工動作。

更重要的是,讓業者只要透過軟體修改,就可以用同一條生產線機具,生產多樣化的產品。不但對提升國內水五金業者的國際競爭力,有很大幫助,若結合自動化或加工設備製造商,還能增加國內機器人系統整合商附加價值,滿足大中華區生產需求。

◎機器人沖壓與物料運送自動化:

沖壓與物料運送若採用傳統人工來處理,高分貝的工作環境將對人體健康產生威脅。工研院研發的沖壓與物料運送自動化系統,讓機械手臂替人類代勞。運用視覺與影像辨識系統,引導機器人自動下料與取料,提升機器人上下料定位效能。物料沖壓完成後,還能聰明地自動將物件運送上車,兼具智慧型最短路徑規劃與閃避障礙導航功能。

◎機器人噴漆塗裝自動化與安全保護技術:

機器手臂不但能長時間在惡劣的環境中進行噴塗工作,加入視覺辨識系統之後,系統還能以視覺感應是否有人員或異物進入噴塗工作區域,並依照其遠近距離,改變機器手臂動作的速度;人員越靠近,機器手臂的速度就越慢。機器手臂除了能夠配合不同工件尺寸調整噴塗的路徑以外,還能夠配合輸送帶移動,調整噴槍的位置,從事3D立體不同角度的噴塗作業,達到噴塗途徑最
佳化。

此外,若要噴塗不同形狀、尺寸的各式工件,系統只要修改軟體,就可以調整噴塗路徑,快速調整製程,滿足業者生產線彈性化的需求。

◎機器人裝卸工件自動化:

這是一具六軸產業機器人,從機械結構到核心控制晶片,都由工研院自主研發,目前最大負重20公斤,最大運動範圍1,660mm,主要是搭配工具機使用,負責將物料由料盤夾至工具機上進入製程。透過模擬系統,使用者可以事先在控制介面上,看到3D On-Line運動模擬,使操作更便利。

系統具備防碰撞功能,若在運送過程有可能發生碰撞,機器人就會主動停下來,提升工作環境的安全性。對於大型機械加工廠來說,不但能節省搬運的人力,也能降低搬運時物料掉落或發生碰撞的風險。使用國人自主研發的系統,更有維修迅修、擴充便利,使用界面容易上手的好處。

◎Roppie機器人:

機器人也會當投手?沒錯,工研院現場所展示的Roppie機器人,特地戴上棒球帽,穿上棒球服,以下巴位置的兩個鏡頭,辨識對面九宮格中的特定紅藍圖案,再利用全身的26個自由度,做到手眼協調,執行投球任務,並現場和參展觀眾相互競技,結果當然是經過精密計算的機器人占上風。

這是工研院結合影像特徵辨識技術與手臂控制技術的研發成果,除了初步的投球動作以外,未來還能進一步辨識家中生活物品的擺設角度和方向,以靈活精確的動作,協助銀髮族取放物品。未來將進一步加入語音對話、安全監控、健康照護等功能,提供互動陪伴,成為居家服務智慧機器人,不但能滿足少子化高齡社會的需求,成為銀髮族的居家智慧幫手,也是國內業者切入服務型機器人市場的重要契機。

◎智慧清潔機器人:

智慧型吸塵器對一般民眾來說並不陌生,但由工研院所研發的智慧清潔機器人,不但具備專利智慧粉塵偵測功能,能夠自行判斷最有效率的清潔路徑,還能夠針對粉塵多寡,自動調整吸力的大小,兼顧經濟節能;專利智慧渦輪模組,具備低噪音、大吸力、高流量特色,可以達到超靜音智慧清潔效果。

若進一步結合視覺辨識系統,於機身安裝攝影鏡頭與LED輔助照明燈,還能兼具保全監控與居家照護功能。透過網路通訊,使用者可以自遠端透過智慧手機、PDA、平板電腦或筆記型電腦,即時看到家中的狀況,是未來生活居家的絕佳幫手。



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