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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

出版日期:

正方形 Icon 產業焦點 Focus

機器人創新應用價值

魏茂國

從產品製造的流程組裝,到日常生活的輔助和服務, 機器人的發展已逐漸深入我們身處的環境與場所之中;尤其在智慧化技術的開發整合下, 機器人更可協助提升工作效率及生活便利,也為我們的未來世界添注更具人性化的應用。

早上出門上班前,只需要開啟掃地機器人,就能自 動完成家中地板的清潔工作,回家後即可有乾淨 的居家環境,在減少家事負擔的同時,也提高了生活品質。靠著創新的機器人技術與開發,不只讓我們的生活更為便利,在產業應用上更是所在多有;像是汽車組裝 作業中,就採用不少機器人來協助生產,也連帶提高了製造效率及品質。

或在許多電影當中,也經常可以見到對於未來機器人的想像,甚至能為人類達成許多不可能的任務。事實上以目前機器人的應用,幾乎是在製造產業中擔任輔助生產的角色,尤其是大量生產的場域;而且除了需要搭配較高的生產技術與人力水準外,生產作業的環境和條件也必須規劃得較為完善,才能有利於機器人發揮應有的功能,相對也就能促進品質的提升。

但以當前產業發展所面臨的狀況,其中之一就是勞動成本不斷上升、缺工問題嚴重,促使企業必須要能提供更好的工作環境,降低作業人員負擔,並且避免危險、髒汙等問題,才能吸引人力投入,此時機器人便能夠用來取代部分工作。  另一方面,工研院機械與系統研究所副所長陳來勝表示,由於目前產品特性已走向少量、多樣及客製化生產,因此有別於過去只負責單調、重複性高的工作,現在的機器人還得因應生產線的快速變動,於是就需要提高機器人的智慧化程度,讓生產也能更具智慧化、自動化。

智慧型機器人的優勢與需求,可為產業帶來更高的效益;因而我國自 2006 年啟動智慧型機器人產業發展推動計畫,至 2012 年產值已成長至新台幣 540 億元,預估到了 2013 年還將推升至 900 億元,顯見智慧型機器人已成為快速增長的產業。無論是協助產業製造生產的產業型機器人,以及可以提供生活應用服務的服務型機器人,或是各項關鍵零組件與產品的開發,在更多創新技術的支援下,也激發國內有愈來愈多廠商投入或使用智慧型機器人。

視覺技術促進應用

以工研院在 2013 年台北國際機器人展中推出的「3D 視覺導引機器人」與「視覺伺服取放機器人」,主要就是運用視覺影像技術,讓機器人具備辨識物體的能力,進而控制機器人的取放等動作。其中的「3D 視覺導引機器人」,即可經由雷射掃描為物體建模,辨別不同物體的位置、3D 姿態等,並分辨出適合夾取的角度,再控制機器手臂對物體進行取放、上下料;或者也可以採用事先輸入物體建模資料的方式,讓機器人能在視覺偵測後,能立即快速比對、判定物體。

陳來勝指出,以目前的生產工廠中,為了要擺放、輸送零組件等物品,通常是利用整列機與輸送設備來達成,有些整列機甚至還需要由人力來放置物件,才有辦法進行後續加工組裝,不但需要足夠的廠房空間,作業危險性也較高;像是在水五金產業中,取放水龍頭以進行鑽孔、攻牙加工,以往多要靠人工來操作。因此,若能以「3D 視覺導引機器人」來替代,不僅可把所有物體全部裝在一起,只需由機器人來分辨取放即可,同時還能省下許多設備及空間;目前在汽車渦輪研磨、手機殼取放等作業,也已有實際導入應用。

而在「視覺伺服取放機器人」上,主要則是運用電腦中的圖形處理單元(Graphic Processing Unit, GPU),透過快速的圖形辨識及處理,包括形狀、顏色、大小等,並控制機器人將目標物件夾取出來,且精準地放在正確位置上,這比起由人力來取放的速度還要更快。陳來勝解釋,這項技術所採用的,雖只是一般的工業用攝影機,視覺取像速度約為每秒 30 張,但是卻能快速計算出機器人動作的時機和位置,對於需要反覆取放的工作及輕型的生產應用大有幫助。

像是主機板的插件工作,「視覺伺服取放機器人」就可清楚辨識電容等物件的位置及插腳極性,以及公插是否有歪斜的情況等,避免取用不正常的零組件,同時還能快速找到主機板上的正確腳位,一次插件工作僅約2 秒就可以完成,良率更是近乎 100%。因此這項技術也陸續與國內電子產品業者及食品業者合作,使作業人員的眼力與體能負荷能夠減低,改投入價值較高的工作,同時提升產能與良率。

此外,以一片主機板需要插上 20、30 個元件的工作量,在實際生產應用時,就可於同一生產線上設置多台機器人分工作業,加速整體生產流程及效率。陳來勝並提到,在這項機器人的控制系統中,還具有彈性的派工能力,好比當有機器人因故障需要維修時,就可以將這台機器人原本負責的工作,快速分派給其他機器人,讓生產線能夠不停工地維持生產運作,也不會因更換新機器人而需要花時間重新校準調整。

朝擬人化特色發展

智慧化技術使得機器人更具「人」的特色,也是目 前智慧型機器人的研發方向。以傳統的機器人在投入工作前,都必須要先教導、指揮機器人每一個步驟,才有辦法實地執行工作,相當耗費時間;但透過智慧化技術, 包括視覺、觸覺等感測技術,或是力感測、力回饋的動作與機制,加上更快速的資料分析技術等,能讓機器人 更具有學習及擬人化的特性。

陳來勝舉例,過去要使機器人從 A 點前進到 B 點時,得要先設定好路徑上的定位點與行進環境,機器人才能依照指示路線動作;但現在藉由視覺感測技術,機器人就可以自行確認當前的空間位置並規劃路徑,不需要一步步教導,進而縮短機器人導入運用或生產換線的時間。尤其以往使用視覺感測器,最大的困擾就是運算量大、速度慢,趕不上生產速度;但現在透過技術研發克服問題後,像是在 3C 等需要處理輕小零件的產業或工作就相當合適,例如插件、鎖螺絲、取放等。甚至目前工研院的研發目標,就是「手眼力協調機器人」,特別是加上力回饋的技術後,更可提高應用層面。例如進行汽車組裝工作時,就可藉由更省力的機構來輔助,作業人員只需將擋風玻璃引導至需要裝設的位置即可,無需靠人力搬上搬下,可省下力氣且更安全;同時還可結合力控制技術,設定物體的限制空間,也就是當物體到達非允許的空間時,機器就會自動停下來。

未來力回饋技術則可應用於去毛邊、拋光等製程中,利用機器來操作,可以更精準地控制力道與品質。或像是在插件工作中,還可以藉此模仿人的動作,當插入角度或位置不太正確時,能夠稍加轉動後將物件確實塞入,同時也可讓夾治具、工件、定位等設計與控制的精度不需太高,這也是傳統機器人所做不到的。另外,包括高速化、輕量化,或是可以有多台機器人協調運作,以及人與機器人共同工作等技術,也都是未來產業型機器人的發展方向。

陳來勝表示,雖然產業型機器人的變化不多,但由於是應用在各種生產製造上,能夠影響或創造的產值通 常也較大;服務型機器人則是具有較多的功能與種類, 即使目前還沒有太多產品出現,未來若能更貼近生活需求、成本更可負擔,就有機會擴大應用。同時在技術核心上,二者其實也很相近,只是因應需求及使用場域的不同,而會有不一樣的研發與設計方向。

「運載機器人」就是個明顯例子,因為運載重物的需求在工廠裡到處可見,但以人力來負擔時,卻無法創造太大的生產力;若能透過機器人來搬運,不僅更安全、也更有效率。因而工研院研發團隊在過去二年持續投入運載機器人的研發,並曾推出適合工廠應用,且體積較大、載重較高的運載機器人;今年度則再將這項技術小型化,推出更符合醫療院所環境使用的「醫護運載機器人」,協助醫護人員運搬各種物品。

開發服務型機器人

和先前開發的運載機器人最大不同之處,在於「醫護運載機器人」增加了由視覺與雷射整合的感測器,透過這項新開發的技術,可讓機器人判斷前方空間的變化,好比遇到障礙物時,就能停止前進、避免碰撞,更適合比工廠環境複雜的醫療院所;或可將院區地圖內建於機器人中,並規劃好路徑,就可以免除磁軌的設置,只需藉由感測器來判斷環境、找出路徑。

同時因為「醫護運載機器人」採用了視覺與雷射整合的感測器,如要更改設定路徑也較為容易,不需要重新鋪設磁條;目前運載機器人也已和醫材、汽車、物料搬運設備等業者合作。未來更希望能夠開發出可繞過障礙物、重新規劃路徑的技術,或是讓機器人先走一遍,記下所有環境特徵與配置,以便於路徑更改時的計算。

相對於其他機器人技術,陳來勝表示,雖然運載機器人的技術相對成熟,但過去國內多是引進國外的設備或關鍵模組,除了價格較高,更無法依照需求調整或修改。因此工研院將其中最關鍵的感測器與控制器,透過自行研發並搭配國產馬達和驅動器,使得整台運載機器人成為全國產自製化,當然在降低導入成本的同時,也可讓廠商視載重、精度等需求來調整產品。

近來另一項引起話題的服務機器人,就是由工研院研發推出的「行動輔助機器人」。在「激立」這部微電影中,展示了「行動輔助機器人」協助脊髓損傷的身障朋友重新站起來,辛苦且不斷嘗試的過程,以及可以實 現再次站立的期望,讓許多人都感動不已;因為投入研發工作、趕進度,或是被家人抱怨經常看不到人等等,也是這群研發人員的實際經歷。

提到研發「行動輔助機器人」的緣起,則是在建國百年時的「見證百年騎跡」系列活動中,就有一項身障朋友挑戰自行車環島的行程,使用的是由自行車研發中心所開發、結合工研院 STOBA 鋰電池的身障自行車,當時也提到是否可能由國內研發讓身障朋友站起來的設備,並能創造許多正面效益。於是就在經濟部技術處的支援下,由工研院組成團隊,投入「行動輔助機器人」的研發。

讓脊損傷友重新站立

陳來勝指出,原先研發計畫所設定的目標較大,是希望能讓所有下肢有障礙的朋友都可以站立起來;但後來發現若要因應不同的需求與身體狀況,會造成技術變化彈性太大,因此決定先以脊髓損傷、下肢完全沒有知覺的身障朋友為主。但即便如此,研發團隊在研發過程中仍遭遇不小困難,特別是對一般人來說,起身站立或走路是再自然不過的事,很難體會下肢全無知覺的真實感覺與能夠站起來的意義,尤其更要運用技術的整合及設計,協助傷友們能夠站立、行走。

而且即使同樣是脊髓損傷,也有傷害程度的不同。在與台大醫院及二位傷友的合作協助下,研發團隊藉由參與傷友的復健過程,並配合不同傷友的需求及回饋,反覆地調整、修改,包括機構的設計、控制等。像是在剛開始研發時,由於不曉得走路時髖關節的重要性,就會容易發生跌跤的情況,或是以機器帶動的步態該如何設計,才能有效幫助傷友行走;最終研發團隊只用了 8個月就開發出「行動輔助機器人」,連協助研發的傷友都沒能想到可以這麼快。

以傳統脊髓損傷的復健方式,需要靠上半身的力氣來支撐全身,並透過身體甩動讓腿部向前移動,是個非常費力的過程。但藉由「行動輔助機器人」,只需要以拐杖輔助撐扶,由機器來帶動行走即可;就有傷友認為,若過去的復健方式需要出 8 分力,有了「行動輔助機器人」則只需 3 分力。更重要的是,運用這種更有效的復健輔助,不僅對傷友的生理健康更有幫助,還能提升心理的自信與健全,也更希望未來能夠真正應用在日常生活當中。

目前全球約有 700 萬名、台灣約有 2.4 萬名脊髓損傷的傷友,平均受傷年齡更只有 27 歲,若能利用「行動輔助機器人」來幫助行走,不只能提升傷友的行動能力,還可促進相關技術與產業的發展;同時以國外類似產品價格動輒數百萬元以上,國內自主研發與製造更可降低傷友負擔。陳來勝還提到,未來「行動輔助機器人」還希望能輕量化,由目前的 23 公斤減少為 20 公斤,讓機器人運動起來更順暢,並使馬達出力更小、延長續航力;走路步態與控制模式也會持續調整因應,以符合各種不同的需要。

陳來勝認為,像「行動輔助機器人」這樣的服務型機器人,在研發過程中和生產應用型的機器人有很大不同,因為無論是使用環境或使用者的狀況,都沒有明確的產品規格或使用規範,因此更需要深入了解使用者的需求。

尤其因應高齡化社會,醫療照護的用途,將會是服務型機器人未來的一大發展方向,並在專業技術擴展與應用下,能夠為人類日常生活提供更便利與多元的服務與幫助。

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