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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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正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

MIT 機器人逆勢突圍 攜手產業起飛

張舜芬

高速機械手臂運動控制技術,展現快速穩定的取放效果
高速機械手臂運動控制技術,展現快速穩定的取放效果

工研院在產業機器人研發上,一直追隨臺灣產業發展,以少量多樣量身訂做的方向滿足產業需求。透過創新研發的產業機器人,更使臺灣擁有堅實的電子製造業基礎,如能善用策略及效應,必可將機器人產業推上巔峰。

全球製造業面對人力短缺及效率低落的挑戰,在生產線上大量導入自動化,也帶動機器人產業發展。經濟部工業局估計,2014年臺灣智慧自動化整體產值將從去年新臺幣9千多億元攀升至新臺幣1.1兆元,首度躍升為兆元產業;機器人產值也將從去年新臺幣526億元,增加至新臺幣550億元,尤其以產業機器人為主力,其耐久、耐重複、穩定、快速等優點,也是企業引頸期盼的得力助手。

工研院在產業機器人研發上,一直追隨臺灣產業發展,以少量多樣量身訂做的方向滿足產業需求。今年針對食品業推出首部手眼力控制器整合機器人,可應用在鳳梨酥生產線上,快速夾取整列;與上銀科技合作的人機協同機器人,則強調異型插件技術,以優化生產效率及流程。此外,輕量化行動輔助機器人,能讓脊損傷友更行動自如,包括上下樓梯與斜坡,同時提升臺灣輔具產業國際競爭力。

鳳梨酥機器人 加乘400 億商機

臺灣食品業一年產值高達新臺幣6,000多億元,烘焙占將近十分之一;其中有「臺灣伴手禮」之稱的鳳梨酥,從6年前的新臺幣30億產值,到去年已超過新臺幣250億,每年成長超過20%,今年可望逼近新臺幣400億。

然而食品製造業自動化的一大挑戰,是麵團形狀變異的處理,例如熱熱軟軟剛做好的鳳梨酥,要如何在生產線上快速整列?機器人除了有較能適應烘焙工廠高溫高油環境的優點,透過「腦、手、眼、力」4大技術整合,2秒內即可在動態流水線上完成夾取與整列,面對變形材料也能精準操控。

以產業機器人來說,控制器就如「腦」要機敏聰明,「手」是機器手臂要多軸靈巧,「眼」是視覺辨識要感知敏銳,最後夾爪的「力」要觸覺細膩、力道剛剛好;整合這4大技術,才能在動態環境下達成媲美人工的精準動作。

工研院開發智慧型手眼控制器整合的「鳳梨酥高速取放機器人」,利用架在機器臂上方的1個取像鏡頭,進行每秒30次的即時視覺辨識,將手、眼、力整合於同一控制器內,針對變形多角度麵團完成精準快速(30Hz)的取放,視覺與運動控制器合一更能進一步降低硬體成本。

工研院機械與系統研究所副所長,同時也是智動化產業推動辦公室主任陳來勝指出,目前這款機器人正與臺中的鳳梨酥廠商驗證中,未來也可廣泛運用於其他食品製造業,以機器人自動取放技術,協助食品業生產速率,在質與量上全面提升。

異型件插件自動化 為3C產業注活水

3C 產業是臺灣主力,各式各樣的代工及研發與時俱進,生產線的調整布局也必須靈活因應。以電子業的主機板為例,零組件的針腳數目、排列方式經常改變,組裝時除了位置必須對正、力道也需確實,每個環節都需顧及才能正確交付,而且精準之餘還要兼顧速度。

為此,工研院投入開發異型件插件自動化機器人單元技術,建立主機板之異型元件的自動化生產線,期許協助業者從人工轉型成自動化解決方案,並改善插件精度,提高生產效率及流程。

滿足電子業插件需求的視覺檢視供料與插件技術,在 「2014年臺灣智慧自動化與機器人展」工研院攤位現場大放異彩。由工研院結合上銀科技整合展示的自動化生產線,凸顯成熟的視覺檢視供料技術、人機協同安全技術、異型件插件技術以及自動化系統整合技術。

四站自動化系統一字排開,全線長度約 6 公尺,包括三座 A型6軸、一座SCARA型機器人,宛如合作無間的四兄弟。視覺定位 <0.4mm,眼力超強、感測精準,可大幅改善插件精度,降低複雜的自動化程序,整體有效提升產線生產率 40% 以上。

「像是有正負極的元件,過去以人工插件良率大約是 85%,現在自動化則能提升到 99%、甚至接近100%。」陳來勝說。生產線也整合加裝Kinetic動態感測器,不需加裝圍籬,有人靠近就可預警自動緩速運轉或暫停,確保工安。

包裝組合自動化 加快製造週期

同樣極適合3C 產業應用的,還有高速機械手臂運動控制技術、以及視覺辨識與導引模組技術,皆可應用於產品包裝組合的自動化。

消費性3C產品包裝細巧,除了產品通常還有線材及配件,材質、形狀不一,因此在包裝組合作業自動化時,機器人也必須要能判斷不同材質、掌握零散物件的相對位置,才能快速準確地取料並放置,以加速作業時間並縮短生產週期。

高速機械手臂運動控制技術,是透過機械臂模型建置…動態參數鑑別方法,建立動態行為補償機制,達成末端震動抑制、展現快速穩定的取放效果。視覺辨識與導引模組技術,則是整合多相機辨識多種形變工件姿勢,以判斷輸送帶上移動的包裝盒位置,再進行取料放置,取放時間每件只需 3 秒。

以視覺辨識與導引模組技術建立的視覺導引機器人平台(Vision-Guided Robot Platform),整合軸控機台、機器手、攝影機、以及光源和影像技術,適用導引控制各廠牌之機械手臂。用於產品包裝,可解決震動或整列自動化瓶頸,降低大量冶具設計與製造費用,並可依功能與動作需求設定,縮短上線時間。

臺廠5機器人入選ROBO-STOX

關注全球重要機器人產業的美國「ROBO-STOX」全球機器人與自動化指數ETF,目前規模已超過1億美元,日前公布臺灣有5家廠商入選成分股,數量僅次於日本、德國,肯定臺灣在機器人產業的崛起。ROBO-STOX 於2013年10月在美國那斯達克上市,目前由全球81檔上市股票組成,入選的臺灣公司分別為鴻海、上銀、亞德客、台達電與東元。

工研院機械所技術總監胡竹生表示,入選此基金最多企業是日本,德國第二,臺灣第三。工研院的目標,部分也希望藉由機器人技術,尤其是核心的控制器技術研發,盡可能減少臺灣廠商對國外產製機器人的依賴。幾家入選的廠商,例如上銀也正與工研院密切合作,鴻海與日本軟銀、谷歌也都有合作機器人的計畫。

事實上,產業機器人在汽車製造應用已相當成熟,一直以來由日、德等工業大國主導,而臺灣的汽車工業規模也較為有限。「臺灣的機器人要發展,就要看我們自己擅長的產業,」胡竹生說,3C 產業是臺灣製造業的主力,也是我們熟悉的領域,其他像是半導體業、工具機、食品等產業,也都會是臺灣研發 MIT 機器人的絕佳場域。

力拼兆元產業 臺灣機器人看俏

全球智慧型機器人產業在2010年全球產值估計約為110億美元(新臺幣3,300億元),預計在明年成長至500億美元(新臺幣1.5兆元),2018年更將達700億美元(新臺幣2.1兆元)。
「工業機器人生命週期可以達 80 年,遠超過許多產品,例如 3C 產品的生命週期,」胡竹生說,「我們希望透過機器人,也幫助關鍵產業高值化、建立商業模式,這是我們想與臺廠一起做到的。」

目前工研院也持續與業界、學界構築策略聯盟,與全球接軌,包括與德國、美國 UCLA 大學、日本早稻田大學和東北大學進行交流合作。

根據國際機器人聯盟指出,今年全球機器人需求上看20萬台,較往年成長20%。2015年台灣機器人產業約可達新臺幣650億產值,全球市占率5%07%,然而全球前4大廠商,如日本發那科(Fanuc)、安川電機(Yaskawa),瑞士-瑞典的跨國公司ABB、德國的KUKA,就占了全球機器人市場的6成;如果臺灣機器人產業要更上一層樓,臺廠要單打獨鬥是行不通的。

臺灣擁有堅實的電子製造業基礎,廠商也有群聚的實力與分工的經驗,未來如果能善用策略聯盟平台,發揮群聚效應,提升臺灣機器人與智慧自動化產業之國際競爭力,機器人可望能成為我國未來20年的核心產業。

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