机器人功能大跃进 成为智能制造的关键要角

2016/09/05 - DIGITIMES企划

台北国际自动化工业展于日前起跑，此次最大亮点，莫过于日本发那科(FANUC)、德国库卡(KUKA)、瑞士ABB、日本安川电机及川崎重工，名列全球工业机器人市占率前五大的业者齐聚参展，堪称拥有最齐全工业机器人品牌的大展。

综观2016年「台北国际自动化工业大展」，参展厂商所象徵的热门领域相当多，举凡云端、虚实整合系统(CPS)、智能自动化设备、智能化服务、互联网与3D打印等备受关注的题材，都被囊括在内，但真正令众多参观人士眼睛为之一亮的，其实另有更具吸引力素材，意即是当前最夯的工业机器人，一次就来了超过15个品牌，且个中涵盖知名的「四大家族」，确实极具看头，也象徵工业机器人市场热力四射。

何以全球工业机器人市场如此畅旺？固然与铺天盖地的工业4.0、智动化等趋势浪潮息息相关，但最根本的症结点，仍在于全球人口正以前所未见的速度老化，预期到了2050年，超过65岁的老年人数将占总人口的17%，足足比现今的8.5%翻了一倍，如此衰老的人口结构，着实象徵劳动人口的迅速流失，包括现在看似拥有人口红利的国家，包括国内及其余新兴国家，也同样无可避免将坠入这个轮回。

全球人口结构老化  得靠机器人补劳动力缺口

在此前提下，制造企业意欲解决这个极为棘手的难题，别无他法，就只能靠着工业机器人、自动化设备来填补人力缺口，连带使得工业机器人前景看涨。

国际机器人协会IFR指出，以大陆为例，2015年每一万名工厂工人里头，仅有36台工业机器人，密度在全球排名第28名，远远被同属亚洲阵营的韩、日、台抛在后面，但在官方积极推动之下，预估今后5年其机器人密度将翻涨8倍，其间在2020年时，每一万名工人就会有150台机器人，应可首度挤入全球前十名。

曾在2011年扬言在3年内建立百万机器人大军的富士康，尽管现今只实际安装了约4万个全面运作的机器人，但已成功整合到富士康旗下最主要的生产基地，譬如昆山、郑州与深圳等地的厂房都已达到「关灯工厂」的境界，意即已实现100%自动化，靠的正是工业机器人。

据悉，富士康自制的Foxbot工业机器人，已具备执行一般制造业厂房超过20种工序的能力，举凡油压、抛光、打磨与品质测试等工作都足以胜任。

看到这里，难免有人对于现今各方热衷追逐工业机器人，感到疑惑与不解，主要是因为，工业机器人并不是什麽新话题，甚至早在50年以前就有此技术，尤其汽车业更堪称是导入工业机器人应用的先驱产业，用途包括了物料输送、组装、焊接与涂料，涉及的机器人型态亦含括多关节机器人、直角座标机器人与水平多关节机械手臂等多种项目，看来运用工业机器人的成熟度并不低，既然如此，为何还把工业机器人当做不可方物的潜力新秀看待？

融入拟人功能  促使机器人性能激增

事实上，这些对时下机器人热潮感到不解的人，他们所言确实有几分道理，工业机器人真的已经存在世界相当久的时间，而且不只是汽车业，其余包括电子、机械、化工与食品等不同类型的制造业，也纷纷加入机器人的应用行列；即使他们讲对了不少内容，但却忽略了一个重要的趋势，也就是过去在产在线执行工作的机器人，与未来在智能工厂内担负人机协作重任的机器人，在内涵上其实是不尽相同的，理当不能一概而论，特别是伴随机器视觉、控制器技术的长足精进，现在工业机器人的能力，已经比过去更为强大。

细究新旧机器人不同之处，如前所述，「影像视觉」可谓相当重要的分水岭。譬如知名大厂FANUC，即自行研发了+Rvision视觉系统，并将之整合在机器人的控制器当中，使得工业机器人不再只是听着命令一动动行事的盲剑客；事实上除了FANUC外，其他机器人供应商皆已投入影像视觉技术的研发，例如展现于机械手臂的Eye in Hand技术，即开始被普遍采用。

业者表示，透过Eye in Hand技术应用，着实具备诸多好处。第一，此技术可以补偿机械手臂在绝对精度方面的误差；第二，能够避免机械手臂在移动时遮蔽机器视觉的视野；第三，开始让机械手臂有能力抓取诸如线材等形状不规则的物体；第四，利用机械手臂夹带机器视觉进行多角度取像，再将影像结合运算，便可重建物体的形状，具体做法是，可以运用一个或多个镜头，计算出物体的2D、2.5D与3D信息，包含物体的位置(x,y,z)、旋转角度(Rx,Ry,Rz)等六个信息，亦可搭配结构光扫瞄物体表面，以提高物体特徵的可见度。

除了视觉外，新旧机器人不同之处还有力觉与触觉，两项能力加上前述的视觉，并称是机器人所具备的三大拟人功能。而机器人之所以能实现力觉与触觉，主要是内含力觉传感器、触觉传感器，前者主要用于测量两个物体之间作用力的三个分量，及力矩的三个分量，也就是量测对机器人的指、肢与关节等运动中所受力道的感知，故可分为腕力觉、关节力觉与支座力觉等；论及触觉传感器，先从触觉谈起，触觉乃是接触、冲击与压迫等机械性刺激感觉的总和，因此可利用触觉帮助机器人进行抓取，进一步感知被抓取物体的形状、软硬等物理性质。有了力？触觉，使机器人不再是没有感觉的木头人。

走出传统围篱　迈向人机协作新局

再者，新一代的智能机器人，也是可以走出传统围篱、拥抱人群的安全机器人。业者表示，传统机器人并非基于与人互动而设计，若未保持安全距离，可能对人类造成伤害，所以基于安全考量需要将机器人隔绝在围篱之内，平时就照既定的程序逻辑来执行固定工作，反观现今谈论的智能工业机器人，重点不再是执行一成不变的固定作业，而是协助人们工作，而且需要随时弹性调整作业项目。

因此显而易见，机器人已经不再是关在围篱背后的工业机具，而摇身一变成为人类的工作夥伴，故在设计上必须讲究安全可靠，并且需要通过美国认可的ANSI/UL 1740国家标准，才能确保对人类无害。

另一方面，从前机器人主要执行单机作业，现在则是拜多机协同控制技术所赐，能够进一步执行多机协作，检视主要技术内涵，在于控制器能提供一对多功能，具备多机协同功能，并采用EtherCAT高速数码通讯、PC Based全软件控制器，至于多机协调作业所涉及的功能项目，则包括了机器人之间的同步，例如Program Synchronization、Motion Synchronization，以及机器人之间作业空间耦合，也就是Geometric Coupling，譬如Load Sharing、Master-Slave。

而在移动方式部份，则从早期的固定式移动、中期的轨道式移动，再推进到最新的自主移动载具。

总结来说，H2M人机协同作业的应用，正在成形发酵，只因工厂空间愈来愈紧凑，迫使企业必须力求空间使用效率的最大化，另外则藉由人与机器人相互分工，藉以有效分担作业负荷，大幅增进工作效能；影响所及，机器人开始走出栅栏，与人类的距离逐渐缩短，同时机器人也具有安全协同作业技术，以及更便利的操作技术。


图说：来自丹麦的机器人制造商Universal Robots，开发UR系列机器手臂，标榜可走出围篱，近距离与人群协同工作；该公司期盼藉由此类产品打开亚太市场，今年(2016)也首度参与台北国际自动化工业展。(来源：Forbes)