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【科普】越来越像人?新时代机器人都用了哪些传感技术

【科普】越来越像人?新时代机器人都用了哪些传感技术

作为当代自动化的关键技术,人们对于早期机器人代替简单劳动力的需求已经得到充分满足,但随着当前劳动缺口一去不复返,机器人的使用场景扩大,人们对于机器人的技术要求也进一步提高,寄望机器人能够拥有和人类一样思考、感知,以及在复杂情况下做出判断的能力。而传感器便是实现机器「类人」的核心技术之一。

不过在此之前先说明,由于现今「机器人」一词已逐渐成为一种泛称,虽然市场多以其称呼多关节机器人,但像是应用于快速取放的史卡拉(SCARA)以及高速作业的并联式(DELTA)等也都是机器人的一种,当然还包括天上飞的无人机,以及近来产业相当热门的自主移动机器人(AMR)。不过在这里,我们先聚焦在多关节机器人,至于目前市场火热的AMR,日后则再进一步讨论。

场景一、面对复杂环境与任务 机器人需要「更聪明」

传统机器人须透过专业工程师撰写程序,告诉它「应该做什麽」和「应该怎麽动」,由于比较死脑筋,所以早期机器人大部分都从事着单调、重复性高的工作。

但未来缺工已是既定事实,需要使用到机器人的场景只会越来越多,这使得机器人做得事要比以往更复杂、任务难度更高,且不说找不找得到更多的工程师来写程序,即便找到了,也不可能在未来要求少量多样,但又要同时提高生产效率的条件下,要工程师逐一改写程序,这是相当耗费资源的一件事,因此对于机器人来说,能够具备自我学习、调适与应变的能力,就显得非常重要了。

・视觉

视觉是目前智能机器人最常被广泛使用的感知能力。用途除了常见的物件识别外,路径规划与定位也是近年机器人视觉技术发展的重点。

视觉进一步又可分为2D与3D,特别是3D视觉在一些需要连续运动轨迹的场景中更能凸显出效益,因此近年像是在金属加工产业中的研磨、抛光,或鞋业的涂胶中都能发现这类应用。

举例来说,鞋有各种款式,形状不一、水龙头曲面多,外型复杂,这类所需的路径编程可能多达上百种,如果采用传统编程方式是非常不理想的。而透过3D视觉,则可在撷取物件的3D影像后透过演算法快速推算轮廓,并自动产生路径让机器人进行加工或其他应用。

而视觉技术也被大量应用在引导机器人到达更精准的定位。传统机器人编程可能是透过移动多个手臂点位的教导,让手臂循相同点位重复执移动作,但因为点位均是固定的,所以需要利用大量治具来固定物件,应用弹性也较差,且一旦外力影响改变手臂与物件的相对关系,则所有的点位都要重新教导。
但若机器人能够结合视觉,则可透过识别物件的相对位置,并将座标发送给机器人,或是补偿修正手臂移动的位置,接下来机器人就可以清楚且精准的定位在目标物件上,同时也可以有效减少治具的使用。

・力觉与触觉

除视觉外,力觉与触觉传感器则赋予机器人具有自我调节力量的能力。

像是在执行如研磨抛光、插件、组装这种需要对接触面的力量进行非常精密控制的场景下,力觉传感可以根据受力回馈,调整适当的角度及力道。另一方面,触觉则是包含了视觉没有的信息,例如可以透过与物件接触推估出物件的软硬度、材质、表面光滑程度等信息,进而控制机器人透过最适当、不破坏物体的方式夹取。此种应用最常见于水果的摘取。

场景二、非工程师也能上手 机器人需要「更简易」

前面提到,未来机器人使用场景会越来越多,这些场景不仅在制造业,像是物流、零售、服务业等在后疫情时代对机器人也有强烈需求,因而协作型机器人的发展更是在近年迅速成长。但这些产业过去鲜少使用机器人,更别说自己养专业工程师,也因此,如何让这些非制造业的使用者也能快速上手,简化机器人的操作界面也成为近年技术发展的重点之一。

不只是协作型机器人,现今包括许多工业机器人都具备了顺应教导的功能,可以让使用者直觉地以关节带动机器人的方式移动到所需的姿态来完成教导动作,但若遇大功率或高减速比的机器人,不仅操作者本身很难牵动,精度也会因操作者的经验受到限制。因此有不少机器人制造商就开始透过力觉、甚至是触觉传感让机器人从末端就能感受手指的微小力量,透过手指的推移感应移动方向,以借此驱动机器手臂完成更细微的移动。

场景三、人机协作是趋势 机器人需要「更安全」

并非每个产业都适合发展成无人工厂,因此相较无人工厂一说,近年产业对于人机协作的讨论反倒更为热络,其中一部分原因也在于机器人逐渐走出工厂,开始往零售、医疗、服务、观光等产业发展,这些产业都很难脱离跟人的接触。

传统协作型机器人为了避免发生碰撞意外,经常会使用「接近传感」来防范,这类传感器主要是透过感应「距离」的方式来设定机器人的动作,只要人靠近到不同程度的距离,机器手臂就会从减速一路到停止。不过若人类站在死角,还是有可能出现危险,因此仍有必要考虑其他感应方案以更精进机器人的安全机制。

目前最新的技术方向,是让机器手臂更加接近人的反应,也就是让它拥有「触觉」。不同于传统以「靠近」作为触发机制,这种设计思维则是建立在「触碰」上,透过为机器人装上一层具有触觉感知能力的「皮肤」,就像人类不小心触碰到他人会立刻收回一样,机器人也是如此。协作型机器人的一大特点就是能够与人类在同一个空间或工作区中共工,彼此的距离可能很近,因此,如果时不时因为无意间靠得太近机器手臂就要停下来,那麽工作效率也会大打折扣。

随着人机协作比重增加,市场也预估,未来力觉与触觉传感技术将会是继视觉之后,自动化及智能化应用发展的重点,甚至连Meta近年积极为元宇宙铺路时,过去竟也默默花了七年时间开发触觉手套,可见触觉这项传感技术的发展前景还是非常备受看好的。

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