多重感測技術進駐　機器手臂小巧又伶俐

多重感測技術進駐　機器手臂小巧又伶俐 應用需求的轉變，正在徹底改變機器人產業的風貌。隨著小型加工、電子組裝甚至農業、服務業陸續出現機器手臂需求，近年來機器手臂市場上出現了許多新型態產品，也有不少供應商新面孔出現。  

在機器手臂應用仍高度集中在汽車自動化生產的時代，機器手臂無不是「生人勿近」的重型工具設備。但近幾年在電子產品組裝、甚至農業也開始出現機器手臂需求後，各種可以與人零距離互動的機器手臂開始竄起，並打出協作型機器人的名號與傳統機器手臂做出區隔。  

圖1　愛普生產業科技事務部副總經理王亮國指出，該公司的機器手臂由於具備高速運動與高精準度特性，在台灣的電子製造業者間有很高的接受度。

電子組裝自動化浪潮湧現　台灣機器手臂市場起飛  

整體來說，機器手臂是一個處於起飛階段的市場，尤其是在台灣。愛普生(Epson)產業科技事業部副總經理王亮國(圖1)指出，由於台灣以電子為主力產業，近幾年適逢電子業大力導入自動化組裝，因此台灣的整體機器手臂市場成長相當亮眼。以愛普生為例，2015年該公司機器手臂出貨量就比2014年成長30%。  

台灣市場結構的特殊性也反應在客戶出貨比重的分布上。整體來說，目前全球機器手臂的最主要應用產業仍是汽車產業，電子產業對機器手臂的需求規模還不如汽車業，但愛普生在台灣的機器手臂出貨，卻是以電子產業客戶為主。王亮國評估，愛普生在台灣電子產業所使用的機器手臂市場上，市占率應在5成以上。  

能有這麼高的市占率，跟愛普生機器手臂事業的發展歷史、產品定位，以及公司跟台灣電子產業的深厚淵源有關。王亮國分析，愛普生之所以開始研發機器手臂，原本是為了解決自家電子產品在生產上所遭遇到的問題。因此愛普生的機器手臂，自然很適合應用在電子產品組裝上。  

也因為這樣的歷史淵源，加上愛普生本身還擁有QMEMS感測器技術，具備世界一流的動作與高度感應精確度，因此該公司的機器手臂能夠快速進行各種精準作業，電子產品組裝常見的各種插件作業，都能勝任愉快。  

至於商業關係方面，跟其他傳統機器手臂廠相比，愛普生也具備主場優勢。因為愛普生本來就是電子公司，在台灣也設有採購部門，因此對台灣電子產業鏈的情況相當熟悉。當愛普生決定把機器手臂「自用轉外銷」後，業務關係很快就搭建起來。  

機器手臂小型化　部署更彈性  

關於機器手臂的發展趨勢，王亮國認為，整體來說，機器手臂小型化與智慧化，目前看來是必然趨勢。  

其中，小型化不只是外觀尺寸的縮小而已，活動半徑縮小也是關鍵。機器手臂的占用空間與操作半徑越小，越能夠在生產線上密集部署。傳統機器手臂的底座往往比一個人類作業員的肩膀還寬，加上要保留手臂的旋轉半徑作為安全空間，因此很難在生產線上高密度部署，有時工廠甚至要為了導入機器手臂而對生產線設計進行改造，增加很多成本。  

有鑑於此，新一代愛普生機器手臂除了尺寸大幅縮小外，在運動上也變得更靈活，因此旋轉半徑可大幅減小。王亮國表示，部署一支新手臂所需的空間，大概只跟一名人類作業員所占的空間相當，因此工廠可以不必修改產線布局，直接以機器手臂取代作業員。此外，愛普生新一代機器手臂還可以天吊式部署，亦即將機器手臂固定在天花板上，從上方垂下來作業，增加更多部署彈性。  

力覺/視覺進駐　機器手臂大舉智慧化  

除了外觀尺寸與運動控制技術的精進外，未來機器手臂所具備的感知能力也會越來越多元。目前機器手臂與機器視覺技術搭配運用的案例，已經越來越多，甚至出現視覺引導機器人(Vision Guided Robot, VGR)這個新名詞。  

圖2　NI行銷工程師吳維翰表示，在機器人控制領域，開放的LabView開發環境受到許多系統整合開發者的好評。

國家儀器(National Instrument, NI)行銷工程師吳維翰(圖2)表示，利用機器視覺來引導機器手臂作業的概念，已經發展了一段很長的時間。其基本概念很簡單，就像我們常看到的夾娃娃機一樣，只是以攝影機取代人的視覺去引導爪子抓取物件。  

不過，這類系統在實作時，依據實際需求與作業現場的狀況，可能會變得非常複雜。一般來說，視覺引導機器人的視覺系統需要相當穩定的環境光源，如果環境光源本身經常出現變化，機器視覺的判定準確度就會受到影響。因此，視覺引導機器人的作業環境光源必須有一定控制，例如搭配現場補光系統。  

機器視覺業者康耐視(Cognex)應用工程師林楷威則指出，對VGR應用而言，攝影機能否提供穩定的輸出結果是最關鍵的變數，拍攝的角度、環境的變化、組裝品的品質及產品的多樣性，都會對機器視覺造成的挑戰。除了環境控制外，康耐視也發展出Patmax演算法，其穩定性與可靠性已被長期驗證，廣獲各家機器手臂廠商認可。  

針對樣品參差不齊造成無法取得黃金樣本(Golden Sample)的情況，康耐視Patmax演算法具備Auto tune功能，能夠於多個品質不良的樣本中截取出正確的特徵；在應對產品多樣性方面，Patmax演算法則可支援Multi-Model，能夠更便利的尋找多個不同的產品。  

大量的VGR系統必須簡單且快速部署，其中Vision與Robot的校正為相當重要的關鍵；康耐視使用獨家專利的校正片，透過此技術可快速且精準的解決鏡頭型變及視覺手臂校正問題。  

Vision與Robot為兩個不同的領域，於產品選擇與技術整合上具有一定的困難度。為了進一步滿足製造業者對VGR的需求，康耐視即將出Cognex VRG System套裝軟體，透過Close-loop技術充份讓視覺引導機器人達成工廠智動化。  

此外，目前的機械手臂系統不只具備視覺，力覺感測也已經是標準配備，可以感測手臂對物件施加的力量，或是物件對手臂回饋力道。這項功能對於用機器手臂來檢測產品或執行精密加工任務，是非常關鍵的能力。  

機器手臂整合機器視覺或力覺感測，雖可讓機器手臂變得更加聰明，以便執行各種複雜任務，但也會使機器手臂系統的整合建置難度增加，更考驗導入者的軟體能力。吳維翰表示，NI在機器手臂領域，有許多專業的第三方合作夥伴，可針對機器手臂控制做客製化開發。透過開放的LabView環境，這些合作夥伴所開發的機器手臂方案不只具備機器視覺或力量感測，還可以搭載雷射表面掃描等模組，來檢測產品的表面瑕疵狀況。  

王亮國則透露，軟體開發確實是目前台灣製造業導入機器手臂時的一大門檻。具備相關軟體能力的人才在業界非常搶手，流動性也高。因此，愛普生除了讓自家的機器人程式控制可支援VB、VC、LabView等業界主流程式語言外，另一方面也在汐止設有客戶教學中心，可以提供客戶必要的人力培訓資源。  

協作型機器人發展潛力雄厚　  

除了傳統工業用機器手臂外，近年來機器手臂市場上出現一類名為協作型機器人(圖3)的新產品。這類機器手臂的尺寸普遍比傳統機器手臂小巧，除了荷重量低之外，運動速度也比傳統機器手臂慢。雖然其規格特性使得這種機器手臂的單位時間產出量可能不如傳統機器手臂，但其安全、容易操作的特性，卻使得這類機器手臂在市場上大受歡迎。  

圖3　協作型機器人可以與人類近距離互動，加上操作設定容易，近年來異軍突起，成為機器手臂市場上一大亮點。

Universal Robots亞太區總經理郭明珠(圖4)表示，工業機器人將愈來愈聰明，人員操作技術的門檻也將愈來愈低。如今的工業機器人市場中，協作型機器人儼然成為最新的機器人趨勢之一，且獲得許多廠商的採用。Universal Robots的機器人內建可調式安全系統及軟體，隨插即用的功能，讓機器人能更簡便地與其他軟硬體零組件介接及使用，如握爪、視覺系統等零組件。  

圖4　Universal Robots亞太區總經理郭明珠表示，用機器手臂全面取代人類作業員的說法引發很多討論，但該公司認為，人類在工業生產過程中仍有不可取代的價值。

Universal Robots一向以使用簡便為宗旨。我們相信未來工業機器手臂將朝向協作型機器人發展。以新加坡精密工程公司Sky Engineering為例，該公司面臨薪資不斷上漲、技術勞工日益短少的挑戰，為了在生產成本上維持競爭力，Sky Engineering希望引進工業機器人，以解決上述的潛在問題。  

該公司的廠房設備全天候運轉，公司必須將無趣且重複的工作改為自動化運作以壓低成本。除了效率之外，公司也得考量空間及安全問題。面對房地產價格不斷飆漲，工廠能擴大的範圍有限，導致員工作業範圍相當靠近機具。  

Sky Engineering經過詳細的研究後，發現Universal Robots能滿足他們的需求，決定在CNC機台上試用UR5機器手臂，協助各項清潔及準備工作。該公司很快發現，相較於過往所有工作均仰賴人工，這位「新員工」讓一人同時能操作兩部機台，大幅降低成本，達成過去不可能的目標。  

此外，機器手臂內建力量感測器，可同時解決安全與空間疑慮，讓員工能與機器人相鄰工作，再加上程式設計使用方便，讓員工即便缺乏工業機器人的操作經驗，仍可自行設定機器手臂。尤其是機器人投資報酬率極佳，僅需15個月就能攤平成本。  

機器手臂結合智慧工廠系統　製程走過必留痕跡  

雖然以機器手臂取代人類作業員，對廠方及企業來說，最直接的好處在於節省人力成本與解決勞力短缺問題，但機器手臂所能帶來的效益其實不僅如此。  

王亮國指出，機器手臂傳統上被認為是取代人類執行三K工作(辛苦、危險與骯髒的工作)的理想方案，但在機器手臂越來越進步，整合更多感測技術與網路通訊功能後，機器手臂可以為企業帶來許多人類作業員無法提供的價值。  

例如，現在很多產業都面臨人才青黃不接的情況，有好手藝的老師傅越來越稀少。以金屬件拋光這個機械業常見製程來說，很多老師傅都具備用眼睛跟打磨時的手感來判斷成品是否合格的能力，但隨著這批老師傅逐漸退休，現在具備這種手藝的工人已經越來越少。配備力覺感應能力的機器手臂，可以用數位化的方法把老師傅的手藝轉變成標準化的工業製程，主動配合砂輪機磨損的狀況增加打磨的力量跟時間。  

若把機器手臂結合智慧工廠與大數據分析，還可以為企業創造出更多價值。產品組裝來說，人類作業員在鎖螺絲時，很難準確知道自己究竟花了多少牛頓米的力量來執行這個動作，但配備力覺感測器的機器手臂不只可以感測力道，還能把數據即時儲存在雲端資料庫備查。萬一產品故障或良率有問題，不論是要進行失誤分析(Failure Analysis)或用大數據分析來改善製程，一切都有資料佐證。  

郭明珠也指出，許多工廠裝配線的工作需要高精準度與穩定一致性，這樣的工作適合交由機器人執行，以確保生產品質。許多擁有裝配線的產業均生產高價值的產品，而人為失誤則會增加生產成本，品質穩定與否也是影響營收及事業成敗的關鍵因素之一。  

機器全面取代人力仍是遙遠夢想  

生產自動化技術飛快演進，機器手臂也變得越來越智慧，甚至已經有部分自主判斷跟回應外界情況的能力，因此許多學者都擔心，越來越聰明的機器，將會取代人類在職場上的地位。不過，單就機器手臂這個環節來看，目前機器手臂最能創造價值的地方，還是在代替人類執行人類做不到或做不好的工作上。  

王亮國指出，機器手臂的導入牽涉到許多配套環節，不只是採購機器手臂、安裝、設定那麼簡單。生產製程的特性、企業所面對的市場環境、主事者導入的決心等，都會影響到機器手臂的導入速度。一個很明顯的例子是，即便都是電子產業，有些公司導入機器手臂的速度飛快，但有些則是慢慢摸著石頭過河。  

整體來說，產品越標準化，就越容易導入機器手臂，投資回收的速度也快；但如果產品客製化的程度高，這時候就要有更多配套來輔助，例如把一條龍式的生產線改成細胞式結構或容易切割重組的工作站。但越多配套就代表導入成本跟門檻越高，就經濟效益來說未必划算。  

郭明珠則表示，該公司相信，人類和機器人不應是對立的狀況，有些工作適合交由機器人自動化執行，有些機器與工作則適合由人類來操作。因此，在促進協作的過程裡，必須確保人員與機器緊鄰工作時，也能擁有安全的工作環境。