智慧機器人技術專輯主編前言

作者:

黃甦

刊登日期:2021/07/27

受到COVID-19疫情及中美貿易戰影響帶來的各種巨大改變,製造業供應鏈重組甚至斷裂、勞動力配置吃緊、生產停滯等問題,迫使製造業深切體認到維持生產產量以及降低人力作業依賴的必要,且開始正視數位轉型的重要性。過去這些自動化與數位轉型對多數業者而言,只是一個市場發展的趨勢,可以慢慢進行。但現今遭逢疫情影響,工廠人力不足、調度不便之下,自動化儼然發揮了及時雨的效果,對於製造業而言自動化與數位轉型已不再僅僅為口號。因此,產業開始思考該怎麼走下一步,如何建構更具韌性及快速恢復能力的製造模式,以及如何在無人、遠距的狀態下,仍能夠讓企業和工廠自主運作的新型態營運方式。
自動化機械設備不僅能提高產能,甚至利用高度自動化生產技術與透明的生產機制,隨時依據拉貨需求,快速調配各廠區產能。根據國際機器人協會 (International Federation of Robotics, IFR)近期報告指出,雖然機器人市場短期雖受疫情影響,但推估2021年便會開始回復,在2022年或2023年則能夠回復到疫情之前的水準。工研院產科所(2020)更進一步預估,台灣工業機器人年度裝置量從2021年至2026年的年均複合成長率將可達到7.8%,這些成長數字背後代表的是,機器人在產業自動化的需求下將成為中流砥柱,不再只是科技炫技的工具,而是現實世界中讓產業能持續運作的關鍵。
過去由於傳統工業機器人投資成本高、回收期長且技術門檻高,以致企業導入態度遲疑;觀察近年工業機器人市場,技能化、協作化與高彈性是重要的發展趨勢,根據麻省理工學院( Massachusetts Institute of Technology, MIT)「未來發展工作小組」(Task Force on the Work of the Future)的研究指出,目前工業機器人的應用上仍面臨相當多的挑戰,包含導入產線時的整合、標準(硬體、軟體、通訊與安全)及使用彈性。因此,在硬體之外,如何透過軟體的加持與系統化的建置,讓機器人能夠發揮最大功能。以趨勢來說,協作型機器人(Collaborative robot, Cobot)則因為能配合產業需求彈性部署調度,除了容易設定安裝使用,也適用於有限的作業空間,不需裝設安全圍籬就能與人協作,還能較快回收投資成本,開啟了傳統機器人無法切入的市場區塊。未來,隨著第五代行動通訊技術(5th Generation Mobile Networks, 5G)技術的發展,利用5G高速度、低延遲、多連結的特點,融合了伺服器、感測器及雲端AI大腦,搭配邊緣運算控制來整合,使複雜的機器學習可以配置在雲端主機,透過高速網路不斷的將資料上傳與學習,再將進化的模型更新到不同的機器手臂,利用邊緣運算控制器即時控制達到更快速的反應。
在機器人技術研發中,技術將不再只是理論而已,而是要落實應用到產業中,發揮機器人技術的效益。近期已將機器人相關技術結合應用至台灣的傳統產業,例如: 將機器人系統導入百年歷史的玉珍齋的糕餅生產。持續深化虛實整合系統(Cyber Physical System, CPS)應用推出研磨拋光機器人品牌RobotSmith,學習老師傅的「腦」、「手」、「眼」的技藝,透過數位化軟體將老師傅的技藝轉移給機器人,協助台灣水五金產業解決長年缺工、品質不均等產線困擾。與專用的工具機不同,機器手臂是通用型的設計概念,其中最佳化議題就是機器手臂最需要去考量的,目前持續累積數據與強化智慧,擴展落實應用至不同產業,期許在這波數位轉型浪潮中翻轉產業未來。
隨著工業4.0與智慧製造發展趨勢,及消費者消費型態的轉變,單一產品多樣化的行銷模式成為市場主流,製造產業逐步轉型為少量多樣與混線生產模式,加工效率與製造品質的要求漸漸提高,導致傳統倚靠人工打樣、監控與除錯的效率不足以應付客戶需求。相較於以往固定生產線需要不同治具與輸送帶,多機器手臂搭配未來工廠先進物料運送系統Conveyor-2.0,將可以實現分散式去中心化的智慧產線。搭配多機器人的協同控制,需要解決不同機器手臂運動時間差的問題,並提供一個精準的同步機制達成不同手臂之同動操作。當越來越多機器手臂導入工廠後,彈性製造將慢慢被實現,透過多機器手臂協同控制與彈性的物料運送,高度動態與少量多樣生產將可以實現。
近年來自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR)新的概念也被提出。無人搬運車(Automated Guided Vehicle, AGV)和自主移動機器人AMR兩者雖然都可以實現物料運輸,但相比傳統AGV需要被限制在預設規劃路線導航,AMR則可通過其軟體繪製地圖與導入建物圖紙導航,就像一輛裝有全球定位系統(Global Positioning System, GPS)和一組預裝地圖的汽車,能自行找出到達目的地的最有效途徑,輕易繞開障礙物、自動跨層運輸,高效安全地完成工作。同時AMR上方的機械臂能夠進行推拉、抓夾、檢測、噴漆等各項操作,這樣的組成兼顧了移動性以及操控性。自主移動機器人除了可以在單元之間運送材料和零件外,未來若搭配上視覺相關技術應用,使其在運行過程中對零件進行質量控制檢查,大幅減少了浪費並降低了成本。要讓產能最大化,有效率的原料運送與派車是重要關鍵,多機器人路徑規劃問題,不僅是單純的路徑研究,機器人之間的相互協調與配合至關重要,使得該問題具有了一定的難度和複雜,所以我們著重在最複雜的派車演算法,除了可以提供跨廠牌跨導引方式外,針對複雜環境下多移動機器人協同路徑規劃,為各機器人尋求一條從起始點到目標點的最優路徑,保證機器人間以及機器人與動、靜態障礙物之間無碰撞,達到搬運效率最佳化。
工研院近期也攜手台灣國內AGV與AMR相關業者,於2020年10月成立主移動機器人聯盟(Autonomous Mobile Robot Alliance, AMRA) ,透過制定與推動產業有共識的性能規格標準、安全標準、通訊協定標準等,以支持優秀自主移動機器人產品,協助使用者可以更有效地選用到這類優良產品;同時也透過標準化介面來協助產業垂直分工,進而促成自主移動機器人產業生態圈更健全的發展。
本期針對目前工研院所發展的機器人核心技術與產品,收錄10篇相關文章來進行機器人產業與技術介紹。而當產線機器人越來越多,不可避免的會有更多「機器人與機器人」和「機器人與人」協作的場景出現,因此在[機器手臂協作控制技術議題探討]中您能夠看到如何透過機器人控制達成協作與防碰撞功能;而使用者(尤其是機器人新手)最關心與最擔心的機器人路徑調校,則可以透過[機械手臂加工路徑修正技術]與[機械手臂動態精度提升技術]達成路徑最佳化並且持續優化的目標。在[工業機器人於焊接加工之輔助技術]文中,各位能夠看到為了讓機器人能夠更容易被使用在焊接加工應用所開發包含焊接間隙偵測與順應操作模組的輔助技術;[RobotSmith:打造研磨拋光機器數位職人] 則透過虛實整合技術的導入,不只讓傳統製造業更容易上手,也讓產線的工藝技術得以傳承。此外,肩負串連各加工站的自主移動機器人技術,也是工廠自動化不可或缺的一環,[自主移動機器人聯盟與標準介紹]展現了國內AMR產業的凝聚力,期望透過打群架的方式,提升國內產業的技術能量與戰鬥力;在[鋰離子電池發展與自主移動機器人變革趨勢]中能夠看到AMR在能源技術加持下,未來有更大的發揮空間,更能從AGV派車系統之交通管理概論]與[以最短路徑為基礎之派車演算法實作與模擬] 了解當工廠內欲導入多台移動機器人時,能夠搭配軟體進行多車管理,也能夠藉由演算法提高搬運效率進而提高產能。最後,希望透過本專輯豐富的內容,能讓讀者更進一步深入的瞭解機器人技術與市場應用趨勢。更感謝諸位作者研究先進提供的寶貴研究心得,使本專輯能順利完成。

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