SmithOS：機器人單元的核心軟體

作者：

羅元玠、薛涵君、賴振豪、吳祉毅、林景翰、施志軒

刊登日期：2022/07/29

摘要：近年製造業客製化與少量多樣的需求日益增長，複雜性與彈性是未來製造業的關鍵特點，傳統自動化系統固有的軟硬體透過規模化與標準化來降低生產成本並提升效率，然其顯而易見的限制亦是無法適應快速變化且小批量的訂單。先進製造自動化系統中，產業期望達到每單件產品的生產成本與其生產數量關聯最小化，因此工業型機器人以彈性化的優點廣泛應用在噴漆、焊接、組裝、搬運與研磨拋光中。在HMS(Holonic Manufacturing System)[1][2]系統架構中，每一個Holon單元具獨立性與協作性，單元可獨立決策、控制與規劃，彼此間亦可互相轉換、溝通與儲存訊息。SmithOS為一套適用於工業機器人單元的核心控制軟體，具備生產工單介面、製程參數調整介面、機器人通訊控制層(Robot Communication Layer, RCL)、感測器通訊層(Hardware Abstraction Layer, HAL)與多執行緒運行功能[3]，其豐富的功能模塊(function block)與資訊流程圖架構(flow chart)，提供系統整合商快速整合PLC通訊、力量感測器、雷射感測器與2D/3D視覺感測器的功能，以解決製造業常遇到的工件變異、快速換線需求與操作介面複雜等問題。此系統讓操作員不必再擔心產品換線的耗時耗心力，進料視覺辨識可達成自動換線;其製程參數調整介面提供操作者在不使用機器人複雜的示教器下，就能完成製程參數的調整;而系統性的誤差與變異(如:工件變異與設備定位誤差)，可線上透過感測器即時回饋補償，維持生產品質的穩定性。
Abstract：In recent years, the demand for product customization and small-batch production has been increasing in the industrial market. Both complexity and flexibility are considered as the key features of the future manufacturing industries. Through scale production and manufacturing standardization, the existing software and hardware of traditional automation systems do have the capacity to improve manufacturing efficiency and reduce production costs. However, the obvious limitation is that they are not able to adapt to rapid-changing and small-batch orders. In the area of advanced manufacturing automation systems, the production cost of each single product is supposed to be minimized as much as possible compared with its production quantity. Therefore, with the advantages of flexibility, industrial robots are widely used in painting, welding, assembly, palletizing, grinding and polishing. In Holonic Manufacturing System (HMS) architecture, each Holon unit is independent and collaborative, and the units have the capability to make decisions, control and plan independently, as well as to convert, communicate and store information with each other. SmithOS, a core control software for industrial robotic unit, was developed to optimize robotic automation. The software is provided with the production work order interface, process parameter adjustment interface, Robot Communication Layer (RCL), Hardware Abstraction Layer (HAL), and multi-threaded operation functions [3]. The rich function blocks and information flow chart structure of SmithOS can provide system integrators with the functions of quickly integrating PLC communication, force sensors, laser sensors, and 2D/3D vision sensors, so as to solve the frequently encountered problems in manufacturing industries, such as workpiece variation, rapid manufacturing changeover, and complex operation interfaces.
關鍵詞：機器人、網宇實體系統、實時控制核心系統
Keywords：Robot, Cyber-physical system, Holonic manufacturing system

前言
據International Federation of Robotics [IFR]報導2022年機器人應用發展趨勢，其指出市場面臨的主要議題及因而衍生之機器人技術應用發展趨勢[1]。產業正經歷消費及市場需求型態的改變，此劇變驅動企業轉型提供客製化產品及服務。社會、環境因素例如政經因素、貿易戰、供應鏈重組與新冠疫情，加上各種不確定因素導致訂單遽增或陡降成為常態，企業開始轉型及提升，以強化彈性製造及適應變化的能力。機器人應用產業版圖亦隨之擴張，為了解決生產、物流、服務端瓶頸，以往未導入機器人的企業開始認知到機器人解決方案將有效提升企業面對市場變化的能力。
隨著機器人應用普及於各行各業、機器人被賦予的任務更加多元，企業期待更簡易、快速導入，並能執行更精細複雜任務的機器人解決方案。以往倚賴單一機器人導入已不符需求，機器人技術趨勢朝整體解決方案開發及導入；機器人製造商及系統整合商提供軟硬整合方案，以降低產業導入門檻、加速導入時程。軟體亦從原本輔助硬體的角色，逐漸演變為整合完整產品服務生態系統的關鍵，且串聯機器人系統各項硬體，甚至整合營運製造流程，使機器人系統不再只是生產工具，而是協助串聯企業營運流程的要角。
根據ISO 8373所定義機器人系統，其包含工業機器人、端效器、及支援預期任務所需的感測器和設備(例如視覺系統、焊接控制器、點膠控制閥等)、以及任務執行程式[5]。機器人系統中每項元件都可視為獨立個體、具備自主運作完整功能；同時，各元件又是機器人系統的部分，彼此溝通、協作組合而成整體解決方案。此概念呼應Suda(1989)提出的Holonic Manufacturing System [6]，借用自然界生物具備自適應能力、多重角色的彈性概念，闡述對日本製造系統發展方向的見解，並點出當代電腦整合製造(Computer-Integrated Manufacturing, CIM) 技術主流所浮現的問題：製造系統缺乏彈性、對環境變動因素適應力不足、系統欠缺自適應學習能力。時至今日，當年所點出的議題，仍然是現今產業所希冀機器人解決方案突破的瓶頸。
反思台灣產業所面臨的困境與轉型需求，工研院機械所團隊推出研磨拋光機器人品牌RobotSmith，提供整體軟硬解決方案，主要機器人系統產品為MiniCube與MegaCube [7]。並以自主開發軟體完成機器人模擬及路徑參數最佳化、搭載感測器實現製程品質要求、並透過設備定位專利技術實現虛實整合。期許在這波數位轉型浪潮中，RobotSmith以精實的技術能力，攜手台灣產業共創新頁。
SmithOS系統架構介紹
RobotSmith開發目標為與機器人硬體設備高度融合的軟體，其符合三項特點: 單機系統智慧化、兼容各類感測器符合跨應用情境、簡便的使用者操作體驗，圖1為RobotSmith專為小型產品開發的機器人加工系統miniCube。

圖1 RobotSmith機器人加工系統miniCube

a.單機系統智慧化
人的腦部構造分三大區塊，大腦處理記憶、解決問題、語言和空間思維、及情感;小腦處理活動協調及平衡;腦幹處理體內非自主性功能如呼吸、消化、血壓和心跳。RobotSmith開發的智慧化機器人系統軟體，扮演高度智慧化生產硬體設備中腦的角色。

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