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基於擴增實境之機械手臂運動規劃技術
作者
方弘德、施志軒、瞿至行
刊登日期:2025/07/29
摘要
本計畫開發一套基於擴增實境(AR)的創新機械手臂運動規劃技術,以提升製造現場的人機協作能力。隨著人工智慧和工業4.0的推進,智慧製造逐漸成為產業重點,但現場人工作業仍難以完全被自動化取代。傳統的機械手臂操作通常需要專業知識和複雜的編程,這對中小型企業在技術應用上的門檻較高。因此,本計畫利用AR技術結合機械手臂控制系統,來實現直觀的操作模式,減少工程人員的學習曲線,並提升操作效率和準確性。運用AR技術作為人與機械手臂的互動介面,透過即時顯示、虛實整合和多感官回饋功能,提升使用者在操作過程中的空間認知與路徑規劃效率。本計畫採用HoloLens 2裝置與Unity 3D開發平台,搭配混合實境開發工具MRTK,創造一個高度直覺化的操作介面。使用者能夠在真實場景中利用AR進行視覺化的機械手臂路徑規劃,並在設計過程中接收即時的視覺與聽覺反饋,進一步提高操作的直覺性。此系統整合逆運動學演算法和虛實座標校正技術,生成機器人指令以驅動機械手臂執行各類操作。研究成果包括提高機械手臂的操作效率與精度,減少專業工程人員的需求,並提升操作的可視性與直覺性。此種互動技術的創新,將有助於推動中小企業在工業5.0轉型過程中實現以人為本的智慧製造,增強其市場競爭力。此系統可提供經濟高效的解決方案,促進智慧製造技術的普及,並實現即時性人機協作的概念。
Abstract
This project aims to develop an innovative motion planning system for robotic arms based on Augmented Reality (AR) to enhance human-robot collaboration on the manufacturing floor. As artificial intelligence and Industry 4.0 technologies continue to evolve, smart manufacturing is becoming a key focus across industries. However, manual operations on-site are still difficult to fully automate. Traditional robotic arm programming typically requires specialized knowledge and complex coding, posing a high barrier for small and medium-sized enterprises (SMEs) in adopting such technologies. To address this challenge, the proposed system integrates AR technology with robotic arm control systems to enable an intuitive operation mode, reducing the learning curve for engineering staff while improving operational efficiency and accuracy. By using AR as an interactive interface between humans and robots—featuring real-time visualization, seamless integration of virtual and physical environments, and multisensory feedback—the system enhances users’ spatial awareness and path planning efficiency during operation. The system is built using the HoloLens 2 headset and the Unity 3D development platform, along with Microsoft’s Mixed Reality Toolkit (MRTK), to create a highly intuitive user interface. Users can perform visualized path planning for robotic arms directly within real-world environments through AR, receiving real-time visual and auditory feedback throughout the design process to further improve usability. The system incorporates inverse kinematics algorithms and a hybrid coordinate calibration technique to generate robot control commands that drive the robotic arm to perform various tasks. Research outcomes include improved operational efficiency and precision, reduced dependence on specialized engineers, and enhanced visibility and intuitiveness in robotic operations. This breakthrough in interactive technology supports human-centric smart manufacturing and provides SMEs with a cost-effective solution during their transition to Industry 5.0. It promotes broader adoption of intelligent manufacturing technologies and enables real-time, collaborative human-robot interactions that boost competitiveness in the market.
前言
AR擴增實境市場規模預計在 2025 年為 604.7 億美元,預計到 2030 年將達到 3,536 億美元,2025-2030 年的複合年成長率為 42.36%[1] ,如圖1所示。該成長主要受到智慧製造、遠距維修、現場操作訓練與協作編程等應用需求驅動。特別在機器人編程與人機協作(HRC, Human-Robot Collaboration)領域中,AR技術的導入不僅可大幅降低初學者的學習門檻,也可提高熟練技術人員的作業效率。傳統教導編程(Teach Pendant Programming)方式繁瑣、耗時,且對於少量多樣生產的中小企業而言,彈性不足。相較之下,AR輔助系統可透過手勢或語音指令,即時調整路徑點與動作指令,大幅提升配置效率與互動直覺性。此外,近年各大工業機器人廠商如ABB、KUKA、FANUC及Universal Robots皆積極投入AR與VR的應用整合。例如ABB推出的RobotStudio AR Viewer允許使用者直接在手機或平板中預覽離線程式的模擬結果,Universal Robots亦推出與RealWear合作的頭戴式裝置方案,支援現場快速部署與診斷。這些市場動態進一步證實AR技術已成為智慧製造關鍵輔助工具。
近年來,互動介面的多種選擇為人機協作帶來了嶄新的可能性,通過整合多重座標系,包括機器人、顯示設備以及虛擬和真實環境,提升了操作的精度和效率。為將以上功能實際應用在加工場域,需經過嚴格的校準過程,確保不同座標系統準確對齊,使AR能夠輔助操作人員以高精度執行各項作業。針對人機協作中機械手臂與AR裝置的空間座標系校正問題,過往研究提出多種方法。Ostanin和Klimchik [2]使用HoloLens 2進行機器人路徑規劃,通過HoloLens 2的空間感知系統生成機械手臂環境的點雲,並使用QR Code將數位模型在AR中疊加。此方法能滿足基本的顯示需求,但精度有限。Puljiz和Hein [3]開發一種基於點到點(point-to-point)運動的路徑規劃功能,輔助機器人執行物件搬運作業。其利用HoloLens 2的深度相機來感知環境,重建障礙物的座標,並使用開源軟體規劃路徑,實現自動避障,進而增強路徑規劃的完整性。透過「參照法」校準流程,首先擷取環境點雲,使用者粗略判斷初步疊合位置,並通過機器學習算法或迭代最近點算法(ICP)精確定位疊合位置。此方法具有較高的精度,但在複雜的加工環境中尚未得到驗證。Frank等人 [4]則使用多目標QR Code定位技術標記三維工作台的角落,將工作環境轉換為二維操作介面,並在平板電腦上顯示和部署。此多目標校正過程可以精確獲取作業區域的位置資訊,且不需要額外的計算資源。
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2025年08月號
(單篇費用:參考材化所定價)