輕量化機器人協(xié)力促智能制造

有別于傳統(tǒng)認知的工業(yè)機器人僅為單臂機型，主要用以替代人類執(zhí)行單純的3k（辛苦、危險、勞累）工作。隨著大國陸續(xù)推出制造業(yè)回流政策，對于已飽受缺工之苦的業(yè)者更是雪上加霜，勢必引進更多輕量化機器人與人協(xié)同共工的來提高生產(chǎn)力，并帶來關(guān)鍵零組件與安規(guī)的龐大商機。

因應傳產(chǎn)制造業(yè)更需要藉此來彌補勞動參與率不足，如今工業(yè)機器人已不僅止于一種高度整合自動化設(shè)備，用來替代人類執(zhí)行3k工作的單臂機種，在智慧工廠里更結(jié)合了新被賦予的人類或仿生物邏輯判斷能力，如環(huán)境感知、姿態(tài)規(guī)劃、運動控制、行為決策、彈性應用等4大領(lǐng)域所組成的智能平臺。

包括驅(qū)動機器人應用市場蓬勃發(fā)展的因素，也從過去在昏暗、高輻射熱等高危險、高負荷作業(yè)環(huán)境下，或有侵蝕性化學原物料，須從事有毒物質(zhì)、病毒試驗等不適合人類生存的環(huán)境下，必須導入機器人來執(zhí)行遠程作業(yè)，藉以完全替代人類，從而實現(xiàn)零接觸作業(yè)模式。

到了目前，傳產(chǎn)制造業(yè)更需要藉此來彌補部份地區(qū)進入老齡少子化社會后，導致勞動參與率不足；以及地緣政治沖突造成的逆全球化趨勢，迫使各國爭相提出制造業(yè)回流政策，卻缺乏熟練技師而雪上加霜，亟須引進機器人來提高生產(chǎn)力。

人、機協(xié)作比重拉近　彌補勞動力下滑缺口
根據(jù)2020年9月由世界經(jīng)濟論壇（WEF）發(fā)表的《未來就業(yè)報告》就已指出，現(xiàn)階段全球機器人工作量約占整體33%，人力占比為67%，但隨著老齡少子化社會導致工廠人力短缺，將加速自動化趨勢發(fā)展。WEF預估到了2025年機器人工作量，將從2020年33%增至47%，代表未來產(chǎn)線安裝自動化設(shè)備、機器人裝置及整合應用需求會進一步擴大；人力占比也從2020年的67%減至53%，兩者比重逐漸拉近至平衡，各占一半（50%），代表人機協(xié)同共工的新作業(yè)模式即將成型，機器人應用也會逐步演進為提供預判與決策。

依工研院產(chǎn)科國際所機械組分析師周暐程進一步分析，過去在機器人1.0自動化階段，主要用于制造業(yè)執(zhí)行重復性高、危險又疲累的任務，此時控制器、伺服馬達與減速機為業(yè)界發(fā)展重點；到了機器人2.0數(shù)字化階段，則開始經(jīng)由傳感器搜集數(shù)據(jù)來取得感知能力，促進機器人在工業(yè)領(lǐng)域應用擴大，并逐步朝向商業(yè)應用拓展，發(fā)展視覺檢測、環(huán)境感知等搜集數(shù)據(jù)的硬軟件。

直到近幾年來進入機器人3.0協(xié)同化階段，開始導入影像辨識、自然語言處理及深度學習等技術(shù)，實現(xiàn)機器人感知、推理到?jīng)Q策應用，數(shù)據(jù)分析、深度學習、人機互動和自然語音成為發(fā)展重點項目；機器人4.0智能化階段，則企圖透過云端串流協(xié)同與運算能力，促使機器人持續(xù)協(xié)同及學習，以完成場域自主化運作，以預判決策、數(shù)據(jù)安全為重點發(fā)展。

根據(jù)IFR（International Federation of Robotics）統(tǒng)計2017~2021年間，在人機協(xié)作、互動共工趨勢下，更不斷推升協(xié)作機器人（Collaborative Robots；cobot）市場逐年快速成長，2021年銷量已達3.9萬臺，較去年成長50%、僅次于2018年成長67%；在工業(yè)機器人整體占比，也從2017年2.8%增至2021年7.5%。

主要動能包括：效能與成本，基于各應用產(chǎn)業(yè)持續(xù)尋求提高作業(yè)效能、降低總體成本的解決方案；技術(shù)驅(qū)動創(chuàng)新，將隨著資通訊、智能化、自動化技術(shù)持續(xù)進步；進而彌補人力缺口，以順應先進國家人口老化、勞動力不足的趨勢。

目前國內(nèi)外已有協(xié)作機器人整合VR、AI等多項跨領(lǐng)域技術(shù)，延伸機器人遠程與彈性應用。如德國DFKI「遠程控制機器人應用方案」，即結(jié)合VR與Digital twins技術(shù)，以實現(xiàn)遠距維護、生產(chǎn)等應用；日商OMRON以「Cell-line Control system智能化生產(chǎn)系統(tǒng)」，整合協(xié)作機器人、AI、機器視覺及多種傳感器，藉以滿足多樣少量化生產(chǎn)需求。

 
圖1 : 目前已有協(xié)作機器人整合VR、AI等多項跨領(lǐng)域技術(shù)，延伸機器人遠程與彈性應用。（source：8z1xg04k.tinifycdn.com）

中國臺灣欣橋集團近年來也發(fā)表其「協(xié)作機器人強制反饋控制拋光應用」案例，系結(jié)合強制反饋感測技術(shù)，設(shè)定表面施加力道，實現(xiàn)與人手相似磨拋的效果，適用于木質(zhì)或是金屬表面研磨。以及利用協(xié)作機器人堆棧應用」，結(jié)合走行軸與on robot夾爪技術(shù)等，協(xié)助物流業(yè)搬運貨物。

協(xié)作應用商機成熟　機器人大廠后浪推前浪
協(xié)作型機器人品牌（Universal Robots；UR），則自2008年發(fā)表全球首款工業(yè)用協(xié)作型機器人，迄今UR協(xié)作型機器人已在全球銷售超過50,000臺。UR也因為相信產(chǎn)業(yè)的成長與成功來自策略伙伴間的緊密合作，從而積極拓展產(chǎn)品生態(tài)系并促進資源交流，攜手凝聚創(chuàng)新動能。對應機器人不同臂長和負載，皆支持UR+生態(tài)系中的各式末端夾爪、軟件、配件和應用套件，賦予協(xié)作型機器人可彈性部署于不同產(chǎn)業(yè)的作業(yè)中使用。

面對當今全世界對于自動化需求因素不斷成長，包括保護員工不受危險和單調(diào)任務影響；企業(yè)將生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到離家更近的地方，以應對環(huán)境變動；以及勞動力短缺，將成為未來不可輕視的挑戰(zhàn)。具備輕巧、編程簡易特性的UR機器人，將能快速導入至工廠既有產(chǎn)在線，釋放人力完成更有價值的任務，協(xié)助中小企業(yè)加速升級步伐，今年UR已正式宣布全球員工人數(shù)達到1,000人，并加碼推出新款UR20機種。

Universal Robots總裁Kim Povlsen表示：「依自家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，UR至今只接觸約2% 全球所有潛在客戶，因此市場極富有潛力；在慶祝今天所創(chuàng)下的里程時，我們的目光堅定投向未來旅程，UR20則是最近推出的首款新一代協(xié)作型機器人。」

UR20除了采取全新關(guān)節(jié)設(shè)計而加速生產(chǎn)周期，更能處理重型物料之外，延伸至1,750mm臂長則是專為歐盟標準棧板的最大堆棧高度所設(shè)計，全面改寫包裝與堆棧模式；占地面積小，能讓企業(yè)在現(xiàn)有廠房里保有更多作業(yè)空間；更整合了進階軟件強化技術(shù)，提供用戶前所未見的運動控制能力，實現(xiàn)端到端（E2E）自動化目標。未來UR20還可導入于焊接作業(yè)、物料處理、機臺上下料與操作等應用場景，也同樣能和廣大合作伙伴生態(tài)系打造的創(chuàng)新解決方案結(jié)合。

根據(jù)IFR統(tǒng)計中國臺灣2021年導入機器人數(shù)量為全球排名前十，相較前一年成長31%，顯示在疫情趨緩和臺商回流后，產(chǎn)在線的人力需求持續(xù)高漲。Universal Robots 大中華區(qū)總裁蘇璧凱Adam Sobieski也認為：「中國臺灣以出色的制造技術(shù)與人才享譽國際，看準制造業(yè)聚落的在地自動化成長動能，UR在中國臺灣主要城市設(shè)有技術(shù)支持和訓練基地，設(shè)立服務據(jù)點推廣協(xié)作型機器人之外，進一步敏捷應對客戶需求，全面推廣協(xié)作型機器人技術(shù)?！?

 
圖2 : 國協(xié)作機器人大廠UR至今已在全球銷售超過50,000臺機器人。（source：UR）

就連傳統(tǒng)工業(yè)機器人四大家族之一的日本發(fā)那科公司（FANUC），近年來也終于推出自家協(xié)作型機器人CRX系列機種，并依5、10（標準/加長型）、20、25kg不同負載能力分為五種級別，為市場上少見的完整系列產(chǎn)品線；強調(diào)更為安全、簡單、快速，將可改善過去協(xié)作型機器人被視為精度差、速度慢，易學卻難以進階，其實也沒特別安全的印象。

如今所有CRX機種都具備「接觸即?！构δ?，最大差別是僅受到1~2kg施力即停，而不像市面上大部份協(xié)作型機器人須達到15kg以上，未符國際規(guī)范的11kg標準；FANUC還為此提供直覺簡易的編程工具，只要用戶按時序拖放圖形即可教導機器人運作。

面對近年來因疫情造成大量電商物流需求，最困難的就是在理、揀貨階段，必須取放大小不同的箱子置入籠車、堆棧放上棧板，才能搬運出貨，此時亟需自動化來彌補欠缺的人力。但過去推棧用機器人，只能針對有限尺寸與已知堆棧方法編程，一旦面對隨機變化的尺寸及順序時，便無法僅用簡單程序解決。

FANUC也因應物流堆棧應用需求開發(fā)出一套硬件架構(gòu)，包括利用CRX機器人搭配自家3D視覺傳感器解決方案，可用來偵測隨機堆放不同箱子的尺寸、位置，再結(jié)合另一臺計算機來判斷，找出最佳堆棧方法。由FANUC藉其專利技術(shù)，預先規(guī)劃2處堆棧暫存區(qū)位置，并利用數(shù)字分身技術(shù)，來仿真機器人在堆棧時，該如何善用空間擺滿最多對象，來達到優(yōu)化效益，未來只要是搭配FANUC機器人的系統(tǒng)整合商，也能獲得該技術(shù)程序代碼進行開發(fā)。


 
圖3 : FANUC因應物流堆棧應用需求開發(fā)出一套硬件架構(gòu)，包括利用CRX機器人搭配自家3D視覺傳感器解決方案及專利技術(shù)，進而找出最佳堆棧方法。（攝影：陳念舜）

制造業(yè)回流中國臺灣　再創(chuàng)臺制關(guān)鍵零組件商機
值得一提的是，由于現(xiàn)今伺服馬達技術(shù)盡管仍不斷演化與進步，但硬件核心結(jié)構(gòu)的變化始終不大，導入機器人使用時，并不以高轉(zhuǎn)速為主要要求，而須能頻繁及正/反向加減速，且都能達到高精度定位控制。此除了有賴馬達系統(tǒng)本身采用更先進的驅(qū)動器、控制器，來提高能源效率；隨著智慧化與高整合化的應用不斷發(fā)展，易安裝的靈活性也是重要的特色。

目前市面上國內(nèi)外機器人品牌大廠UR、TM，都以DC伺服馬達驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)，驅(qū)動器體積及所需功率又比傳統(tǒng)工業(yè)機器人使用的大功率AC伺服馬達小。中國臺灣馬達大廠東元電機（TECO）近年來也利用自家馬達關(guān)鍵技術(shù)與其他硬、軟件配件及程序工具整合，開發(fā)出最新關(guān)節(jié)模塊CJM，可望協(xié)助中國臺灣產(chǎn)學研各界，加速自主開發(fā)協(xié)作型機器人。


 
圖4 : 東元電機近年來也推出出最新關(guān)節(jié)模塊CJM，可望協(xié)助中國臺灣產(chǎn)學研各界，加速自主開發(fā)協(xié)作型機器人。（攝影：陳念舜）

因為半導體制程進化，使得芯片效能不斷提升，也直接提升了馬達電源效率。CJM采用新一代馬達驅(qū)動芯片與32bit微型控制器MCU、FPGA雙核心處理能力，提高電流帶寬至6.1KHz，即可協(xié)助整合打造低功耗馬達，對于節(jié)能亦有幫助；進而降低整定時間至1ms、編碼器分辨率23bit，滿足高精密與快速響應需求。

同時還支持EtherCAT高速通訊網(wǎng)絡(luò)等多種高速通訊接口、符合IEC61800-7總線標準，可應用于多軸市場的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科技；搭配人性化的人機接口，與內(nèi)建自動增益調(diào)測技術(shù)（Auto-tuning）、高低頻抑制，使關(guān)節(jié)模塊可在各種應用場合操作。

進而陸續(xù)透過模塊化設(shè)計，打造輕便且易用機種，秉持東元高度整合機電系統(tǒng)實力，可依客制化需求，快速更改馬達功率150~750W、減速比；高度整合直流伺服馬達及驅(qū)動器、雙編碼器、剎車、減速機，結(jié)構(gòu)體積緊湊小巧，在相同功率下比同業(yè)產(chǎn)品更小也更輕。

并導入該公司兩項機構(gòu)專利，包括：關(guān)節(jié)連接裝置、轉(zhuǎn)子剎車共軸技術(shù)，前者能有效提升出力軸法蘭盤組裝精度，縮短裝配時間；以及后者節(jié)約電磁剎車機構(gòu)空間，提升關(guān)節(jié)模塊靜止時的高固定性。使之更容易安裝與編程，再被快速部署到各地，加速實現(xiàn)制造業(yè)的智能化。。

藉此整合「開發(fā)時程短」、「快速導入」、「低技術(shù)門坎」、和「自行客制化」的特色，提供客戶一個機器自造平臺，再透過直結(jié)或自行設(shè)計臂管方式，得以較低成本打造專屬使用者構(gòu)型，可執(zhí)行荷重10kg自動搬運、夾取作業(yè)的2~6軸協(xié)作機器人，并透過手拉順應教導等精準控制技術(shù)，協(xié)助業(yè)者無痛升級智慧工廠。

迎合國際安規(guī)需求　帶動電控系統(tǒng)成長
此外，隨著協(xié)作型機器人逐漸普及，目前業(yè)界除了重視功能、質(zhì)量與整體應用方案效益外，也響應消費市場端需求，必須更重視場域人員安全。例如國際標準化組織（ISO）即將宣布的新版工業(yè)機器人標準ISO-10218，即針對從機器人本體，到周邊系統(tǒng)與應用場景如何規(guī)范使用安全上，提出更具體的功能定義及所對應的安全等級與條件。

預估此全球通用標準若能在2022年底生效后，未來無論在機器人使用端或供應端，都須按此標準驗證，除了可加強于使用上的安全性，也盼能藉此帶動中國臺灣機器人產(chǎn)業(yè)鏈升級，接軌國際標準趨勢，未來在區(qū)域化生產(chǎn)趨勢下，相對能提升智能制造系統(tǒng)方案對外輸出競爭力。

 

圖5 : 新漢智能符合新版安全標準ISO-10218，開發(fā)出以SCB100硬件為核心的Safety解決方案，并通過EtherCAT開放通訊協(xié)議來串接周邊裝置；待結(jié)合新漢智能提供的控制軟件，即可自行建構(gòu)3~7軸機器人。（攝影：陳念舜）

近期由智動協(xié)會與20多家業(yè)者及檢測驗證機構(gòu)發(fā)起「智慧自動化與檢測驗證聯(lián)盟（TAICA）」，便期盼作為中國臺灣首個交流平臺，針對安全標準進行倡導、檢測、驗證工作；同時鼓勵從終端使用、機器人制造商及零組件業(yè)者，以及系統(tǒng)整合商、經(jīng)銷商等，未來都能依此標準采購與生產(chǎn)，接軌國際趨勢，并將逐步引導自動化領(lǐng)域相關(guān)廠商以符合法遵，推動TS安全標章認證為最終目標。近年來專注于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域的新漢智能公司，也為此開發(fā)出以SCB100硬件為核心的Safety解決方案，并通過EtherCAT開放通訊協(xié)議來串接周邊裝置；結(jié)合新漢智能提供的軟件，即可自行建構(gòu)3~7軸機器人并加以控制。

且依歐盟執(zhí)委會正進行一讀的機械規(guī)章（Machinery Regulation）的立法草案，將結(jié)合AI安全系統(tǒng)的機械產(chǎn)品納入監(jiān)管，而增列「AI系統(tǒng)等確保安全功能的軟件」及「確保安全功能而裝載AI系統(tǒng)之機械」兩類產(chǎn)品為高風險產(chǎn)品，由原先適用自我宣告的驗證模式，提升到法規(guī)監(jiān)管程度較高的第三方驗證。

恐將反映在增添業(yè)者制造與驗證成本，以及對于跨領(lǐng)域整合人才需求，導致不利于中小企業(yè)的市場競爭力，還可能延遲產(chǎn)品上市時程，阻礙技術(shù)創(chuàng)新活動。預估最快可在2023年完成立法程序并正式生效。目前中國臺灣廠商生產(chǎn)制造的機器人等相關(guān)機械產(chǎn)品，系以提供一般性解決方案（general solution）居多，再由系統(tǒng)整合商、視覺廠商自行整合，導入于智能制造應用。必須盡快厘清新法規(guī)范系統(tǒng)供貨商與整合商的責任分配問題，始能有助于中國臺灣機器人業(yè)者及早因應法規(guī)變革。