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工業4.0時代的來臨─智慧型工業機器人於自動化產業之應用論壇
台大電機系教授暨工研院機械所正研究員連豊力教授:機器人自動化產業之技術發展與標準驗證


我今天有兩個主題,一個主題是「標準驗證」,這是近這一年來產業界想推動的,讓在各個機器人跟產具、產線之間能有一個標準,產生良好的溝通模式。後一個主題是工研院機械所在智慧機器人產業裡面所用到的最新技術跟發展狀況,我先從機器人產業的標準驗證工作講起。

 

推動智慧型機器人的標準驗證

現在工業4.0我們希望做到的是人跟機器人之間的互動協調,早期做大量生產的機器手臂幾乎是固定不動,而且只由某一家公司生產,發展到今天漸漸機器手臂和工具機越來越多樣化,那麼機器手臂間要怎麼溝通?機器手臂跟非機器手臂的設備間要如何建立生產模式?生產線上的人跟載具的互動協調需要什麼媒介?我想工業4.0不僅希望提升機器人的精度,符合生產線上的需求,還要考慮機器人和工具機之間的關係,與人的關係。

簡報這張圖是一條從頭到尾的生產流程,裡面包含各種不同的機器手臂跟工具機,為了完成某一件事中間必須有很多溝通協調的機制,而且如果今天加入一隻新的機器手臂,要怎麼知道它的能力?所以會需要一些溝通或驗證上的標準。台灣從去年開始推動機器人產業標準TARS,Taiwan Robot Standard,這個機器人標準委員會是由台灣智慧自動化機器人協會成立的工作小組,成員包含廠商、學校、法人,正在制定工業機器人產業標準當中。

除了工業機器人,像Pepper這種服務型機器人,未來也要有類似的標準,不過我們現在先著重工業型,因為工業型在中特別需要檢驗生產特性、安全、供應介面跟關鍵零組件應用等等。其中有幾個重要的組織在推動,一個當然是標準檢驗局,再來技術處支援經費跟政策上的資源,還有一個華聚産業共同標準推動基金會負責和跟中國互相溝通,為了建立兩岸間共同的產業標準

這些完成後,希望從工業局開始推動這個認證模式,整個流程規劃是這樣:業者申請後交給智慧自動化協會委託的幾個實驗室驗證,其中分三個面向,整機性能、安全測試、環境測試,目前預定由PMP、工研院的機械所、電子檢測中心這三個實驗室來進行,數據發回,確認產品符合標準後才會發給業者一個類似MIT的標章。

我剛好上星期五(按:指9月2日)到瀋陽自動化所去進行機器人議題的相關討論,這兩天在哈爾濱又有另外一個討論,其實對岸進行得很快,他們在廣州、重慶、上海跟瀋陽已經成立四個國家級中心,另外還有六個省級的評選中心。雖然標準還沒形成,但已經在討論當中。以上是有關標準的工作,從機器人生產出來到賣出去,我們希望建立標準檢測,發給認證,保證產品的性能、安全。

 

建立工研院自主技術 幫助產業升級

接下來跟各位報告一下工研院機械所機器人相關產業的發展狀況。工研院大概40年前就開始研發機器人,工研院從十年前發展娛樂型機器人,大概五年前又回來工業型機器手臂,再來就是自動導引載具。這幾年也和交大共同研發身心障礙者用的輔具,並獲得很大的獎項。接下去我就根據幾樣東西來跟各位介紹。

首先從整個技術發展上來講,設計機器手臂時需要各種不同分析模擬軟體去建構它,從機構、材料、運動,最後到生產產線的應用去做整合。目前工研院從一般的多關節機器人到協作式機器人、無人搬運車、機器人控制器等等,都有自主技術的建立,也技轉到很多公司幫助產業升級。另外一個則是輔助型機器人,幫助脊髓損傷患者再站起來的一個機構,這也得到很多獎項,預計年底前會成立一家新創公司。

接下來談到這裡面重要的技術發展,首先是機器人的控制核心「MIO」,它強調的是運動、智慧跟協調。目的是提升精度以及規劃最佳的運動軌跡,找的距離或時間最短的方式。再進階的功能是速度控制、力矩控制、運動軌跡平滑化,以及事先模擬生產軌跡。最後是支援EtherCAT工業協定網路,可以跟不同的機器手臂或工具機溝通協調。

 

軟硬體兼備的智慧機器人技術

接著我要展示幾個影片,第一個是有關運動軌跡的恆定,這影片顯示沒有恆定功能和有恆定功能在走同一路徑時,當速度越來越快,形成軌跡的會不一樣,可以看到如果沒有恆定,轉彎的時候會直接切過去,沒辦法遵循原來的路徑規劃。

第二個是加入視覺功能後手眼一體的智慧感測,這邊有很多物件隨意擺放,上方有一台攝影機來偵測物件所在的立體位置,建構出3D視覺影像,根據這些位置機器手臂就能找到對應的夾取點,決定姿態,不過目前還沒辦法一次夾取定位,所以這邊用的是二次定位法,先它夾到固定的地方後再夾到比較低的地方。第三是通訊,可以支援國際間的工業協定形式,這是為了讓不同的控制器控制機器手臂時,彼此之間可以交換訊息。

另外我們還發展了力量感測部分,做出壓力感測器,把它貼在地面上或機器手臂旁邊後,只要接觸就會做反應,這是目前既創新又重要的發展。還有一種同樣有關力量感測的技術就是在機器手臂前面放感測器,可以用再水龍頭或水五金的拋光或磨細,因為皮帶長期磨擦後會慢慢消耗,為了維持拋光研磨的精細度,所用的力量要越來越大,需要不同力量的控制。整合視覺和力量後就能發展智慧自動化,對應少量多樣快速產線的需求。

最近這一年我們也跟電子光電研究所合作研發3D感測平台,開發了一套虛實整合的軟體,用軟體就可以建構現實中的場景,不只是單一機器,而是包含整套廠線,讓你在還沒實際作業前就可以用這套軟體模擬整個產線的作業情況。

 

無人搬運車

除了機器手臂,另一個重要的產品是無人搬運車,工研院目前根據不同業者需求,研發出了大概四類不同形式的載具,一開始是以2005做的娛樂型導覽機器人做出發點,慢慢衍伸到工業需求的載具運載。現在比較多的導引方式還是「有軌」,就是在地上裝磁軌,像這部影片裡的無人搬運車就是利用磁軌導引移動,可以減少搬運所需的人力,打破搬運時間的限制件,這套系統也包括跟電梯整合,所以可以進到不同樓層。其實在醫療和半導體領域裡也有做類似的載具,我們的載具最近才通過半導體製程的認證,目前正在跟日月光、台積電討論應用的場景。之後無人搬運車漸漸地要做到「無軌」,無軌就要用到雷射測距與視覺去進行環境空間定位。以上就是工研院最近有關產業的一些成果。