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机器手臂走向智慧化设计
共工、整合、弹性
[作者 王明德]   2018年03月21日 星期三 浏览人次: [13274]

机器手臂一直是多数人对工业自动化领域的印象图腾,不过目前的主要应用领域多以汽车、半导体元件等重工业或高精密制造业为主,透过高重量负荷、高速与高精密技术,弥补作业人员生理上的不足,提升生产线效率,近年来智慧化成为制造业的重要趋势,在智慧制造概念下,制造现场对机器手臂的设计要求,将不只于精度与速度,人机共工、与周边自动化设备的整合、弹性化运作,将成为下一世代机器手臂的设计思维。


人机共工取代无人工厂

在人机共工部分,现在智慧制造已开始走向以人为本的思考方向,以欧美大厂为例,现在早已不再只是研究于怎么开发成无人工厂,反而更聚焦于人跟机器间该如何互动与搭配才能有效提升效率,在未来的工厂中,工业机器人将会扮演重要角色,设置于产线中的机器手臂,与作业人员共工的机率相当高,因此如何避免人员为机器所伤,就成为重要设计。


工业机器手臂大致可以分为6种,包含水平关节型(SCARA Robot)、并联型(Parallel Robot)、直角坐标型(Cartesian Robot)、大型垂直关节型(Articulated Robot)、轻量型垂直关节型(Articulated Robot)和双臂型(Dual-Arm Robot),其中SCARA Robot有3个旋转关节,其轴线相互平行,在平面内进行定位和定向,另一个关节是动关节,用于完成末端在垂直于平面的运动,在平面运动上具有顺从性,而在Z轴方向有较好的刚性,适用于装配工作,并联型机器手臂以Delta Robot为大宗,这种手臂在基座上有3个马达,用万向接头接到移动台上,其关键为移动臂在机构上的设计,会保持移动台的水平方向,多应用在食品包装线,由外包装到内包装皆都有广泛使用,直角坐标机器人的特色则是结构简单且成本低廉,可灵活组装成单轴到多轴的机械手臂,或作为专业自动化机械中的直线定位系统,多应用于点胶、射出成形、喷涂、搬运、上下料、装配等工业流程。



图1 : 视觉与手臂整合,让产线作业效率更高。(Source: IDS)
图1 : 视觉与手臂整合,让产线作业效率更高。(Source: IDS)

关节式多轴手臂是现在工业机器人的主流,分类方式多以抓取重量区分,20kg以下为小型、20kg~60kg为中型、60kg~300kg为大型、300kg以上为重型,关节式多轴手臂本身机体已有相当重量,若再加上抓取的物品重量与手臂的动作速度,所产生的质量非常大,作业人员与之碰撞,受伤的机率极高,近年来工安意识抬头,多数厂商推出关节式多轴机器人的安全设备。


目前机器手臂的安全设计主要可分为围篱与感测两种方式,围篱则可分为实体与光栅两种,实体围篱以金属制成隔板或网状,阻绝人、物的进入,另一种则是以红外线作为光栅,若有人员进入阻断红外线,则机器手臂会自动停止,感测模式则是在机器手臂上内建感测器,感测器业可分为两种,一种是力道感测器,这几年在机器手臂领域快速窜起的协作型机器人,就内建此类感测器,当机器手臂与人体接触,处理器就会判断碰触力道的强弱,减缓机器手臂速度,另一种应用的感测器是ToF(Time of Flight;飞时测距)感测器,这种技术是透过红外线的反射时间判断距离,过去主要应用于消费性产品,如智慧手机拍照的对焦或扫地机器人对障碍物的判断,现在已有厂商将之设计在机器手臂,依据人体与机器手臂的距离,调整手臂的速度。


眼手协调让效率倍增

以人机共工的安全设计之外,与周边自动化设备整合和弹性化运作的两种设计概念,都是为了提升产线的速度与良率,整合周边自动化设备部分,整合的技术目前主要以机器视觉为主,过去的机器手臂多需与产线设备配合,两者精准对位,机器手臂的精度才能浮现,后来有厂商在手臂内建置感测器,不过单一感测器会因为受限感测原理限制,产生空间、角度、距离与精确度等空间感测差异,而设置过多感测器也会有成本与处理负荷问题,这几年开始有厂商将机器视觉与手臂结合,经校准后让眼手协调,有效优化机器手臂的效能,尤其是与长景深辨识的影像感测器整合,可以针对影像感测器取像范围的空间进行大幅度的空间深度测定,取得数据后在于动作控制端进行操作范围限制。



图2 : 机器手臂的相互连结与共工,是弹性化生产的重要设计。(Source: Industia & MAS)
图2 : 机器手臂的相互连结与共工,是弹性化生产的重要设计。(Source: Industia & MAS)

长景深的视觉判别,可以让机器手臂的动作更灵活,这几年的各国的自动化展览既可以看到,多数系统整合商推出这类型产品,摄影机先行判断出物件的位置、角度、高低等数据,经由后端处理器运算,再将控制指定传送到机器手臂,机器手臂以适合的方向与角度抓取物件,与过去未与机器视觉整合,需要多一道将物件排列整齐的工序相比,经整合过的作业模式无疑更具效率。


会携手合作的机器手臂

弹性化运作设计则是智慧制造的最高体现,不但所有的智慧化设计必须到位外,机器手臂本身还须具有一定程度的AI能力,现在机器手臂在生产线上的运作模式,在上线前都已设定完成,以汽车制造为例,车体焊接、组装、喷漆等都有专用的手臂,而这其中每一环节都由数只机器手臂合力,在智慧制造体系下,生产线上的所有设备都有通讯功能,通讯功能不只是上下系统的垂直互通,设备与设备之间也会有横向的数据传输,设备可以相互掌握彼此状况,并有一定的智慧对应能力,在正常运作下可自行协调出最佳运作模式,若有某具手臂故障,系统除了立即通报管理人员外,其他手臂也会立即接手故障手臂的部分工作,让产线不至于立即停摆,这种模式过去被认为遥不可及,不过在AI技术的成熟下,以并非不可能,尤其是近期多家工业电脑厂商已开始推出边际运算(Edge Computing)的工业物联网底层产品,其特色就是让第一线的制造设备具有一定程度的运算功能,目前这类型产品虽以马达、空压机等为先期主要应用目标,不过若要扩大范围将之整合到机器手臂也非难事。


从整体发展来看,未来机器手臂除了在速度与精度两方面持续提升外,智慧化也会是下一阶段的设计重点,过去几年制造业者导入机器手臂的动机,主要是因应劳工短缺与高昂的人力成本,工作内容与原有的人力相去不远,未来机器手臂必须有更进一步的功能,完成人力无法完成的工作,方能让制造系统落实智慧化愿景,让制造业进入下一世代。


**刊头图(Source: CDC)


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