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自主打造工業4.0智慧物流
機器人與搬運車無縫接軌
[作者 陳念舜]   2018年01月05日 星期五 瀏覽人次: [1167]

根據工研院IEK最新統計2015年全球服務型機器人應用現況中,專業用途機器人(Professionalusagerobots)台數成長率達25%(約4萬1,060台)、金額成長14%(約46億美元),而用於製造業、物流業、批發零售業的物流機器人(logisticsystems)含無人搬運車(AGV)約成長50%。


但有別於一般物流服務業搭載LiDAR-based,並建構環境地圖(SLAM)定位的無軌導引方式,特別是在要求精準定位、人機協作的工業機器人領域,由於最終要求確認X-Y-θ定位時,恐無磁條AGV搭載雷達導引的公差過大,在廠內安全性及精度不佳;或須與機器直接接觸,允許公差在mm之內者,僅靠演算法仍有意外碰撞之虞,因此工廠還是傾向設置磁條來導引定位,同時要求符合IEC-61496規範,以確保AGV一旦脫離固定軌道、遭遇障礙物時,可即時減速或中止。


再且近年來「自主移動型機器人(Mobile robots)」蔚為風潮,可在工業4.0時代快速回應大批量客製化趨勢,自動化生產線必須更靈活、彈性,以節約人力,並提升安全性及生產力,可望為周邊感測元件、核心驅動模組製造廠商,與系統整合業者帶來龐大商機。


工研院攜手9大廠商 發表行動式機器人解決方案

過去工研院機械所曾在2005~2011年間便率先投入台灣服務型機器人產業,曾開發出20餘款服務型機器人,卻因為少了相關軟體及派車系統服務,使得單機成果始終無法擴散;另外近年來因為Pepper崛起,與電控、機械、AI、辨識軟體技術逐漸到位,決定再度投入服務型機器人領域。



圖1 : 有別於一般物流服務業搭載LiDAR-based,並建構環境地圖(SLAM)定位的無軌導引方式,特別是在要求精準定位、人機協作的的工業機器人領域,工廠還是傾向設置磁條來導引定位。(source:www.cc.gatech.edu)
圖1 : 有別於一般物流服務業搭載LiDAR-based,並建構環境地圖(SLAM)定位的無軌導引方式,特別是在要求精準定位、人機協作的的工業機器人領域,工廠還是傾向設置磁條來導引定位。(source:www.cc.gatech.edu)

在2017年與「台北國際物流暨物聯網展」同期舉辦的「2017台灣機器人與智慧自動化展」中,工研院機械所攜手9大廠商展出11項機器人關鍵技術,包括自主移動式機器人、方便快速組合的驅控整合關節模組、物流倉儲的好幫手棋盤格式AGV派車系統等,期待透過快速拼圖加速研發及成果產業化,力求技術複製與擴散,與台灣廠商並肩邁向全新智慧製造時代。


其中,可結合移動性、感知、操縱和人機交互功能,由工研院機械所自主研發的「自主移動式機器人」MAR Q比強調具備高自由度手臂及夾爪,可荷重3公斤;並具有垂直升降軀幹,工作範圍達140cm、最高移動速度達0.6m/s,適用於採摘農產品、室內環境探勘與作業、賣場巡補貨、後勤倉庫撿貨與運送、廠房巡檢與機台操作等輕工業所需。


工研院機械所經理張彥中進一步分享去年開發過程中,因為HTC VIVE引領潮流,而率先引進「互動網真機器人」概念,將之佈署於工研院展示場,讓使用者可在近端辦公室,透過虛擬實境(VR)頭盔與電腦操作機器人,建立與機器一致的3D立體視覺;機器人也會隨著頭盔移動,使用者可藉此得到身歷其境感受,進而衍生出遠端教學、巡檢及進入危險環境等應用。尤其移動式機器人到達廠內工作站後,若無其他站點須要作業,即可執行取放操作。有別於傳統每個工作站都須要設置機器人時,稼動率過低;反之,若單部機器人只在需要時,到達指定站點工作,就能提升機器人稼動率、降低採購成本。



圖2 : 工研院技術移轉與授權榮興工業開發兩款AGV車型,後續成立專業AGV生產公司,開創自主AGV新產業;並持續合作進行棋盤格式派車系統開發,並擬以租代買的破壞式創新的行銷策略,進攻國際市場。(攝影╱陳念舜)
圖2 : 工研院技術移轉與授權榮興工業開發兩款AGV車型,後續成立專業AGV生產公司,開創自主AGV新產業;並持續合作進行棋盤格式派車系統開發,並擬以租代買的破壞式創新的行銷策略,進攻國際市場。(攝影╱陳念舜)

2017年在會場展示的MAR Q比機器人,上半身採用垂直升降400mm設計,即為了滿足賣場取放料件溫度過高問題;且相容於多種ROS軟體模組,確保開發及方便擴充應用。預估到了年底技術會更成熟,移動平台更快;加上sensor模組化,方便讓User開發,2018年也會尋求DC電源的機器人供應商合作,並採用台製Smart Motor,逐步提升國產化比例達100%。


但他也坦言,目前該機器人距離商品化還有一段距離,主因即在於數位影音單/雙向傳輸仍偶有不順、控制動作平滑度還會延遲500ms~1s,不符遠端操作要求,須與資通訊業者合作處理。未來若投入服務型機器人開發,建議朝高附加價值服務應用發展,除了工研院可與業者合作,協助開發共通機器人開發平台;至於機器人智慧行為能力開發,有賴於學界專家協助突破,可基於MAR系列機器人作為開發平台;機器人應用服務系統則須業界Master、Service Provider主導開發。張彥中總結,因服務型機器人應用領域廣泛,目前尚無四大家族壟斷,未來仍有龐大市場商機。


開發自主無人搬運車 工研院掌握核心及服務能力

此外,工研院機械所經理韓孟儒指出,該所早在5年前基於高齡少子化社會來臨、老師傅後繼無人,而積極投入開發AGV,加速將人力揀料與配送、搬運/上下料作業改為自動化運送,但直到近兩年來工業4.0話題興起,補足上下游產業缺口,才逐漸為人重視。其關鍵技術約可分為:無人搬運車多車系統物料自動配送技術、自動搬運/上下料,以及無軌式控制與導引技術。


他進一步分析無人搬運車的核心技術組成架構,由上到下依序為生產管理、派車系統、整機開發、關鍵模組。通常是中大型設備業者或工廠內部,都會有此生產管理系統,負責讀取產線生產管理ERP、分配製造程序。若須透過AGV,則會輸入派車UI系統,,考量多車及稼動率,而與多車通過多車通訊協議,再輸入路徑規劃和動作指令,避免碰撞。


目前工研院開發出來的AGV多車派車系統軟體,可支援1,000節點,提供使用者自行設計的UI介面;並與工業4.0接軌,提供通訊協議設計、交通管理法則分析和派車/交通法則模擬器,讓使用者在尚未進入廠房、倉庫前,即可針對產線和廠房實際佈署,得知需用AGV數量、可達成效率,並顯示運作實況。



圖3 : MAR Q比機器人的上半身採用垂直升降400mm設計,即為了滿足賣場取放料件溫度過高問題;且相容於多種ROS軟體模組,確保開發及方便擴充應用。(攝影╱陳念舜)
圖3 : MAR Q比機器人的上半身採用垂直升降400mm設計,即為了滿足賣場取放料件溫度過高問題;且相容於多種ROS軟體模組,確保開發及方便擴充應用。(攝影╱陳念舜)

至於整機和關鍵模組這兩年始陸續有台廠加入開發,卻仍須解決與國外品牌不同的難題,如克服中小企業為台灣產業主體,但長期遭遇資金不足,廠房高溫、地面油污、起伏等問題,即便有許多設備和導引技術已在國際上廣為使用,仍無法在建廠之初即先規劃自動化產線導入,還須大幅提高客製化程度。包括可適應地面起伏、抓地力佳的驅動模組與強健避震系統設計、客製化輪胎;再結合大範圍磁感測模組、雙核心控制器的高運算能力,降低AGV運行所需迴轉半徑達30cm,提升場域適應能力。加上雙向運行整機與模組化派車系統,加快自動運載場域建置時間。


韓孟儒表示,過去2年來工研院應用成果以磁軌式居多,以解決不同產業的AGV搬運問題與需求。包括開發高荷重牽引式AGV,以解決地面不平、油污與高荷重搬運等問題,用於螺絲扣件業運行,以解決螺絲產業搬運的共通性問題。並配合馬達廠智慧生產線,首創1噸以上高荷重、可自動充電、原地迴轉型的雙向導引AGV;且整合ERP、MES開發智慧多車管理系統軟體,同時指派4車運行,以提升運輸效率和降低重機具運輸的風險。甚至已可跨入生技業無塵室,符合高潔淨等級(Class 10,000)運載能力,並提升業者組裝及運輸綜效產能達一倍以上。


工研院並進而將技術移轉與授權榮興工業開發兩款AGV車型,後續成立專業AGV生產公司(榮興自動化科技、ROSATI),開創自主AGV新產業;並持續合作進行棋盤格式派車系統開發,使軌道可以弧線與直角並行,對空間做最有效利用,為業界磁軌式唯一,並擬以租代買的破壞式創新的行銷策略,進攻國際市場。同時輔導台灣電動物料搬運設備龍頭廠商恆智重機,將電動拖板車與堆高機產品升級至具自動導引功能,開發出台灣首備貨叉型AGV。


韓孟儒表示,AGV最早係由汽車製造業導入,隨著中國大陸汽車產銷總量躍升全球之冠後,帶動無人搬運車需求;再加上工資成本劇增及勞動力短缺等問題、工業4.0促進倉儲自動化,使得物料搬運自動化市場需求大幅成長。工研院現已逐步突破AGV關鍵模組、整機與智慧後端多車管理系統的技術瓶頸,可對準中小企業自動化需求,開發客製化關鍵模組與系統。面臨新興產業應用的需求動能,透過台灣自主化的無人搬運車技術發展,預期可在物流自動化產業供應鏈中,提供業者所需無人搬運車關鍵技術與模組。


值得一提的是,目前工研院雖將大部份時間用於開發出多款磁導引式AGV,且自去年起也開始投入開發無軌式AGV,預計在今年底Q4即可產生雛型。韓孟儒表示,相較於現行無軌式AGV技術,美國Adept雖是首先走出實驗室的產品,接下來奧地利incubedIT、德國KUKA陸續推出相關機種,但大部份主導引感測器皆採取雷射測距儀,且受到建立環境地圖的定位技術影響,誤差可能高達±30~50mm。


然而,對於自動化系統而言,必須實際上達到+/-10mm,才能符合對位及自動上下料需求,也是未來工研院機械所開發重點,並以把手操控AGV,以30cm/s的移動速度即時建立環境地圖,以搭配雷射導航AGV,規劃點對點路徑。但受限於感測器定位精度有別,現在盼加入置於牆面或地板的磁性指標定位,外掛3D感測元件定位;未來還考慮加入VR,建立即時3D空間彩色點雲地圖。


**刊頭圖(source:rhenus)


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