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輕量化機器人協力促智慧製造
競逐零組件與安規商機
[作者 陳念舜]   2022年11月28日 星期一 瀏覽人次: [7959]

有別於傳統認知的工業機器人僅為單臂機型,主要用以替代人類執行單純的3k(辛苦、危險、勞累)工作。隨著大國陸續推出製造業回流政策,對於已飽受缺工之苦的業者更是雪上加霜,勢必引進更多輕量化機器人與人協同共工的來提高生產力,並帶來關鍵零組件與安規的龐大商機。


因應傳產製造業更需要藉此來彌補勞動參與率不足,如今工業機器人已不僅止於一種高度整合自動化設備,用來替代人類執行3k工作的單臂機種,在智慧工廠裡更結合了新被賦予的人類或仿生物邏輯判斷能力,如環境感知、姿態規劃、運動控制、行為決策、彈性應用等4大領域所組成的智能平台。


包括驅動機器人應用市場蓬勃發展的因素,也從過去在昏暗、高輻射熱等高危險、高負荷作業環境下,或有侵蝕性化學原物料,須從事有毒物質、病毒試驗等不適合人類生存的環境下,必須導入機器人來執行遠端作業,藉以完全替代人類,從而實現零接觸作業模式。


到了目前,傳產製造業更需要藉此來彌補部份地區進入老齡少子化社會後,導致勞動參與率不足;以及地緣政治衝突造成的逆全球化趨勢,迫使各國爭相提出製造業回流政策,卻缺乏熟練技師而雪上加霜,亟須引進機器人來提高生產力。


人、機協作比重拉近 彌補勞動力下滑缺口

根據2020年9月由世界經濟論壇(WEF)發表的《未來就業報告》就已指出,現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%,代表未來產線安裝自動化設備、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%),代表人機協同共工的新作業模式即將成型,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,主要用於製造業執行重複性高、危險又疲累的任務,此時控制器、伺服馬達與減速機為業界發展重點;到了機器人2.0數位化階段,則開始經由感測器蒐集數據來取得感知能力,促進機器人在工業領域應用擴大,並逐步朝向商業應用拓展,發展視覺檢測、環境感知等蒐集數據的硬軟體。


直到近幾年來進入機器人3.0協同化階段,開始導入影像辨識、自然語言處理及深度學習等技術,實現機器人感知、推理到決策應用,數據分析、深度學習、人機互動和自然語音成為發展重點項目;機器人4.0智能化階段,則企圖透過雲端串流協同與運算能力,促使機器人持續協同及學習,以完成場域自主化運作,以預判決策、數據安全為重點發展。


根據IFR(International Federation of Robotics)統計2017~2021年間,在人機協作、互動共工趨勢下,更不斷推升協作機器人(Collaborative Robots;cobot)市場逐年快速成長,2021年銷量已達3.9萬台,較去年成長50%、僅次於2018年成長67%;在工業機器人整體占比,也從2017年2.8%增至2021年7.5%。


主要動能包括:效能與成本,基於各應用產業持續尋求提高作業效能、降低總體成本的解決方案;技術驅動創新,將隨著資通訊、智慧化、自動化技術持續進步;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。


目前國內外已有協作機器人整合VR、AI等多項跨領域技術,延伸機器人遠端與彈性應用。如德國DFKI「遠端控制機器人應用方案」,即結合VR與Digital twins技術,以實現遠距維護、生產等應用;日商OMRON以「Cell-line Control system智慧化生產系統」,整合協作機器人、AI、機器視覺及多種感測器,藉以滿足多樣少量化生產需求。



圖1 : 目前國內外已有協作機器人整合VR、AI等多項跨領域技術,延伸機器人遠端與彈性應用。(source:8z1xg04k.tinifycdn.com)
圖1 : 目前國內外已有協作機器人整合VR、AI等多項跨領域技術,延伸機器人遠端與彈性應用。(source:8z1xg04k.tinifycdn.com)

台灣欣橋集團近年來也發表其「協作機器人力回饋控制拋光應用」案例,係結合力回饋感測技術,設定表面施加力道,實現與人手相似磨拋的效果,適用於木質或是金屬表面研磨。以及利用協作機器人堆棧應用」,結合走行軸與on robot夾爪技術等,協助物流業搬運貨物。


協作應用商機成熟 機器人大廠後浪推前浪

協作型機器人品牌(Universal Robots;UR),則自2008年發表全球首款工業用協作型機器人,迄今UR協作型機器人已在全球銷售超過50,000台。UR也因為相信產業的成長與成功來自策略夥伴間的緊密合作,從而積極拓展產品生態系並促進資源交流,攜手凝聚創新動能。對應機器人不同臂長和負載,皆支援UR+生態系中的各式末端夾爪、軟體、配件和應用套件,賦予協作型機器人可彈性部署於不同產業的作業中使用。


面對當今全世界對於自動化需求因素不斷成長,包括保護員工不受危險和單調任務影響;企業將生產轉移到離家更近的地方,以應對環境變動;以及勞動力短缺,將成為未來不可輕視的挑戰。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線上,釋放人力完成更有價值的任務,協助中小企業加速升級步伐,今年UR已正式宣佈全球員工人數達到1,000人,並加碼推出新款UR20機種。


Universal Robots總裁Kim Povlsen表示:「依自家統計數據顯示,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作型機器人。」


UR20除了採取全新關節設計而加速生產週期,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疊高度所設計,全面改寫包裝與堆棧模式;占地面積小,能讓企業在現有廠房裡保有更多作業空間;更整合了進階軟體強化技術,提供使用者前所未見的運動控制能力,實現端到端(E2E)自動化目標。未來UR20還可導入於焊接作業、物料處理、機台上下料與操作等應用場景,也同樣能和廣大合作夥伴生態系打造的創新解決方案結合。


根據IFR統計台灣2021年導入機器人數量為全球排名前十,相較前一年成長31%,顯示在疫情趨緩和台商回流後,產線上的人力需求持續高漲。Universal Robots 大中華區總裁蘇璧凱Adam Sobieski也認為:「台灣以出色的製造技術與人才享譽國際,看準製造業聚落的在地自動化成長動能,UR在台灣主要城市設有技術支援和訓練基地,設立服務據點推廣協作型機器人之外,進一步敏捷應對客戶需求,全面推廣協作型機器人技術。」



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

就連傳統工業機器人四大家族之一的日本發那科公司(FANUC),近年來也終於推出自家協作型機器人CRX系列機種,並依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品線;強調更為安全、簡單、快速,將可改善過去協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「接觸即停」功能,最大差別是僅受到1~2kg施力即停,而不像市面上大部份協作型機器人須達到15kg以上,未符國際規範的11kg標準;FANUC還為此提供直覺簡易的編程工具,只要使用者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、堆疊放上棧板,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疊方法編程,一旦面對隨機變化的尺寸及順序時,便無法僅用簡單程式解決。


FANUC也因應物流堆棧應用需求開發出一套硬體架構,包括利用CRX機器人搭配自家3D視覺感測器解決方案,可用來偵測隨機堆放不同箱子的尺寸、位置,再結合另一台電腦來判斷,找出最佳堆疊方法。由FANUC藉其專利技術,預先規劃2處堆疊暫存區位置,並利用數位分身技術,來模擬機器人在堆棧時,該如何善用空間擺滿最多物件,來達到最佳化效益,未來只要是搭配FANUC機器人的系統整合商,也能獲得該技術程式碼進行開發。



圖3 : FANUC因應物流堆棧應用需求開發出一套硬體架構,包括利用CRX機器人搭配自家3D視覺感測器解決方案及專利技術,進而找出最佳堆疊方法。(攝影:陳念舜)
圖3 : FANUC因應物流堆棧應用需求開發出一套硬體架構,包括利用CRX機器人搭配自家3D視覺感測器解決方案及專利技術,進而找出最佳堆疊方法。(攝影:陳念舜)

製造業回流台灣 再創台製關鍵零組件商機

值得一提的是,由於現今伺服馬達技術儘管仍不斷演化與進步,但硬體核心結構的變化始終不大,導入機器人使用時,並不以高轉速為主要訴求,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本身採用更先進的驅動器、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展,易安裝的靈活性也是重要的特色。


目前市面上國內外機器人品牌大廠UR、TM,都以DC伺服馬達驅動機器人關節,驅動器體積及所需功率又比傳統工業機器人使用的大功率AC伺服馬達小。台灣馬達大廠東元電機(TECO)近年來也利用自家馬達關鍵技術與其他硬、軟體配件及程式工具整合,開發出最新關節模組CJM,可望協助台灣產學研各界,加速自主開發協作型機器人。



圖4 : 東元電機近年來也推出出最新關節模組CJM,可望協助台灣產學研各界,加速自主開發協作型機器人。(攝影:陳念舜)
圖4 : 東元電機近年來也推出出最新關節模組CJM,可望協助台灣產學研各界,加速自主開發協作型機器人。(攝影:陳念舜)

因為半導體製程進化,使得晶片效能不斷提升,也直接提升了馬達電源效率。CJM採用新一代馬達驅動晶片與32bit微型控制器MCU、FPGA雙核心處理能力,提高電流頻寬至6.1KHz,即可協助整合打造低功耗馬達,對於節能亦有助益;進而降低整定時間至1ms、編碼器解析度23bit,滿足高精密與快速響應需求。


同時還支援EtherCAT高速通訊網路等多種高速通訊介面、符合IEC61800-7總線標準,可應用於多軸市場的工業物聯網科技;搭配人性化的人機介面,與內建自動增益調測技術(Auto-tuning)、高低頻抑制,使關節模組可在各種應用場合操作。


進而陸續透過模組化設計,打造輕便且易用機種,秉持東元高度整合機電系統實力,可依客製化需求,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動器、雙編碼器、剎車、減速機,結構體積緊湊小巧,在相同功率下比同業產品更小也更輕。


並導入該公司兩項機構專利,包括:關節連接裝置、轉子剎車共軸技術,前者能有效提升出力軸法蘭盤組裝精度,縮短裝配時間;以及後者節約電磁剎車機構空間,提升關節模組靜止時的高固定性。使之更容易安裝與編程,再被快速部署到各地,加速實現製造業的智慧化。。


藉此整合「開發時程短」、「快速導入」、「低技術門檻」、和「自行客製化」的特色,提供客戶一個機器自造平台,再透過直結或自行設計臂管方式,得以較低成本打造專屬使用者構型,可執行荷重10kg自動搬運、夾取作業的2~6軸協作機器人,並透過手拉順應教導等精準控制技術,協助業者無痛升級智慧工廠。


迎合國際安規需求 帶動電控系統成長

此外,隨著協作型機器人逐漸普及,目前業界除了重視功能、品質與整體應用方案效益外,也回應消費市場端需求,必須更重視場域人員安全。例如國際標準組織(ISO)即將宣佈的新版工業機器人標準ISO-10218,即針對從機器人本體,到周邊系統與應用場景如何規範使用安全上,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年底生效後,未來無論在機器人使用端或供應端,都須按此標準驗證,除了可加強於使用上的安全性,也盼能藉此帶動台灣機器人產業鏈升級,接軌國際標準趨勢,未來在區域化生產趨勢下,相對能提升智慧製造系統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,開發出以SCB100硬體為核心的Safety解決方案,並通過EtherCAT開放通訊協定來串接周邊裝置;待結合新漢智能提供的控制軟體,即可自行建構3~7軸機器人。(攝影:陳念舜)
圖5 : 新漢智能符合新版安全標準ISO-10218,開發出以SCB100硬體為核心的Safety解決方案,並通過EtherCAT開放通訊協定來串接周邊裝置;待結合新漢智能提供的控制軟體,即可自行建構3~7軸機器人。(攝影:陳念舜)

近期由智動協會與20多家業者及檢測驗證機構發起「智慧自動化與檢測驗證聯盟(TAICA)」,便期盼作為台灣首個交流平台,針對安全標準進行宣導、檢測、驗證工作;同時鼓勵從終端使用、機器人製造商及零組件業者,以及系統整合商、經銷商等,未來都能依此標準採購與生產,接軌國際趨勢,並將逐步引導自動化領域相關廠商以符合法遵,推動TS安全標章認證為最終目標。近年來專注於工業物聯網系統領域的新漢智能公司,也為此開發出以SCB100硬體為核心的Safety解決方案,並通過EtherCAT開放通訊協定來串接周邊裝置;結合新漢智能提供的軟體,即可自行建構3~7軸機器人並加以控制。


且依歐盟執委會正進行一讀的機械規章(Machinery Regulation)的立法草案,將結合AI安全系統的機械產品納入監管,而增列「AI系統等確保安全功能的軟體」及「確保安全功能而裝載AI系統之機械」兩類產品為高風險產品,由原先適用自我宣告的驗證模式,提升到法規監管程度較高的第三方驗證。


恐將反映在增添業者製造與驗證成本,以及對於跨領域整合人才需求,導致不利於中小企業的市場競爭力,還可能延遲產品上市時程,阻礙技術創新活動。預估最快可在2023年完成立法程序並正式生效。目前台灣廠商生產製造的機器人等相關機械產品,係以提供一般性解決方案(general solution)居多,再由系統整合商、視覺廠商自行整合,導入於智慧製造應用。必須盡快釐清新法規範系統供應商與整合商的責任分配問題,始能有助於台灣機器人業者及早因應法規變革。


**刊頭圖(source:mages.squarespace-cdn.com)


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