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工業機器人歷經萌芽茁壯 著眼成熟發展契機
[作者 陳念舜]   2019年08月01日 星期四 瀏覽人次: [1516]

受到中美貿易戰火波及,根據工研院產科國際所整理IFR最新統計資料顯示,原來預估全球多關節工業機器人裝置量在2018年將突破42萬台,卻基於中國大陸汽車銷量呈現28年來首度下滑,加上當年全球智慧手機銷量下滑5%,造成今(2019)年10月首度修正工業機器人裝置量僅成長1%(38.4萬台)。



圖1 : 即便至今中美貿易戰火未歇,但台灣產研雙方皆已看好受惠於台商回流,或移轉海外第二生產基地之賜,將促使工業機器人等智慧機械需求不變。
圖1 : 即便至今中美貿易戰火未歇,但台灣產研雙方皆已看好受惠於台商回流,或移轉海外第二生產基地之賜,將促使工業機器人等智慧機械需求不變。

(https://cdn.arstechnica.ne)


惟若進一步垂直細分領域,仍可發現其中2017年全球工業機器人裝置量(38.1萬台),比起2010年(12.1萬台)成長率超過3倍,又以機械金屬加工領域的成長幅度461%最高。且看好工業機器人應用將朝向機械金屬加工技能化發展,即由機器人記憶並重現資深工匠、師傅操作員的複雜動作,未來甚至可用來推進AI人工智慧發展。


在工研院產業科技國際策略發展所日前舉行「洞察機器人發展樣貌,掌握投資台灣契機」研討會上,工研院產科國際所分析師黃仲宏也特別列舉全球經典工業機器人廠商,皆歷經時代洗煉、產品具有一定的權威性,以及在特定應用領域享有獨特優勢,得以在近十年內營收市占率穩居前十名。


依照他定義所謂的經典工業機器人廠商,皆不外乎經歷四大階段,分為:


1.萌芽階段,進行機器人的設計製造;


2.茁壯階段,須涉及零組件供應鏈自主與成本控制,具有量產工業機器人的能力;


3.成熟階段,已有主要的應用領域能鋪貨銷售;


4.發展階段,掌握完整售後技術支援與服務體系,各階段至少須經過3~5年時間。


其中在萌芽、茁壯階段,不僅FANUC、YASKAWA、STAUBLI、MITSUBISHI ELECTRIC,皆因分別掌握馬達、減速機、伺服和數控系統優勢;以及ABB、KUKA、Panasonic、DURR、OTC的強項,便在於汽車製程自動化的整合能力。



圖2 : 目前所謂的經典工業機器人廠商,皆不外乎經歷萌芽、茁壯、成熟、發展等四大階段,每個階段都至少經歷3~5年。(source:工研院)
圖2 : 目前所謂的經典工業機器人廠商,皆不外乎經歷萌芽、茁壯、成熟、發展等四大階段,每個階段都至少經歷3~5年。(source:工研院)

台灣工業機器人產業也受惠於80~90年代工業3.0自動化浪潮,陸續衍生出超過百家機器人本體製造廠商與國外產品、零組件、系統應用代理商,台灣智慧自動化與機器人協會(TAIROA)更在日前舉行成立35週年慶祝大會。


然而,展望未來三年內(2017~2020)工業機器人的裝置量仍會穩定成長,且將逐漸附加感測器以收集資料至伺服器,實現精度調整、故障預測等自動化功能;加上不斷有荷重更高的協作級機器人問市,以及新的深度學習技術,建議台廠應加強整合與升級,包含從產品思維轉型到系統架構思維,逐步邁向成熟、發展階段。


跟隨經典工業機器人主流 邁向下一步成熟、發展階段

黃仲宏進一步指出,據統計現今工業機器人系統整合衍生的產值約高於本體2倍以上,如前述經典工業機器人製造廠商,不僅著眼於既有本體市場發展,還逐步拓展到製造系統應用的整合業務。他認為:「這些業者思考的是,該建立什麼樣的系統架構規畫,如機器人+噴塗/銲接/視覺系統等,才能夠透過跨領域技術的有效融合,以達到最佳化生產效能,進而提升製造業競爭力。」



圖3 : 工業機器人介於專用機械設備和人工之間,在工作複雜度提高與大量產品的考慮下,活用機器人技術為提升設備系統能力的關鍵,所產生的效果將優於專用機。(source: https://cms.qz.com)
圖3 : 工業機器人介於專用機械設備和人工之間,在工作複雜度提高與大量產品的考慮下,活用機器人技術為提升設備系統能力的關鍵,所產生的效果將優於專用機。(source: https://cms.qz.com)

因此,目前全球工業機器人皆須與各種力覺、視覺、觸覺感測器,或是其他生產線設備、機台連接與調適後,才能發揮自動化效能,即稱為「系統整合」,須從系統視角為客戶提供整體解決方案,才能有效滿足客戶需求,發揮系統整合商的服務、整合能力。


對於台灣工業機器人製造廠商而言,現階段不應只考量單機開發,還應融入加工、製造效率、產品良率、系統可靠度等;再經過製造系統的製程整合,讓機器人結合應用領域的know-how,促使OT串聯IT整合,打造工業物聯網(IIoT)平台與產品。


機器人智能、技能化合流 樹立生產系統價值

若要循工研院產科國際所剖析現今工業機器人產品發展趨勢,約可概分為智能化、技能化兩大主軸,前者係導入大量感測器進行數位化建置,以促使機器人逐漸具有思考與自我決策等AI基礎能力、簡化人工作業流程,並提升人機協作安全性與便利性;後者也藉此逐漸進化,成為具有擬人檢知、推理、決策的功能,同時重視離線編程軟體、機械手臂精度及剛性、校正與補償裝置、力量控制;進而導入數位分身技術(Digital Twins),改善設計流程與產品開發時間,完成目前大多數由高階人力加工的技藝性精密工作。


黃仲宏指出,根據台商布局下一波智慧自動化生產系統的投資成本分析,目前工業機器人主要介於專用機械設備和人工之間,在工作複雜度提高與大量產品的考慮下,活用機器人技術為提升設備系統能力的關鍵,所產生的效果將優於專用機;又須提高機器人的技能來應付複雜度高的工作,讓機器人導入加工技藝,再利用自動化從事高難度加工工作。


當機器人逐漸成為高彈性加工製造系統,則期盼在加工精度約50μm等級,以更靈活、彈性優勢取代部份工具機製程,包含自適應路徑產生技術,可分析最佳工件與刀具位置、切削力,產生最佳切削路徑;自適應追蹤系統,可即時補正機器人運動軌跡與定位誤差。讓工業機器人可被應用於汽車、航太、機械金屬加工業,用於模具加工及高精度零件製造。



圖4 : Epson雙臂機器人具備AI、2D/3D視覺及智能校正、力覺與多工/快換夾爪功能,未來能不必編程、教點、排列原材料,即可自主完成辨識、組裝等作業,大幅減省人力及成本。(攝影/陳念舜)
圖4 : Epson雙臂機器人具備AI、2D/3D視覺及智能校正、力覺與多工/快換夾爪功能,未來能不必編程、教點、排列原材料,即可自主完成辨識、組裝等作業,大幅減省人力及成本。(攝影/陳念舜)

黃仲宏認為,現今智慧製造目的便是為了要樹立生產系統的價值,發展出生產最佳化、數據聯結、因應大量客製化能力。建置手段包含:掌握生產數據和良率資訊、導入機器人及高效使用、建置物聯網、利用AI優化製程。而經典工業機器人製造廠商已從硬體向上延伸,發展由軟硬體整合完成的平台服務技術,以積極擴展自有領域,從邊緣到雲端,全面布局IIoT工業物聯網生態。


隨著現今各家品牌機器人的硬體技術已成熟到難以明顯差異化,使得各家應用的範圍逐漸重疊,唯有執行機器人作業系統的CPS、機器視覺AOI、機器學習Machine learning智能化軟體技術來拉大彼此差距,但仍由外商主導居多,將是未來主要挑戰和契機。若能輔以5G通訊系統落實軟硬體的整合能力,更將發揮機器人系統數位化整合的作用:基於雲的系統連接到生產線中的機器人和控制器,進而建構複雜且以大量人工智慧來運作的智慧機器人。


Epson聚焦電子產業應用 協同開發模組化解決方案

長期專注於電子產業的日本Epson公司除了獨家開發QMEMS石英微機電系統技術,為工業機器人打造高速度、高精度、低震動等特性。並首創結合AI、視覺及力覺感測技術的摺臂式6軸機器人,有效節省40%作業空間、縮短30%移載時間,強調藉其自動規劃最短路線的功能讓空間效率最大化、生產線效能最佳化。


台灣愛普生科技公司機器手臂營業部協理詹文雅也分享Epson機器人的最新功能,以及與客戶、系統整合商合作,已開發多項針對電子產業需求為主的模組、軟體介面等解決方案。面對近來中美貿易戰火波及部份車用電子產品已被列入增稅項目之一,Epson則可支援有意回流或移轉海外第二生產基地的台商改善、新建智慧工廠或產線。


例如為了讓工業機器人變得越來越聰敏,賦予其視覺、力覺感測功能,模仿生產線上操作人員插DIMM、快鎖螺絲等組裝動作。既結合Epson力覺感測技術和快換夾爪模組,同時滿足可對應不同尺寸的DIMM高精度組裝需求,提高自動化直接組裝良率,已從PCB硬板跨入軟板應用領域;並經過與客戶合作設計的螺絲刀安裝於第三軸,減少延伸治具重量、裝載慣性和偏心距,而可提升整體移動速度,有效減少鎖附時間、增加生產效率。


此外,因應現今電子業產品變得越來越少量多樣,而須進行快速換線或混線生產,而開發快換夾爪,既能讓不同製程夾具毋須受限於單一夾爪上設計,可大幅輕量化、縮短更換夾具時間,更換後定位精度達3μm,徹底發揮一機多工的生產效益。


詹文雅還特別推薦Epson雙臂機器人WorkSense W-01,強調具備AI、2D/3D視覺及智能校正、力覺與多工/快換夾爪功能,加上輪子後還可在不同工站間排程,期許未來能不必編程、教點、排列原材料,即可自主完成辨識、組裝等作業,大幅減省人力及成本。



圖5 : 精工愛普生集團機械手臂營業部經理安田光一專程來台分享該集團研發中的管理設備內機器人工具,可經由軟體進行廠內多部機器人系統的操作監控、維護保養等。(攝影/陳念舜)
圖5 : 精工愛普生集團機械手臂營業部經理安田光一專程來台分享該集團研發中的管理設備內機器人工具,可經由軟體進行廠內多部機器人系統的操作監控、維護保養等。(攝影/陳念舜)

等到進入經典機器人發展階段,亦可參考精工愛普生集團機械手臂營業部經理安田光一於今年6月也應台灣電機電子公會(TEEMA)之邀,專程來台分享該集團研發中的管理設備內機器人工具(Robot Management System)。除可透過由網路應用程式構成的軟體,在PC、平板、智慧型手機等裝置同時進行廠內多部Epson機器人系統的操作監控、控制器設定、維護保養等;未來還能支援OPC UA,連結其他廠商自動化設備及IT管理系統,即將在今年10月東京國際機器人展IREX 2019正式發表。


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