人機協作

全球COVID-19新冠肺炎疫情持續延燒，逐漸影響全世界製造產業的營運模式與工作習慣，利用人與機器的人機協作(Human-Robot Collaboration, HRC)模式，以提高工廠生產效率及製造品質，這個大趨勢帶給智慧工廠自動化產業一個全新的發展契機。 時效性網路(TSN)技術是由IEEE TSN工作小組基於網路OSI七層模型的第二層資料鏈結層所訂定的一系列IEEE 802.1標準。透過TSN技術使標準乙太網路也可以做到工業通信網路必須具備的硬實時(Hard Real-time)、確定性(Deterministic)、低延遲等實時資料傳輸需求。開放平台通訊統一架構(OPC UA)技術是由OPC基金會基於網路OSI七層模型的應用層所訂定的跨平台工業通訊協定標準，提供不同工業自動化機器與機器(M2M)間通訊的共同語言。TSN技術與OPC UA通訊協定技術的結合，提供實現工業物聯網(IIoT)與工業網際網路(Industrial Internet)的關鍵技術，未來亦將成為新一代工業通信技術的明日之星。 亞信電子(ASIX)深耕TSN技術研發，日前發表新產品AXM57104(整合4個TSN埠的PCIe超高速乙太網路卡)，這是繼推出大中華地區首款EtherCAT從站控制晶片與EtherCAT從站專用通訊SoC解決方案之後，進一步可將營運技術(Information Technology, IT)與資訊技術(Operation Technology, OT)融合的解決方案。 AXM57104符合PCI Express 2.1 Gen 1標準，支援符合IEEE 802.1標準的各種時效性網路進階功能，包含IEEE 802.1AS-Rev時效性應用之時序與同步、IEEE 802.1Qav時間敏感資料流轉發以及佇列(FQTSS)：特定Credit-Based Shaper(CBS)、IEEE 802.1Qbv時間感知整形器(TAS)與IEEE 802.1Qci逐一串流過濾與管理(PSFP)等。AXM57104支援在線應用可程式(IAP)功能，可輕鬆地實現在線更新固件韌體以因應未來可能的TSN標準更新需求，並支援32個同步I/O與1個每秒脈衝(PPS)訊號輸出。

過去工業機器人的危險性高，考量安全因素，多用圍籬與人員隔離，避免傷及工廠人員。而過去的協作型機器人在速度與精度又不及工業型機器人，使得工廠應用工業機器人時總是必須犧牲空間以確保安全性。但隨著自動化與科技演進，機器人安全機制的發展使得工廠機器人應用率提升，也釋放許多過去不能利用的空間。 佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶表示，由於安全性的提升與各種因素，機器人在台灣工業製造應用率有顯著的提升。明基/佳世達的目標就是工廠機器人的應用要超過本來的50%，希望有一半的人力可以用機器人取代，只留下一半的人力搭配機器人。 黃氣寶指出，以目前台灣的電子業、組裝產業和傳統製造業的狀況來說，並不適合盲目地追求關燈工廠。由於現在產品少樣多量的需求趨勢推動，更適合推廣人機協作的彈性產線，保留部分人力從事特定機器人難以取代的工作，剩下的事就交由機器人完成。 但是在人機協作的過程中，安全性必須是首要考量。因此明基/佳世達與策略夥伴ABB備有機器人安全協作方案，又稱安全皮膚，安裝在工業機器人上，人員靠近到一定範圍時機器人便會開始減速，當觸碰到人員時，機器人動作便會停止。安全皮膚藉由壓力感測技術，當感測到1公斤的碰觸力道時便會即刻停止機器人動作，承受1公斤的力道人體雖然還是會有感覺，但是不會致傷。另外，安全皮膚利用設置在機器人周圍的地墊感測附近人員的距離，以判斷是否須要減速。 黃氣寶說明，台灣地狹人稠，實際上的工業用地其實非常少，但是由於過去工業機器人的危險性很高，必須要用圍籬將工業機器人與工廠人員隔開，而被圍起來的空間就不能夠利用，使原本就不多的空間更加壓縮。透過安全皮膚，就可以提升工廠廠房空間利用率，釋出過去被圍籬圍起來的工廠空間。工廠坪效的利用率就會大幅提升，透過這樣的機制，可以在一樣的空間內設置更多設備，而不須要增添新的廠房，回收過去不得不浪費掉的空間。 另外，黃氣寶也提到，傳統機器人是在固定位置進行固定工作，而現在發展的方向就是要提升機器人的機動性與靈活性。例如機械手臂搭配AGV，可以當作移動式工站機器人，可以做不只一個工站的工作，更能夠解決人力不足的問題，和提升產線資源調配的靈活性。AGV取代無效率搬運人力，提高物料到現線的準時性，減少線邊倉提高生產線坪效使用，目前包括大型汽車物料倉庫與台灣半導體大廠，均有採用明基/佳世達AGV解決方案。自主移動式機器人 (AMR)結合機器人和AGV ，採用最新SLAM的AGV搭配6軸工業機器人，使用於移動式工站使用，可以大幅節省人力與空間。 相較於傳統工業機器人，觸覺感測除了能讓機器人更像人一般靈活操作，觸覺感測除了能讓教導機器人上更加便利和靈活，也大幅縮短使用機器人的技術門檻，最重要的是還能確保使用上的安全性。此外，人機協作也完全符合少量多樣與客製化的製造趨勢。  

事實上，綜觀現今全球趨勢，企業投資機器人及手臂相關工具的發展比單獨發展機器人更具效益。透過裝載更聰明、更多功能的機器人工具，例如感測器、夾爪與機器人工具快換裝置等機械手臂終端工具(End-of-arm Tooling, EOAT)，可大幅強化機器人的功能，能使之執行重複性的工作，並能應用在需要高靈敏度、高精密度與高智慧化的情境中，這些應用在過去都因複雜度太高而無法實現自動化。 機械手臂終端工具除了能應用在複雜情境，更重要的是，這些前衛的工具能完美實現人機協作。裝載機械手臂終端工具的機器人操作上既簡單又安全，且其中的程式設計很直覺，讓員工們可以安全地在機器人旁一同工作。 在科技創新的推波助瀾下，機械手臂終端工具的應用日益普及。根據QYResearch調查，全球機械手臂終端工具市場規模自2018年的15.8億美元，到2025年有望成長至27.4億美元，而2019年至2025年的年複合成長率高達7.1% 。  由於每個生產設備所需的自動化流程、產品形狀、產品數量、用材與機器人都不盡相同，因此製造商必須找到最合適的機器人工具，以符合個別需求。 發展機械手臂終端工具　重要性更勝機器人 科技進步讓機械手臂終端工具變得更精密、更強大。現今，部署機器人的方式及零件的搭配和使用將比機器人獨立運作更重要；過去五年，終端效應器(End-effectors)被運用在愈來愈多情境，機器人的應用也比以往更加廣泛。機器人裝載機械手臂終端工具後，除了能適應不同尺寸、重量與形狀的產品外，也讓機器人能一次處理多項流程，機械手臂終端工具賦予機器人許多先進功能，且製造業採用這些工具已蔚為趨勢，因此機器人很快將成為一種普遍的商品，而在未來工作運用上，使用何種機械手臂終端工具將遠比使用何種機器人類型更為重要。 隨著眾多競爭者進入市場，並以更低的價格提供更先進的服務，製造商必須把焦點放在「更多工具、更多應用」，而非「更多機器人、更多應用」。 機械手臂終端工具讓工業機器人或協作機器人(Cobots)變得更聰明、靈活與自主化，進而擴大了機器人的應用；這些應用能幫助製造商達成許多生產目標，例如更快、更靈活地因應市場變化與滿足客戶需求，以加速創新。因此，部署機器人前，製造商必須先思考在特定應用下，要選擇何種終端工具類型最符合需求。例如OnRobot便提供多種能幫助製造商達成生產目標的工具，像是OnRobot的RG2與RG6夾爪可以抓取不同尺寸與材料的產品，適用於搬運、取放、包裝、堆棧與組裝等用途。這些夾爪安裝簡單，而且能提高生產的靈活性並減少停工期，不僅符合成本效益，還能處理生產流程的各種變數。丹麥最大花卉公司Rosborg Greenhouse在花卉包裝流程中使用RG6夾爪處理重複性高的工作，並搭配員工協同作業，以降低人力成本。該公司表示，RG6夾爪具高靈活性、爪子能大幅度的張開，還能夠溫和的抓取物件，這是他們選擇OnRobot的三大主因。 此外，OnRobot亦不斷擴大產品線格局，例如RG2-FT型夾爪是由RG2夾爪演化而來，加裝力矩感測器(Force-torque Sensor)與接近感測器(Proximity Sensor)後，成為全球首創的智慧型夾爪。RG2-FT型夾爪，不但可以利用內建的感測器察覺物體、預測抓住的物件是否有脫落的可能、還能偵測擺放位置不夠精準的物件所在何方，且夾爪的安裝與程式設計流程都很簡便，協助製造商實現生產流程智慧化，有效地提升生產效率、降低產品損壞的風險，並提高處理的精確度，讓機器人的應用對員工與工作場所來說更加安全。 善用機械手臂終端工具　提高投資報酬率 受惠於機械手臂終端工具的發展，機器人能應用在更多的工業場合，進而加快製造商的投資報酬。由於部署機械手臂終端工具既靈活又簡易，因此應用時，能在不同工作間切換，而且不管在程式設計上，還是更換工具時，都只需進行微調。 機器人工具可以全年無休地運作，不僅能提高生產力，還能更準確、可靠地完成任務，並且讓人類可以專注於更有價值的工作。機械手臂終端工具的安全性、協同作業能力與智慧化功能降低自動化成本，因為員工可以直接與機器人共事，不需要安全圍籬，也無需複雜的程式設計或昂貴的安裝成本。 有了更聰明、更靈活的機器人終端工具，機器人的運作速度、強度、安全性與精準度都大幅提升，不僅能完成各樣任務，還能讓製造商有最大的投資報酬率。 (本文作者為OnRobot亞太區行銷經理)  

智慧工業發展歷程 首次工業革命在18世紀，這代表著以蒸汽機為動力的機械工業時代來臨，每個勞動力參與大規模生產的全部環節。第二次工業革命發生於20世紀，機械設備的動力由蒸汽變為電力，大規模生產首次出現勞動分工，每個工人只負責產品加工過程中的一個製程，不再全程參與生產過程。 第三次工業革命出現在20世紀70年代，因為電子資訊技術的廣泛應用，製造過程自動化，大型機械設備被電子設備取代。這次革命還是半導體產業發展史上的一個重要里程碑，半導體工業成為自動化發展的引擎。 第四次工業革命則發生在今天，機器變得越來越智慧，而人機協作更加直覺，新機器可以自主監測性能狀態、使用情況和故障狀況，因此，效能、安全和靈活度更高。企業可以使用巨量資料、分析學和分權決策方法提高供應鏈的可靠性和生產效率。 在智慧工業時代，製造過程更加高效和環保，工作環境更加安全，工人的工作體驗更好，人機協作更直覺，可以依照客戶需求更靈活、大量地製造產品。 智慧工業技術特點 智慧機器在每種工作模式下都能保持高效能，可將電能高效地轉化成機械能，必要時還能高效地儲備電能。現今馬達效能相較過去提升很多；照明系統可透過無線網路遠端控制燈具，只在需要時才點亮。 另一方面，智慧型機器使用感測器測量振動、溫度以及濕度等參數，並將感測器資料送到處理器處理，將其變成有用的資訊，智慧型機器與附近的作業員互動，將感測器資訊提供給作業員。 而在工廠內部，所有的智慧型機器連上雲端，提供基層的即時資訊，融入一個超大供應鏈。感測器資訊被安全地送到雲端，供分析技術使用，包括停機預測。 智慧工業四大應用領域 智慧工業應用領域多元，包括工廠自動化、工業機器人、工業照明，以及智慧製造都是常見的應用。 工廠自動化是使用各種控制系統管理製造過程，讓機器按照預定程序運行，盡可能減少人工作業。透過在製造過程中監測各種資料，例如，原料和成品的溫濕度、故障檢測、自動測試報告等，自動化系統可以做出各種決策。不同的機器可以透過6LoWPAN、sub-Ghz、RF技術連接，構成網路，共用資訊。 工業機器人是一種自由度很高的機器。在設定程式後，工業機器人可以完成製造、測試和生產任務，有助於實現高品質製造，節省人工成本，在對人體健康有害和不適宜人類生存的危險環境中代替人類作業(圖1)。 圖1 工業機器人可節省人工成本，加速生產效率。 新一代機器人靈活可變，能夠執行程式，按照客戶的需求和意願，一對一的量身打造產品。機器人有多顆感測器，能夠準確地監測運動位置和角度；而工業智慧型機器人之間亦採用無線通訊，收發資料。 在非製造類設施用電量中，照明用電占了相當大的比例。如果燈具不用時還點亮，大量的電能將被浪費。智慧照明系統可以透過6LoWPAN、sub-Ghz網路監控每支燈具，只在必要時才會開啟燈具，並自動檢測故障燈具，甚至還能遠端調節燈光亮度；燈杆上還可以安裝氣象監測裝置和安全監測站。 智慧製造將各種製造領域與供應鏈完全融為一體，這個概念覆蓋自動化控制、先進機器人、馬達控制、感測器、聯網機器等。智慧製造設備能夠自動訂購原料，在故障發生前提出維修需求，能夠改善工作條件，更安全地管理危險製造流程。智慧製造設備也需要用到巨量資料和人工智慧技術，且經濟實惠的低功耗感測器和通訊連接技術正在讓智慧工業離我們越來越近。 傳統/智慧監測方法大不同 因為機器易磨損和斷裂，所以企業必須採用預防性維護計畫，定期檢查機器的內部元件，即便沒必要也必須執行，或者定期監測機器的運作狀態。預防性維護計畫通常外包給外部服務機構，他們會定期派人上門監測振動參數。這種方法成本很高，因為委託企業承擔維修工的服務費和差旅成本。此外，因為資料監測不是連續的過程，故障發生率仍然很高，致使故障不可預測。 機器本身配備感測器和射頻通訊模組。感測器連續監測振動和溫度等參數，並且透過BLE藍牙或RF sub-Ghz無線技術將資料上傳至閘道，再傳送到雲端伺服器。感測器和射頻通訊模組的功耗極低，甚至可以選用電池作為電源。閘道將數據傳到雲端進行振動分析和FFT分析。 機器振動特徵分析技術可提前發現各種故障或異常，例如，負載均衡、錯位偏差、軸承缺陷、齒輪嚙合等。 感測器各有妙用　工業智慧化中居要角 感測器在工業智慧化之中，可說是扮演了相當關鍵的角色，而各式的感測器，各有著不同的功用。 加速度計 加速度計用於測量工業機器沿X、Y、Z三軸方向發生的加速度，還可以測量機器或機械手臂的傾角。如果機器水平靜止，則X、Y兩軸輸出資料是0g，而Z軸輸出則是1g。1g是地球上所有物體都要承受的引力。如果機器沿著X軸旋轉90度，則X和Z兩軸將會輸出0g，Y軸輸出1g。在傾斜狀態之下，X、Y、Z三軸的輸出值在0和1g之間，然後將輸出值代入三角函數公式，算出機器的傾角。 加速度計還能測量沿水平和垂直方向的線性加速度，這些資料可用於計算運動速率和方向，甚至還能計算高度變化率。加速度計另外還可檢測機器振動，在馬達上安裝的加速度計為檢測故障類型提供關鍵資料。因為馬達負載失衡引起的故障、軸承缺陷和齒輪嚙合故障三者的振動頻率不同，這些資訊可用於預測馬達檢修需求。 陀螺儀 陀螺儀是一種測量沿三軸方向的角速度的感測器，能夠測量俯仰、橫滾、航向三軸的角度變化率。角速率變化資訊可用於提升機器運作的穩定性，防止機器橫向晃動。在收到陀螺儀資訊後，馬達控制器可以動態調節馬達轉速，確保機器或機械手臂穩定運行。陀螺儀還能讓機器或機械手臂按照使用者需求的角度精確旋轉。 磁力計 顧名思義，磁力計為機器或機械手臂提供運動方向資料。磁力計用來測量物體所在磁場沿X、Y、Z三軸方向的資料，並傳送到微控制器，利用專門演算法算出以北極為參照點的航向角，以確定地理方向。 為取得準確方向，應將加速度計的傾角資料和磁力計資料一起應用。磁力計精確度容易受到軟硬鐵或運行角度影響。硬鐵是存在於感測器附近的硬磁鐵材料，可使羅盤指針發生永久性偏移。軟鐵是感測器附近的弱磁鐵材料、電路跡線等，可使羅盤指針發生可變性偏移。為濾除這些異常，需一個磁感測器校準演算法，且重要的是校準快，人工干預少。 氣壓計 氣壓計可以把氣壓值換算成高度值，而氣壓感測器可測量地球大氣壓。氣壓計數據有助於機器或機械臂導航，達到目標高度。升降速度估算的準確性對包括機器人在內的很多機器至關重要。以意法半導體(ST)為例，該公司便推出了新款資料速率200Hz的壓力感測器LPS22HD，能夠滿足高度估算需求。 濕度感測器 濕度感測器可以測量濕度參數，用於氣象站、凝結度監測、空氣密度監測和氣體感測器測量校正。例如，意法半導體旗下的濕度感測器--HTS221，包括感測器元件和類比前端，透過數位連接埠輸出測量資料。感測元件包括聚合物電介質平面電容結構，能夠測量相對濕度變化。 MEMS麥克風 MEMS麥克風是一種將聲音訊號轉換成電訊號的音訊感測器。MEMS麥克風的人氣越來越高，與傳統麥克風相比，MEMS麥克風信噪比高、尺寸小、數位介面、抗射頻干擾性強、抗振性強，主要用於攝影機、安全監控和情報搜集等設備。 總而言之，機器很容易發生極端的工況，包括振動、雜訊和環境的影響。工業機器感測器應有很強的抗振性能，能夠捕捉更少的雜訊訊號，回應速度快，能夠捕捉到所有的振動，性能穩定，不受溫度、濕度等環境參數變化的影響。最後，可靠性和性能應該很高。 轉換原始資料　軟體演算法大有作用 在把感測器原始資料變成有意義的用例過程中，軟體庫在其中發揮著重要作用。演算法可提升感測器的功能性，實現預想不到的功能；演算法整合不同感測器發送的資料，然後輸出上下文感知資料。 加速度計、陀螺儀和磁力計三個運動感測器有各自的優缺點。感測器的短板包括校準不完美、時間或溫度漂移、隨機雜訊。 磁力計和加速度計受失真問題困擾，陀螺儀本身有漂移問題。感測器融合演算法庫用於讓三個感測器相互取長補短，提高校準精度，在所有的場景中輸出精確的結果，不僅輸出經過校準的感測器資料，而且還有角度和航向角資訊以及四元數。 智慧機器連接技術各有所長 智慧型機器可以透過不同的通訊連接技術聯網，低功耗藍牙和Wi-Fi用於機器和手機之間的連接。Sub-1GHz射頻技術用於透過專屬協定連接感測器網路，兼具功耗低和通訊距離遠兩大優點。行動蜂窩通訊和Sigfox用於將機器資料直接上傳到電信基礎建設。 下表列出了各種連接技術的通訊距離和功耗情況。在下文中我們將更詳細地討論低功耗通訊技術，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox(圖2)。 圖2　智慧型機器可藉由不同的通訊技術實現聯網功能。 低功耗藍牙有效延長電池壽命 低功耗藍牙(BLE)又稱智慧藍牙，是一種低功耗的機器連接通訊技術，適用於低階機器，特別是玩具。支援機器與控制器之間雙向通訊，例如，手機、平板、筆電和專用遙控器。低功耗藍牙協議可大幅延長機器電池的續航時間，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統無線技術望塵莫及。  低功耗藍牙可在免授權費的2.4GHz ISM頻段。藍牙技術聯盟(SIG)是低功耗藍牙標準的管理者，所有大型手機商都支援該標準。目前低功耗藍牙的晶片市場有兩大陣營，分別為： a.網路處理器：網路處理器運作低功耗藍牙協議，包括控制器、主設備和協定棧。與運作不同的藍牙應用協定和應用的主微控制器互動，網路處理器還需要一個單獨的微控制器。另一方面，網路處理器是一個獨立的平台，為使用者選擇最適合的微控制器或作業系統，以提供很大的靈活性。例如，BlueNRG-MS為意法半導體開發相容BLE 4.1的網路處理器，能夠同時做為主控制器和從控制器兩個角色，可以讓一個遙控器當手機的從設備，機器的主控制器。 b.系統晶片：系統單晶片(SoC)是一個獨立的晶片組，包括控制器、主設備、應用協定棧和應用。像是意法半導體的BlueNRG-1是BLE 4.2認證系統晶片，包含了15個GPIO針腳、I2C、SPI、UART、PWM、PDM，以及160kB RAM。這款晶片還能提供BLE 4.2的先進資料安全和隱私保護功能。 RF sub-1GHz具備低雜訊/遠距離優勢 顧名思義，RF sub-1GHz技術是以低於1GHz的載波頻率傳送訊號，不同的國家為工業和科技研究領域分配了不同的免授權費的無線電波段。 以下列出為各個國家的免費無線電波段。 ．北美：315, 433, 915Mhz ．歐洲：433, 868Mhz ．印度：433, 865~867Mhz sub-1GHz技術的優點是雜訊小，通訊距離遠，功耗低，缺點是不能直接連手機，應用不廣泛。Sigfox是採用sub-1GHz頻率且須付費的LPWAN服務，該技術可直連接電信基礎建設的雲端，通訊距離長達幾公里。在機器中，Sigfox可用於追蹤，向雲端上傳感測器資料，其作為直連電信基礎建設的低速率通訊技術，預計未來不會取代低功耗藍牙等控制直連技術和RF sub-1GHz直接對等連接。 降低研發時間/成本　開發平台不可或缺 物聯網市場正在飛速發展，產品能否成功，很大程度取決於研發時間和成本，在這種情況下，擁有一個價格划算、靈活可變、有彈性的生產級開放式的開發平台很重要。為此，半導體業者紛紛推出相關解決方案，例如，意法半導體備有STM32開放式開發環境，為設計人員使用意法半導體產品開發應用提供了一個靈活多變、經濟實惠的解決方案。 STM32開發環境包括微控制器、感測器、射頻晶片、類比元件。除了硬體平台外，開發環境還提供驅動軟體、中介軟體和應用，以及相關的Android和iOS代碼。使用者只要在電腦上簽署一份授權協定，就可以使用這些先進的軟體庫。在平台測試成功後，設計人員就可開發自己的印刷電路板，裝載在這個平台上開發的韌體；而使用者只有在自己的電路板上測試應用時，才須要簽署生產級軟體庫的許可證。 或是像SensorTile解決方案，該產品是一個方磚狀微型設計平台(圖3)，其具有遠端感測運動、環境和聲學等參數所需的全部功能，讓設備開發人員集中精力研發機器或機械手臂的空氣動力、馬達控制和物理設計，而毋須考慮通訊連接和感測器整合等問題。該解決方案可以開發預防性和預測性機器維護方法，監控安裝在危險和危害人體健康的環境中的機器，因為維護技師毋須到現場檢修，為企業節省一大筆維修費。 圖3　SensorTile解決方案。 綜上所述，為實現更高的生產率、更安全的工作環境和更高的效能，智慧工業是當務之急。低功耗感測器和通訊連接技術的問世為智慧工業的發展提供了可能。多元化的感測器和連接技術正在解決諸多的複雜難題，過去這些難題是根本無法解決的，即使能夠解決，也需要付出很大的代價。 (本文作者任職於意法半導體)