力覺感測
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雙單臂協作搭配精準力覺 軟板/排線組裝也能自動化
以作業員為師 軟板插件難題逐步分解
如果要讓機器手臂像人類作業員一樣，執行軟板或排線的插件作業，最好的起點是觀察人類作業員如何在工站上執行這項作業。
首先，因為軟板或排線來料時的方向通常不一致，因此作業員一手拿起這類零件的同時，就會開始調整零件的方向，使其對準容易安裝的角度。對應到機器手臂的作業，這意味著手臂必須帶有視覺功能，可辨識出零件的輪廓跟方向性，從而進行調整。
第二，軟板或排線是用來連接系統中不同零部件的裝置，因此兩端各自帶有連接器。在人類作業員進行插件作業時，往往不會兩端同時插入，而是先插一端，確認連接器穩固接妥後，再把軟板或排線拉到另一端，進行插入動作，然後輕拉排線或軟板，確認連接是否穩固。有些連接器為了確保排線或軟板正確、穩固地連接，在連接器上還會附帶一個保護蓋，當作業員完成插件後，還需要把蓋子蓋上，才算完成整個工序。
對機器手臂來說，這道工序是相當複雜的。首先，人類作業員通常不會單手完成這個作業，而是雙手並用。因此，如果要用機器手臂來執行同一個工作，也要兩隻手臂協作會比較理想(圖1)，這會牽涉到相對複雜的編程作業。其次，機器手臂必須靠機器視覺來標定連接器公頭母座的位置，才能精準插件。此外，手臂本身還需要有力覺感測能力，以避免插件用力過猛，造成連接器損壞，或是在完成插件之後，輕拉排線或軟板，確認連接穩固。
圖1 要實現軟板或排線組裝的自動化，用兩隻手臂協作的方式是比較理想的。
正因為軟板或排線的插件作業是非常細膩的工作，因此，直到目前為止，絕大多數電子組裝廠都還是用人力來做這項工作，因為人有與生俱來的雙手跟視覺、力覺，只要稍加訓練，就能很流暢地完成這項工作。
雙「感」齊下 機器手臂也能細膩作業
但這不代表機器手臂無法勝任這項作業。機器手臂業者愛普生(Epson)近期就已與台灣某家電子製造業者完成了一條自動化示範產線的建置。在該產線中，跟軟板插件有關的工站，就採用了雙單手臂協作，並在手臂上整合了視覺跟力覺。其中，雙單手臂協作的程式編寫，以及力覺感測技術的整合，是比較大的技術挑戰。
雙單手臂協作的最困難之處在於，不僅要避免手臂互相干涉，甚至還要像人類一樣，把物件從一隻手遞給另一隻手，因此在程式撰寫時，必須十分仔細地規畫手臂的運動路徑，而且對通訊延遲相對敏感。因此，軟硬體便於高度整合，並具有完善軟體開發環境的愛普生機器手臂，在實現雙單手臂協作上有先天優勢。
其次，因為軟板或排線這類零組件十分纖細，如果在插件時施力不當，很容易損壞連接器，故機器手臂本身的力覺感測技術必須有相當的靈敏度。在力覺感測的靈敏度方面，愛普生自行開發的感測器，靈敏度可達0.1牛頓以下，這使得愛普生的力覺感測器很適合應用在精密組裝作業上。
值得一提的是，除了軟板跟排線這長度相對短的扁平纜線外，一些比較長而細的纜線，例如冷卻風扇的電源線，甚至天線跟主機板連接的纜線，除了一樣要精準且用適當力量來插件外，有時還會需要在機殼上的機構設計，例如線夾或走線凹槽配合，進行彎曲繞線，這也是可以用機器手臂進行的作業。但面對不同型態的纜線，需要搭配對應的客製化夾爪。愛普生在這方面也能提供客製化設計的顧問諮詢，幫用戶設計最適合的夾爪(圖2)。
圖2 在機器視覺、力覺與客製化夾爪的輔助下，以機器手臂完成軟板、排線插件已不是問題。
高度客製化考驗顧問諮詢能力
其實，整體來看，自動化產業是一個客製化程度很高的產業，即便是同一家公司，不同生產線的需求跟配置可能不太一樣，如果是不同公司，甚至是不同產業，差異只會更大。因此，機器手臂供應商不僅要提供產品跟技術，顧問諮詢的服務能力也很重要。
除了前面提到的夾爪客製化之外，力覺感測技術的應用，通常也是高度客製化的。力覺感測賦予機器手臂感知力量的能力，這讓機器手臂在執行很多工作時，能比以往做得更細膩。舉例來說，曲面拋光、塗膠這類作業，在沒有力覺感測技術的輔助下，當然也能透過程式編寫或CAD to Point這類軟體工具，讓手臂依循固定的路徑運動，完成作業。
但這種作法在實際應用上很容易出現問題，特別是曲面拋光。因為拋光頭本身是消耗品，隨著時間過去，拋光頭會因為磨耗變得越來越薄，如果手臂的運動路徑沒有力覺感測技術來補償修正，只按照給定路徑運動，拋光的效果會越來越糟。
因此，目前有拋光製程需求的業者，如果導入機器手臂做自動化，通常得靠經驗來決定何時更換拋光頭。但如果有力覺感測輔助，業者就可以用更科學化的方式來判斷何時需要更換耗材，而且停機更換的頻率通常可以降低，因為力覺技術可以用來修正手臂的運動路徑，讓拋光頭用得更徹底，且不影響拋光成效。
因為這類需求十分常見，而且能給用戶帶來明顯的經濟效益，愛普生目前正在整理過去相關顧問諮詢所累積的經驗跟知識，將其固化成一套具有圖形化使用者介面(GUI)的工具，讓使用者能更快、更直覺地將整合了力覺功能的機器手臂導入到拋光製程中。
(本文作者任職於愛普生)
挑戰彈性生產難題 雙臂機器人翻轉設計思維
對機械手臂業者而言，人口老化、勞動力短缺等大趨勢雖然有利於業務發展，但若要推動機械手臂普遍運用在各種製造業、甚至非製造業，必然要讓機械手臂朝更靈活、更智慧、更能彈性運用的方向發展。在這個思路之下，有些傳統工業機械手臂的設計理念跟技術可以繼續沿用，但有些則有重新檢視、修正的必要。
彈性生產挑戰傳統手臂設計思維
目前的工業用機械手臂絕大多數都是以大量生產單一產品的應用場景為研發思考的起點，因此整個手臂系統的設計方針，不太會把少量多樣或混線生產的需求列入考量。
少量多樣甚至混線生產的生產線配置，跟大量生產的產線相比，有哪些不同需求？最顯而易見的一點就是換線調度所產生的設備移動、定位校正等考量。目前絕大多數工業用機械手臂都必須安裝在牢固的定點上，無法視產線需求快速調度到其他位置。定點安裝有其好處，因為這種安裝方式更容易讓手臂在又快又穩的前提下執行工作，有助於產能極大化，但缺點就是要換線的時候，若機械手臂的位置需要移動，拆卸跟重新安裝、校正的作業會相對麻煩。
除了移動性的問題之外，換線調度往往也意味著工站的來料會跟著改變，工站本身的配置跟布局也可能會跟著調整，這會影響到手臂的運動路徑規劃。如果手臂的控制系統無法聰明地因應這些變化做出調整，自動化工程師撰寫程式或手動教導的負擔會變得很大。
最後，目前機械手臂所使用的夾爪、治具等配件，大多是針對特定產品組裝工序設計的客製化配件，A產品有一套專屬的夾爪、治具，B產品則用另一套的情況相當普遍。這其實也是為了追求量產速度極大化而產生的設計，但缺乏適應性的夾治具，使得機械手臂在換線時，有時必須更換對應的夾治具，若是遇到混線生產，情況則更加棘手。
歸納起來，對於產品種類眾多，需要頻繁換線的製造業者而言，現有機械手臂不能輕鬆移動、對現場環境的變化適應性不足，使得自動化工程師必須頻繁介入、以及夾治具設計的泛用性不足，是三個必須設法克服的問題。
感知/移動/泛用性成關鍵
如果要讓機械手臂適用於講求彈性生產的產線，機械手臂的設計理念必須跟著調整。首先，手臂設備本身必須具備更高的可移動性，才能滿足產線調度的需求。其次，機械手臂必須有能力感知周遭環境跟加工任務的變化，並做出適應性的調整，不管是在軟體或硬體上都要有一定的適應能力。
關於移動性，這個問題最直觀的解答，就是把手臂設備安裝在可移動的平台上，例如自動引導車輛(AGV)或是推車上(圖1)。這種設計對講求高速運動的工業型機械手臂來說，會構成一定的挑戰，因為慣性會影響到手臂運作的穩定性，如果要手臂運作又快又穩，把手臂安裝在牢固、安定的平台上，還是最好的選擇。但對於講求彈性生產的生產線來說，因為對產線吞吐量的要求相對較低，手臂的運動速度可以適度放慢，慣性所引發的問題也因而從根本上獲得緩解。
圖1 為滿足彈性生產需求，機器手臂必須具備一定程度的可移動性。
至於在感知能力方面，機器視覺是最重要的技術。除了2D視覺外，3D視覺也非常關鍵。2D視覺可以用來讀取QR碼標籤、感知物件的外觀輪廓等傳統機器視覺可以執行的任務，3D視覺則可讓機械手臂據以判斷其所處場景中，各物件在立體空間內的分布狀況，除了可以更精準地抓取物件外，甚至可以讓機械手臂自動閃避其運動路徑上的障礙物。
力覺感測對於彈性生產來說，也相當關鍵。透過這項技術，手臂可以跟其加工中的工件建立起更深的連結，例如精準地控制加工力道，避免損壞產品，或確保零部件被正確地安裝到位。有了力覺感測的數據，機械手臂還可以實現智慧化的力量自動補償，解決零部件公差的問題，或是當公差過大，超過容許範圍時，自動發出示警。力覺技術有相當大的應用想像空間，端看個別生產線的具體需求為何。
完整的感知能力，對於提高機械手臂控制軟體面的適應性，可以帶來很大的幫助。因為有這些即時的感測數據，機械手臂不再只能靠著預先固定的程式，照本宣科地在不同座標點之間移動，或是只對工件施加固定的力量，而是可以按照環境跟任務的變化，適應性地做出改變。
至於在硬體層面的適應性，則必須以泛用型夾治具取代固定型夾治具來實現。固定型夾治具限制了機械手臂可以執行的作業任務，泛用型夾治具則可以在一定程度內解決這個問題。此外，雙臂協同運作也會是未來的發展方向之一，因為雙臂協作可以讓機械手臂執行更複雜的工作任務。
雙臂機器人滿足彈性生產需求
以愛普生(Epson)發展多年，到2017年底才正式商品化的WorkSense W-01自主性雙臂機器人為例，該機型就是以滿足少量多樣、彈性生產組裝為出發點而設計的產品。
WorkSense W-01整體共有15軸關節，包含單一手臂具有7軸運動關節，雙手共有14軸，再加上腰部可旋轉的1軸，可以提供非常高的自由度，以適應變化多端的生產組裝需求，甚至像人類作業員一樣，正面180度以內都是其可以自由運用的工作空間。
此外，WorkSense W-01是一款可以由作業員推到定點後，踩下固定踏板，接上網路線就能開始工作的雙臂機器人，這也意味著該設備不用大幅更改生產線布局，就能整合進原本以人類作業員為核心而規畫的生產線(圖2)。
圖2 WorkSense W-01可以直接推進原本為人類作業員設計的工站，執行作業任務。
而在機器視覺方面，共配有6顆視覺，該設備除了頭部配有2D跟3D機器視覺外，在兩隻手臂的手肘部位也各有一個2D機器視覺鏡頭。此設計可解決手臂擋住頭部視線的問題，消除機器視覺的死角。無死角的機器視覺，對雙臂機器人的應用而言相當重要，不僅能讓手臂避免碰撞，更有助於提高手臂設備的泛用性。
WorkSense W-01的設計理念是可代替人類作業員進駐工位，而在少量多樣或混線生產的產線上，一個工站往往得做很多事情，因此空間利用相當緊湊，一張工作檯上再切割成多個區塊，放置多種零部件跟對應的加工設備，例如焊槍、螺絲刀等，是很常見的情況。因此，手臂必須清楚知道現在要執行的組裝工作為何，相關工具跟零配件放在工作檯的哪個區塊。在這種情況下，利用QR Code標籤來標記工具、零配件的位置，加上無死角的機器視覺，就能發揮很大的功效。
而在夾治具方面，為提高適應複雜加工作業的能力，手臂必然也要改採泛用型夾爪，並搭配力覺感測技術，讓機械手臂不只在機構設計上更接近人類的雙手，同時也有感測力道的能力。WorkSense W-01出廠時的標準配備就是兩軸的四指夾爪，並且在夾爪的四指中間，還有一個類似手掌的設計，以提供更多夾持力道，讓夾爪可以更穩固地夾持工件跟加工設備(圖3)。
圖3 泛用型夾爪讓機器手臂可以滿足各種作業需求。
要滿足多功能工站的複雜作業需求，除了硬體面之外，軟體面的考慮也要更周延，只有硬體到位是行不通的。WorkSense W-01本身內建的控制器有相當大的儲存容量，因此自動化工程師可以預先把所需要的各種加工模式寫成模組，當機器人在工位上就定位之後，只要呼叫模組即可。
也因為該設備本身有很完善的視覺跟力覺感測機制，因此自動化工程師在寫程式的時候，可以不用把每個動作鉅細靡遺地寫死，藉由感測器提供的資料進行即時補償即可。這使得控制軟體的撰寫變得更簡單，在某些情況下，控制軟體的行數甚至可以減少到原本的三分之一。
實現機器換人願景要有新思維
對機械手臂供應商來說，製造業客戶喊出機器換人、無人工廠等口號，雖然是一大利多，但在技術跟產品開發上，卻是相當大的考驗。跟機械手臂相比，人類作業員有完整的五感，加上會思考的大腦，因此面對複雜的加工任務，有很強的適應性。但現有的工業用機械手臂大多是以追求產能極大化作為設計出發點，而不是從滿足複雜、多元化的加工需求來思考，因此在遇到多元化製造或彈性生產需求時，會遇到很多難題。
要協助製造業客戶實現無人工廠，機械手臂必然要變得更像人類，要有感知跟思考的能力，而且在機構設計上也要更貼近人類，才能適用於原本為人類作業員規劃的生產線。這也是Epson耗費多年時間，研發WorkSense W-01自主性雙臂機器人的原因。跟傳統工業手臂相比，WorkSense W-01的特性更貼近人類，能執行更複雜、多樣化的工作任務(圖4)。
圖4 雙臂設計加上完整的感測能力，讓機器手臂的應用彈性大為提升。
這是未來機械手臂產業的一個新的發展方向。追求產能極大化的工業機械手臂，還會繼續朝高精度、高速度跟低震動的方向發展，針對彈性生產，手臂設備必須具備更全面的感知跟判斷能力。對手臂產業而言，這是一個新的發展方向，也會開拓出新的應用市場，未來成長值得期待。
(本文作者任職於Epson)