機器手臂
- Advertisment -
新冠疫情加速製造業數位轉型腳步 AI視覺/手臂整合更強大
就在新冠疫情起起伏伏，製造業者對智慧製造的需求更加迫切的背景下，2020年台灣科技相關產業的第一個大型實體展覽—台北國際自動化展揭開了序幕。雖然參觀人士必須戴著口罩才能入場，但場內觀展的人潮仍不在少數，且許多參展廠商都端出了人工智慧(AI)相關的展示內容，更讓今年的自動化展飄著濃濃的AI味。
安全皮膚技術助陣 工業機器人走向協作化
新冠疫情使得許多工廠面臨現場勞動力不足的考驗，進而使工廠人機協作的升級轉型需求大增。但工業機器手臂為追求生產效率的極大化，作業時往往必須與人類作業員保持安全距離，使得人機協作的理想很難落實。如何讓工業機器手臂與人類作業員安全地協同工作，成為機器手臂產業的重大議題。
為實現工業協作手臂的理想，專注研發機器手臂安全皮膚的原見精機，與日本川崎重工(KAWASAKI)攜手合作，共同發表了搭載安全皮膚的工業機器手臂(圖1)，藉由高達95%且無死角的包覆度，讓工業機器手臂的安全度大為提升，並朝工業協作的目標跨出一大步。
圖1 原見精機與川崎重工合作，讓原本專為工業應用設計的KHI RS007L機器手臂，在加裝專為其設計的安全皮膚後，升級為工業協作手臂
原見精機董事長蘇瑞堯表示，該公司自2017年創立以來，靠著全球唯一的表面式力感測器解決方案，獲國內外諸多機器人龍頭廠商青睞，攜手提升智慧製造人機協作的安全性。很榮幸本次與川崎重工進一步深化夥伴關係，推出搭載於其機械手臂、市面上包覆最完善的機器人觸覺技術解決方案，現正於日本進行最後檢測實驗，預計不久後即可問世量產。該公司將持續以MIT的堅強技術實力，與更多夥伴攜手打世界盃，以安全的工業協作自動化為核心，擘畫下世代工廠未來。
川崎重工新事業開發部部長野田真指出，產業環境日新月異，川崎重工於工業自動化與機器人產業發展的五十多年間，不斷開發並尋找能符合市場需求的技術。原見精機獨有的觸覺感測解決方案，有效促進大型工業機器人與人類的協作，為新時代自動化產業的發展注入活水。搭載於KHI RS007L的T-Skin安全皮膚新產品，提供機器手臂在協作同時又保有完整的工業精準特性，升級為堅實、精準、耐用的下世代機器人。
原見精機的T-Skin安全皮膚，具有高感度特性，只要一公斤力碰觸就可命令機器人停止。該產品是全球第一個通過歐盟CE驗證最高規格的觸覺感測安全產品，且符合人機協作技術規範ISO/TS 15066的人體安全撞擊測試，產品安全與功能安全均獲認可，達到完整機械系統的安全要求。
原見精機總經理盧元立則進一步說明，KAWASAKI的輕量型機器手臂KHI RS007L是目前同一負重等級中，全球運作速度最快的機械手臂。該手臂原本是專為工業應用設計的產品，但由於人機協作是機器手臂很重要的發展趨勢，如何讓工業機器手臂在快速、精準的既有優勢上，提高其安全性，是許多機器手臂業者都在追求的目標。
在既有的工業手臂上加裝安全皮膚，可讓工業手臂快速升級為工業協作手臂，且成本也遠低於購置新的協作型手臂(Cobot)。但安全皮膚必須針對手臂進行深度客製化，才能避免安全皮膚拖累或干擾機器手臂的運作。原見與川崎重工合作，為KHI RS007L開發專用安全皮膚T-Skin的目的，就是為了讓該手臂能一方面保有其輕巧快速的優勢，另一方面又更加安全。
除了與川崎重工直接合作外，原見也已經針對其他機器手臂品牌的多款產品開發出外掛式的安全皮膚，可讓製造業者用最實惠的投資額，將既有的工業手臂升級為工業協作手臂。
驅控整合式機器關節讓手臂設計更彈性
在本次自動化展中，除了安全皮膚外，與機器手臂有關的重要技術，還有工研院所發表的第三代驅控整合式機器關節。
工研院機械所智慧機器人技術組長黃甦表示，目前市場上絕大多數機器手臂的臂長與構型，都是由機器手臂原廠定義，使用者跟系統整合商(SI)無法依照自家產線的需求或場域狀況進行調整，也使得某些很特別的應用場域找不到適合的機器手臂。因此，工研院發想出新的設計理念，把整隻手臂拆分成一個個關節單元，讓使用者或SI可以依照應用場域的狀況，在一定的容許範圍內，針對每一節手臂的臂長、手臂的整體構型進行客製化，打造出量身訂做的機器手臂。
目前這項技術已經發展到第三代，與前兩代關節模組相比，第三代關節模組單位重量的扭力輸出較第一代關節模組增加約30%，臂長則比第二代更長，又取消了L型關節設計，只保留N型與I型關節，因此整支手臂的外觀更纖長，但又比第二代關節模組多出一個自由度，可實現七軸手臂設計(圖2)。整體來說，利用第三代關節模組組成的機器手臂，比以往的手臂更不占空間，卻又因為多出一個自由度，能負擔更多元化的作業任務。
圖2 工研院機械所展示利用其第三代機器關節模組實現的高度客製化機器手臂
黃甦透露，目前新竹清華大學已經採購了兩支由第三代關節組成的機器手臂，將以此進行雙臂機器人的開發，另也有醫療產業的SI業者利用第三代關節更不占空間的特性，設計出手術用的輔助機器人，可以在開刀房內執行夾持內視鏡這類原本由護士執行的助理工作，讓護士可以去做其他工作。
此外，還有多家台灣的馬達、齒輪等手臂零組件業者，也已經向工研院取得技轉，利用這項技術發展出內建自家馬達、齒輪等關鍵零組件的關節模組。跟提供零組件相比，提供關節模組不僅更貼近SI客戶的需求，單價跟利潤空間也比只銷售零組件更好。
機器視覺/AI緊密結合 手臂應用場景更多元
除了手臂本身的進步外，本次自動化展上，結合人工智慧的機器視覺也比往年更有看頭。所羅門以「AI 3D視覺賦予機器人感知能力」為主題參展，與合作夥伴共同展出多達16項智慧製造與智慧物流的相關應用，包含台灣首次發表的智慧物流分撿與包裝解決方案、智慧焊道辨識方案、智慧打磨系統。
所羅門董事長陳政隆指出，轉型智慧工廠，只有機器手臂是不夠的，因為無法成功辨識物件的機器手臂，在實際的產業應用上會受到很多限制，而這也是所羅門發展AI 3D視覺的主要原因。有AI 3D視覺的機器人，才能讓機器人的應用更多樣化，真正符合產業彈性製造的需求。
事實上，所羅門近年來在AI、機器視覺與機器手臂的整合應用上，投入了相當多資源，每年自動化展上的現場展示，也隨著機器視覺的辨識能力越來越高，而變得更多樣化、更複雜，更貼近實際應用需求。
圖3 所羅門展示的AI智慧焊道辨識方案
據所羅門評估，現在AI、機器視覺與機器手臂的整合應用，已經脫離技術驗證階段，開始走向大量部署。但有許多客戶反應，受到網路頻寬、延遲等因素的影響，現階段要在產線上部署這種高度智慧化的系統，必然要在產線旁配置搭載了高階繪圖卡的工業電腦，由此衍生的成本也是不小的導入障礙。因此，所羅門正著手將其AI機器視覺系統雲端化，以便在網路性能進一步提升，例如5G、TSN網路普及後，能立刻提供用戶雲端部署的選項，降低硬體建置的費用。
AI結合領域知識 自動化長智慧
在本屆自動化展中，幾乎所有跟影像有關的應用，不管是以機器視覺引導機器手臂運作，或是用機器視覺對大小工業產品進行檢測，都能看到AI技術的身影。對工業自動化產業而言，這是頗不尋常的現象。
由於工業自動化對系統的穩定度、可靠度要求遠高於一般資通訊產業或消費性電子產業，因此自動化相關業者對於新技術導入，向來採取比較審慎、保守的態度，除非技術已經相當成熟，否則不會輕易將其導入到自家的產品或解決方案中。
但AI在自動化應用中普及的速度，打破了自動化產業穩紮穩打的習慣，從今年自動化展的展示內容，可以發現相關業者並不是把AI當作展現研發實力的題目，而是真的已經在生產線上累積了一定的部署實績。
俗話說，禍福相倚。新冠疫情對製造業的正常運作造成十分巨大的干擾，但同時也促使製造業者加快數位轉型的腳步，並使得新技術的導入速度明顯加快。對自動化業者，乃至更上游的電子設備、半導體元件供應商來說，或許也算是失之東隅，收之桑榆吧。
以大自然為師 OnRobot發表小型壁虎夾爪
機械手臂終端工具領導廠商OnRobot近日宣布，其Gecko無痕壁虎夾爪系列產品將增添一款全新的輕巧型單接點(Single-pad)夾爪Gecko SP，適用於面積較小、負重較輕的新型自動化應用。Gecko SP夾爪提供三種尺寸：SP1、SP3和SP5，均以負重公斤數來命名，能吸取各式各樣平坦、光滑或帶有多孔表面的物件。使用Gecko壁虎夾持技術進行物件取放時，即便是高光澤的表面也不會留下任何痕跡，可省略製造過程中的清潔步驟，在節省時間的同時也提高產能。與其他Gecko夾爪功能相同，Gecko SP能抓取印刷電路板、鋁網或墊片等多孔物件。
機器手臂除了使用多指型夾爪來夾持物品之外，也可以使用真空吸盤來吸取物品。但真空吸盤的應用有其局限，倘若要吸取的物體表面凹凸不平或帶有孔洞，吸盤將因為失去氣密性而喪失吸住物體的力量。對電子產業來說，最典型的案例就是已經打好穿洞的各種印刷電路板。Gecko壁虎夾持技術則是使用數百萬個微型纖毛來取代真空吸盤。透過強大的凡德瓦氏力(Van der Waals Force)將物體跟夾爪吸取起來，其工作原理跟壁虎腳趾上的吸盤一樣。
圖 以凡德瓦氏力吸取物品的OnRobot Gecko SP夾爪，即便帶抓取的物體表面凹凸不平，也能正常工作。
這項受到大自然啟發的技術，因無須使用壓縮空氣或外部電源，能節省維修成本，透過OnRobot的單一系統解決方案提供全面整合的軟體平台，Gecko SP能快速部署於機械手臂上，幾乎不須程式編寫，便可提高大多數協作型或輕型工業機械手臂的生產彈性。
OnRobot執行長Enrico Krog Iversen表示，Gecko壁虎夾持技術能實現其他夾爪無法辦到的流程自動化，此次推出輕巧具彈性的版本，能為我們的顧客提供更多選擇。Gecko SP是一款貨真價實的隨插即用夾爪，履行了我們提供全系列簡便、符合成本效益且具有彈性之終端工具的承諾；讓顧客能專注於發展應用，而不必費心研究複雜的機器人。
專訪OnRobot執行長Enrico Krog Iversen 共通前端平台加速手臂應用部署
OnRobot執行長Enrico Krog Iversen表示，由於每家機器手臂業者都有自己專屬的軟硬體介面，因此目前絕大多數的機器手臂前端工具，例如夾爪、吸盤等，常常得採用高度客製化的設計。但高度客製化也使得這類前端工具的一次性工程(NRE)成本增加，並使其不容易因應產線需求改變而調度。這些問題使得機器手臂的應用受到極大限制，也讓OnRobot看到機會。
為打破各家機器手臂品牌無法互通的限制，OnRobot提出手臂前端工具統一平台的概念，要讓所有機器手臂的前端工具都能跨廠牌通用，進而使SI跟使用者能更快實現應用導入。在硬體層面，針對不同手臂品牌，OnRobot推出對應的快拆式法蘭轉接器，並內建通訊協定轉換晶片，以便讓前端工具跟手臂建立通訊連線；在軟體層面，OnRobot則提供專門用來控制前端工具的應用軟體或軟體開發環境，讓自動化工程師得以快速編寫程式。
Iversen表示，目前OnRobot的前端工具已經跟Universal Robot(UR)的手臂實現深度整合，在UR的軟體環境裡，可以直接呼叫OnRobot的前端工具App，以非常直覺的方式控制前端工具參數。預計到2020年五月，OnRobot將會與大多數手臂品牌業者實現類似的深度整合。
除了打破手臂品牌之間的藩籬外，OnRobot目前還有另外兩項重要工作正在推動中，其一是擴大通路合作夥伴的數量，另一個則是增加前端工具的品項，以滿足更多樣化的手臂應用需求。目前OnRobot產品只透過通路夥伴銷售，全球約有400家合作夥伴。預計到2020年底前，全球合作夥伴的家數將達到800家。另一方面，OnRobot也計畫在2020年結束前，再推出30種不同的新產品。
OnRobot執行長Enrico Krog Iversen認為，通用的前端工具平台，將是加快機器手臂應用導入的關鍵。
機器視覺加持 VGR抓取/品管樣樣行
近年來，機器視覺在工業領域的應用範疇大舉擴張，除了原本的讀碼掃描、文字識別功能外，更與機器手臂結合，讓原本只能盲取盲放的手臂開啟視野，能夠辨識其所要取放的物體，甚至還可以繞過障礙物。另一方面，機器手臂也讓原本大多採取定點安裝，應用受到局限的機器視覺變得更加彈性，例如安裝在手臂上的移動式視覺系統，就能更靈活地貼近表面凹凸不平的待測物，看到更多原本看不到的死角。
所羅門集團日前在自動化展中，展示了多款機器視覺與機器手臂結合應用的案例。除了利用2D機器視覺辨識待取物料的顏色、輪廓跟位置，進而精準抓取正確的物件外，由兩支鏡頭所組成的3D視覺系統，則賦予視覺引導機器人(VGR)「深度」的概念，讓VGR得以從有一定深度的物料箱中取出雜亂堆放的物料，並閃過箱壁的阻礙，將物料放到對應的定點。
所羅門表示，由於2D視覺沒有深度的概念，因此採用2D機器視覺的手臂雖可精準取放跟辨識物料，但倘若從出發點到目的地之間有障礙物存在，除非這個障礙物是固定的，可以透過預先編程來閃躲，否則光靠機器視覺，無法提供給手臂足夠的資料。但3D機器視覺則可以感測出深度的變化，進而指揮手臂做出閃躲動作。
這其實是一項很實用的功能。舉例來說，當物料箱裡有一堆隨機堆疊的物料需要機器手臂個別撿取到定點，隨著時間過去，箱子裡的物料越來越少，手臂Z軸運動的距離也會跟著增加，就像人伸手到箱子的底部取出料件，要把手伸得更進去一樣。但當手臂要從箱子縮回來時，如果沒有Z軸的資訊，手臂很可能會直接撞上箱子卡住。
當然，這個問題還是可以透過手臂編程來解決，例如手臂要上升到某個固定的安全高度後，再開始往目的地移動。但3D視覺可以用即時量測的方式提供手臂必要的資訊，因此在應用上可以更加靈活。
除了扮演指揮官的角色之外，所羅門也展示了直接將機器視覺系統安裝在手臂上的應用。這種應用模式稱為移動式機器視覺，其特性在於讓視覺系統在檢測表面凹凸不平的待測物時，能夠從更多不同角度取得物件的影像，進而找出原本藏在死角裡的瑕疵。
所羅門指出，一般來說，工業相機都是定點安裝居多，但這種安裝模式在應用上有其局限性。以物件瑕疵檢測為例，若待測物本身凹凸不平，相機卻只能從一個固定角度取得影像，則這些影像難免會有死角產生。傳統上，遇到這種狀況只有兩種解決方法，一是用多台相機從不同角度取像，二是讓物件旋轉移動，用各種角度去面對工業相機。
直接把工業相機安裝在手臂上，則是近年興起的新解法。藉由手臂靈活運動的特性，工業相機可以從各種角度取的待測物的影像，而且即便待測物像汽車引擎蓋那麼龐大，也只需要一台工業相機就能取得高解析度影像，讓細小瑕疵無所遁形。但這種做法也有其先天限制，就是檢查速度往往會比同時使用多台相機來得慢。但因為無死角這個特性，因此在大型零部件的品管檢測上，這種移動式視覺頗獲客戶好評。