工研院研發的機器人組裝一只手機只要60秒
在《鋼鐵人》、《變形金剛》等電影當中，機器人可以成為天才發明家的絕佳幫手，狂派金剛甚至可以化身家庭電氣用品監控人類，企圖毀滅世界；在現實生活裡，具備視覺判斷與感知能力的智慧型機器人，也正悄悄推動製造業生產自動化的二次革命。
機器人在製造業中的應用，其實並不是新鮮事。早在1959年就有第一家工業製造廠Unimation在美國成立；國內也在七○年代開始推動生產線自動化，將機器人大量應用在食品、印刷、汽車零配件、金屬鑄造、塑膠製模等傳統製造業。當時使用機器人的著眼點，其一是降低成本、節省人力；其二則是以機器人去代人類去從事3K(骯髒、辛苦、危險)生產環境下的辛苦勞動，有效解決高風險工作環境下的人力短缺問題。機器人的功能，也大多集中在搬運、焊接、噴漆等技術門檻不高的基礎工作層次。
不過，隨著製造業的發展重心，由傳統製造業漸漸轉移至高科技產業，對機器人的需求也大不相同，由過去的「自動化」，漸漸演變為現今的「智慧自動化」，使機器人再度成為顯學，成為歐美各國的發展重點，紛紛投入智慧機器人研發，希望讓機器人從事更為精確細膩、附加價值更高、生產彈性更大、更能因應高品質要求的工作。
根據IFR國際機器人聯盟(International Federation of Robotics)的統計數字，目前全球機器人產值約4,000億新臺幣，正進入「智慧化」的關鍵轉形期。不但歐盟成立EUROP研發聯盟，加速產業機器人的智慧化腳步，美國也提出國家機器人計劃(National Robotics Initiative)，投入次世代機器人研發。除了產業型機器人以外，鄰近的韓國和日本，更對目前尚未成熟的具智慧功能的服務型機器人市場虎視眈眈，將服務型智慧機器人的發展，視為下世代明星產業。
尤其台灣製造業在量大、生產技術門檻較低的傳統製造業方面，並未占有太大優勢；如何在台灣製造業目前仍居優勢地位的生產基礎下，繼續向上加值提升，達到製造業服務化，高科技業自動化等目標，在激烈的全球競爭下掌握升級先機，產業機器人的智慧化發展，在其中扮演了關鍵角色。
自主研發促進產業升級
為了協助國內製造業產業升級，工研院在經濟部技術處的支持下，三年來積極投入智慧機器人發展，不但研發出從機械結構、關鍵零組件整合、軟體設計、核心控制系統，都百分之百由國人自主研發的機器人；更融合智慧視覺辨識技術、環境攝影機定位技術等尖端科技，讓產業機器人達成智慧化目標。在服務型的機器人開發方面，也以具備手眼協調能力的機器人Roppie與智慧清潔機器人，成為國內業者切入服務型機器人市場的敲門磚。
經過視覺辨識技術與自行研發核心控制系統的客製化設計，國人自主研發的智慧產業機器人，不但能符合國內製造業的生產需求，使生產線更具彈性，還能直接帶動關鍵零組件產業升級，包括馬達、減速器、控制器等產業，都將直接受惠。在智慧機器人所適用的產業類別方面，不但能符合傳統製造業對人力的需求，以更高的效率和生產彈性，達到降低生產成本的目標，精確靈巧的動作，更能符合3C產業生產自動化的高標準要求。
工研院機械所經理巫震華表示，對國內製造業者來說，在國際競爭之下，自動化的腳步，勢在必行。舉例來說，若業者聘請一個員工，一天最多只能工作8~10小時；若使用機器人，不但能夠一天幾乎工作24個小時，還不需要考慮薪資、勞健保…等人事成本。
台北國際機器人展上看得到的機械手臂，大多數都是國內代理商所代理的國外品牌，國內的製造業者，當然可以買這些國外進口的機器人來使用，但比較大的問題是，國外業者的機械手臂，在軟硬體上都不會針對廠商的特殊需要去修改，機械手臂買來之後，業者要自己想辦法應用到生產線。假設修改進口機械手臂的時間是一個月，那業者所耗費的成本，絕對不僅是購買這具機械手臂的成本，還要再加上一個月的電子設備、人事成本等負擔，絕對不僅是硬體成本而已。
「但是工研院所展出的機械手臂，百分之百是由國人自主研發，在核心結構上都是共通的，能夠針對不同生產線的需要，進行客製化，能夠迅速貼合國內製造業者的需求，」巫震華強調，「除了機械手臂的機械技術以外，工研院也為業者開發控制軟體，能夠針對特定的功能需求修改程式。尤其以國內的製造業者所接到的訂單來說，都是量比較少，但式樣相對多；因為量比較大的訂單，經常都集中在中國大陸。這代表國內的製造業者，必須很頻繁地去換線，因此自動化系統必須要能夠做到愈彈性愈好。」
自動化的關鍵轉型期
尤其台灣目前正處於後ECFA的關鍵轉型期，由國人百分之百掌握智慧機器人關鍵技術，不但能協助台灣製造業者產業升級，在代工生產方面，提升全球競爭力；在大陸薪資結構逐漸調漲的大趨勢下，當初受大陸的低工資吸引去設廠的廠商，也已開始轉向自動化機械生產，對自動化生產設備的需求也隨之提高，並且很有可能優先使用台灣所研發的零組件與智慧機器人系統。對國內相關業者來說，不但是以零組件供應商，切入機器人產業的大好時機，更是以系統供應商的角色，切入智慧機器人市場的絕佳機會。
工研院機械所智慧機器人技術組副組長黃俊弘指出，目前全世界在生產工業用機械手臂的廠商，規模都還很小，還沒有出現一統市場的獨大者。對於台灣廠商來說，只要掌握關鍵技術與零組件優勢，想要以系統供應商的角色切入智慧機器人產業，機會其實還蠻大的。
與工研院合作超過20年歷史的祥儀企業，已針對機器人拆卸工件自動化等多項技術，進行技術轉移。管理部經理王贈祺指出，該公司是製造工廠，搬運工作的低階人力，已經愈來俞難招募；能夠由機器人來取代，再好不過。祥儀也可以把原本投入在搬運人力上的資源和成本，轉投入到研發上頭去，讓研發的能量更強。
過去祥儀企業以生產馬達為核心業務，借助工研院的研發能量，目前正努力從過去的機器人關鍵零組件供應商，升級為智慧機器人系統供應商；甚至也企圖與日韓品牌競爭，積極切入極具發展潛力的服務型機器人市場。王贈祺表示，因為就DC微小馬達的市場來說，利潤會愈來愈少，再加上面臨到大陸業者的競爭，必須向上升級，朝更高層次的系統供應商去轉型。
目前在服務型機器人方面，祥儀企業已有具體成果，正積極以導覽型智慧機器人切入市場，該公司的機器人產品，也是透過和工研院的技轉合作。類似功能的產品，日本品牌機器人的市場售價，大約要新台幣350萬；但因為使用的是國人自主研發的關鍵技術，讓成本可以大幅降低，也使祥儀的產品的售價，非常有競爭力，大約只要日本品牌的三分之一。一場與時間賽跑的二次自動化革命，正全方位起跑。
工研院研發技術重點
◎機器人手機組裝／拆卸單元：
瞄準3C產業的需要，工研院結合視覺辨識技術與最新研發的六軸垂直關節型機械手臂，使機器手臂變得更聰明，能夠自主地從事組裝狀況判斷，以迅速靈巧的動作，勝任精密的手機組裝與拆卸的工作，並且公差只有0.02mm。運用視覺辨識技術的演算，不但在組裝過程當中，能夠檢測出組裝狀態是否有失誤或缺料；在組裝完成之後，還能再利用裝設於機械手臂上的鏡頭，做檢查的工作。
當機器手臂規劃出運動路線後，操作者可以在系統的模擬畫面中，看到規劃的結果，幫助使用者規劃最佳運動路徑。人性化的人機界面，協助使用者更好上手操作。最重要的是，控制這具機器手臂馬達運作的運動控制卡，也是完全由工研院自主研發，並不是買國外的技術。由於整套系統都是由國人自主研發，便能迅速針對不同生產線的需求，進行客製化調整。經過測試，平均組裝一只手機只要60秒；即使再加入複雜的零組件，組裝時間也能控制在兩分鐘之內完成，預期其產能效益可提升50%以上。
工研院預計明年將進一步導入力量控制系統，將力量感測器加入馬達出力軸，讓機器人不僅專注於位置精度，還能兼顧力量大小的控制，達成更高度精密產品的組裝。
◎機器人鎖螺絲自動化：
傳統的機器手臂，必須要將等待被鎖上的螺絲固定在一定的位置；對於業者來說，必須先耗費固定物件的時間和成本，設計夾治具，才能讓生產線運作。工研院將視覺辨識技術與機械手臂相結合，在機械手臂的工作範圍上方，裝設一組鏡頭，將視覺辨識與定位技術，應用於螺絲孔洞搜尋與定位計算。如此一來，機器手臂便具備辨識待鎖螺絲的角度和方向的能力，不需要夾治具先將螺絲固定，不但省下業者去設計昂貴夾治具的時間和成本，也讓生產過程更具彈性。
◎機器人異型件組裝自動化：
目前的3C電子產品主機板的插件，由於物件細小且異質性高，主要還是仰賴人工處理。但透過具視覺辨識能力的自動化機器人設備，可以在主機板插件之前，辨識出小型電容零件的極性位置，迅速而正確的進行電容插件。以直徑6.3mm的小型固態電容為例，從供料到插件，只需要1.5秒即可完成，動作靈巧精確。
在目前的人工處理程序下，大約每100片會有一至兩片插件失誤，錯誤率其實不低。但若以自動化的機械手臂來處理，不但能夠使錯誤率降低，更具備人工所不能及的高速優勢，對電子業與半導體產業的發展，將有很大的幫助。
◎水五金產線動態導引夾取：
傳統的水五金生產線，由於五金形狀各異，業者必須一一設計多種夾治具去夾取，設計之後還必須生產製造，不但耗費資本，也浪費時間。工研院開發動態視覺導引定位技術，使機械手臂能透過視覺辨識系統，判斷各種不同形狀的物件姿態，自動以正確的角度，抓取正在輸送帶上移動的不同形狀水五金零件，完成自動化入料加工動作。
更重要的是，讓業者只要透過軟體修改，就可以用同一條生產線機具，生產多樣化的產品。不但對提升國內水五金業者的國際競爭力，有很大幫助，若結合自動化或加工設備製造商，還能增加國內機器人系統整合商附加價值，滿足大中華區生產需求。
◎機器人沖壓與物料運送自動化：
沖壓與物料運送若採用傳統人工來處理，高分貝的工作環境將對人體健康產生威脅。工研院研發的沖壓與物料運送自動化系統，讓機械手臂替人類代勞。運用視覺與影像辨識系統，引導機器人自動下料與取料，提升機器人上下料定位效能。物料沖壓完成後，還能聰明地自動將物件運送上車，兼具智慧型最短路徑規劃與閃避障礙導航功能。
◎機器人噴漆塗裝自動化與安全保護技術：
機器手臂不但能長時間在惡劣的環境中進行噴塗工作，加入視覺辨識系統之後，系統還能以視覺感應是否有人員或異物進入噴塗工作區域，並依照其遠近距離，改變機器手臂動作的速度；人員越靠近，機器手臂的速度就越慢。機器手臂除了能夠配合不同工件尺寸調整噴塗的路徑以外，還能夠配合輸送帶移動，調整噴槍的位置，從事3D立體不同角度的噴塗作業，達到噴塗途徑最
佳化。
此外，若要噴塗不同形狀、尺寸的各式工件，系統只要修改軟體，就可以調整噴塗路徑，快速調整製程，滿足業者生產線彈性化的需求。
◎機器人裝卸工件自動化：
這是一具六軸產業機器人，從機械結構到核心控制晶片，都由工研院自主研發，目前最大負重20公斤，最大運動範圍1,660mm，主要是搭配工具機使用，負責將物料由料盤夾至工具機上進入製程。透過模擬系統，使用者可以事先在控制介面上，看到3D On-Line運動模擬，使操作更便利。
系統具備防碰撞功能，若在運送過程有可能發生碰撞，機器人就會主動停下來，提升工作環境的安全性。對於大型機械加工廠來說，不但能節省搬運的人力，也能降低搬運時物料掉落或發生碰撞的風險。使用國人自主研發的系統，更有維修迅修、擴充便利，使用界面容易上手的好處。
◎Roppie機器人：
機器人也會當投手？沒錯，工研院現場所展示的Roppie機器人，特地戴上棒球帽，穿上棒球服，以下巴位置的兩個鏡頭，辨識對面九宮格中的特定紅藍圖案，再利用全身的26個自由度，做到手眼協調，執行投球任務，並現場和參展觀眾相互競技，結果當然是經過精密計算的機器人占上風。
這是工研院結合影像特徵辨識技術與手臂控制技術的研發成果，除了初步的投球動作以外，未來還能進一步辨識家中生活物品的擺設角度和方向，以靈活精確的動作，協助銀髮族取放物品。未來將進一步加入語音對話、安全監控、健康照護等功能，提供互動陪伴，成為居家服務智慧機器人，不但能滿足少子化高齡社會的需求，成為銀髮族的居家智慧幫手，也是國內業者切入服務型機器人市場的重要契機。
◎智慧清潔機器人：
智慧型吸塵器對一般民眾來說並不陌生，但由工研院所研發的智慧清潔機器人，不但具備專利智慧粉塵偵測功能，能夠自行判斷最有效率的清潔路徑，還能夠針對粉塵多寡，自動調整吸力的大小，兼顧經濟節能；專利智慧渦輪模組，具備低噪音、大吸力、高流量特色，可以達到超靜音智慧清潔效果。
若進一步結合視覺辨識系統，於機身安裝攝影鏡頭與LED輔助照明燈，還能兼具保全監控與居家照護功能。透過網路通訊，使用者可以自遠端透過智慧手機、PDA、平板電腦或筆記型電腦，即時看到家中的狀況，是未來生活居家的絕佳幫手。
【完整內容請見《工業技術與資訊》2011年10月號第240期】
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