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機器手臂走向智慧化設計

2018-03-23 11:10智動化

【作者: 王明德】

2018年3月(第34期)
2018年3月(第34期)
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機器手臂一直是多數人對工業自動化領域的印象圖騰,不過目前的主要應用領域多以汽車、半導體元件等重工業或高精密製造業為主,透過高重量負荷、高速與高精密技術,彌補作業人員生理上的不足,提升生產線效率,近年來智慧化成為製造業的重要趨勢,在智慧製造概念下,製造現場對機器手臂的設計要求,將不只於精度與速度,人機共工、與周邊自動化設備的整合、彈性化運作,將成為下一世代機器手臂的設計思維。

人機共工取代無人工廠

在人機共工部分,現在智慧製造已開始走向以人為本的思考方向,以歐美大廠為例,現在早已不再只是研究於怎麼開發成無人工廠,反而更聚焦於人跟機器間該如何互動與搭配才能有效提升效率,在未來的工廠中,工業機器人將會扮演重要角色,設置於產線中的機器手臂,與作業人員共工的機率相當高,因此如何避免人員為機器所傷,就成為重要設計。

工業機器手臂大致可以分為6種,包含水平關節型(SCARA Robot)、並聯型(Parallel Robot)、直角坐標型(Cartesian Robot)、大型垂直關節型(Articulated Robot)、輕量型垂直關節型(Articulated Robot)和雙臂型(Dual-Arm Robot),其中SCARA Robot有3個旋轉關節,其軸線相互平行,在平面內進行定位和定向,另一個關節是動關節,用於完成末端在垂直於平面的運動,在平面運動上具有順從性,而在Z軸方向有較好的剛性,適用於裝配工作,並聯型機器手臂以Delta Robot為大宗,這種手臂在基座上有3個馬達,用萬向接頭接到移動台上,其關鍵為移動臂在機構上的設計,會保持移動台的水平方向,多應用在食品包裝線,由外包裝到內包裝皆都有廣泛使用,直角坐標機器人的特色則是結構簡單且成本低廉,可靈活組裝成單軸到多軸的機械手臂,或作為專業自動化機械中的直線定位系統,多應用於點膠、射出成形、噴塗、搬運、上下料、裝配等工業流程。

圖1 : 視覺與手臂整合,讓產線作業效率更高。(Source: IDS)
圖1 : 視覺與手臂整合,讓產線作業效率更高。(Source: IDS)
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關節式多軸手臂是現在工業機器人的主流,分類方式多以抓取重量區分,20kg以下為小型、20kg~60kg為中型、60kg~300kg為大型、300kg以上為重型,關節式多軸手臂本身機體已有相當重量,若再加上抓取的物品重量與手臂的動作速度,所產生的質量非常大,作業人員與之碰撞,受傷的機率極高,近年來工安意識抬頭,多數廠商推出關節式多軸機器人的安全設備。

目前機器手臂的安全設計主要可分為圍籬與感測兩種方式,圍籬則可分為實體與光柵兩種,實體圍籬以金屬製成隔板或網狀,阻絕人、物的進入,另一種則是以紅外線作為光柵,若有人員進入阻斷紅外線,則機器手臂會自動停止,感測模式則是在機器手臂上內建感測器,感測器業可分為兩種,一種是力道感測器,這幾年在機器手臂領域快速竄起的協作型機器人,就內建此類感測器,當機器手臂與人體接觸,處理器就會判斷碰觸力道的強弱,減緩機器手臂速度,另一種應用的感測器是ToF(Time of Flight;飛時測距)感測器,這種技術是透過紅外線的反射時間判斷距離,過去主要應用於消費性產品,如智慧手機拍照的對焦或掃地機器人對障礙物的判斷,現在已有廠商將之設計在機器手臂,依據人體與機器手臂的距離,調整手臂的速度。

眼手協調讓效率倍增

以人機共工的安全設計之外,與周邊自動化設備整合和彈性化運作的兩種設計概念,都是為了提升產線的速度與良率,整合周邊自動化設備部分,整合的技術目前主要以機器視覺為主,過去的機器手臂多需與產線設備配合,兩者精準對位,機器手臂的精度才能浮現,後來有廠商在手臂內建置感測器,不過單一感測器會因為受限感測原理限制,產生空間、角度、距離與精確度等空間感測差異,而設置過多感測器也會有成本與處理負荷問題,這幾年開始有廠商將機器視覺與手臂結合,經校準後讓眼手協調,有效優化機器手臂的效能,尤其是與長景深辨識的影像感測器整合,可以針對影像感測器取像範圍的空間進行大幅度的空間深度測定,取得數據後在於動作控制端進行操作範圍限制。

圖2 : 機器手臂的相互連結與共工,是彈性化生產的重要設計。(Source: I...
圖2 : 機器手臂的相互連結與共工,是彈性化生產的重要設計。(Source: Industia & MAS)
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長景深的視覺判別,可以讓機器手臂的動作更靈活,這幾年的各國的自動化展覽既可以看到,多數系統整合商推出這類型產品,攝影機先行判斷出物件的位置、角度、高低等數據,經由後端處理器運算,再將控制指定傳送到機器手臂,機器手臂以適合的方向與角度抓取物件,與過去未與機器視覺整合,需要多一道將物件排列整齊的工序相比,經整合過的作業模式無疑更具效率。

會攜手合作的機器手臂

彈性化運作設計則是智慧製造的最高體現,不但所有的智慧化設計必須到位外,機器手臂本身還須具有一定程度的AI能力,現在機器手臂在生產線上的運作模式,在上線前都已設定完成,以汽車製造為例,車體焊接、組裝、噴漆等都有專用的手臂,而這其中每一環節都由數隻機器手臂合力,在智慧製造體系下,生產線上的所有設備都有通訊功能,通訊功能不只是上下系統的垂直互通,設備與設備之間也會有橫向的數據傳輸,設備可以相互掌握彼此狀況,並有一定的智慧對應能力,在正常運作下可自行協調出最佳運作模式,若有某具手臂故障,系統除了立即通報管理人員外,其他手臂也會立即接手故障手臂的部分工作,讓產線不至於立即停擺,這種模式過去被認為遙不可及,不過在AI技術的成熟下,以並非不可能,尤其是近期多家工業電腦廠商已開始推出邊際運算(Edge Computing)的工業物聯網底層產品,其特色就是讓第一線的製造設備具有一定程度的運算功能,目前這類型產品雖以馬達、空壓機等為先期主要應用目標,不過若要擴大範圍將之整合到機器手臂也非難事。

從整體發展來看,未來機器手臂除了在速度與精度兩方面持續提升外,智慧化也會是下一階段的設計重點,過去幾年製造業者導入機器手臂的動機,主要是因應勞工短缺與高昂的人力成本,工作內容與原有的人力相去不遠,未來機器手臂必須有更進一步的功能,完成人力無法完成的工作,方能讓製造系統落實智慧化願景,讓製造業進入下一世代。

**刊頭圖(Source: CDC)

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