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机械资讯 760期
工业机器人－以系统化与digital twin
打通未来智慧制造应用的任督二脉

文/黄 苏
工研院机械所智慧机器人组 组长
「机械为工业之母」近年来伴随科学进步，随着工业推新，时代趋势推升生产模式转变，机器人牵引国家政策及对应产业需求，诸多产业亦感受到机器人逐步改写世界局势，纷纷投入提前布局以掌握机器人发展动态，抑或直接导入取得先机。全球制造业转型与升级，同时机器人跨足物流、半导体、医疗、农业、工业、汽车制造等产业应用亦日趋显着，更显见机器人带动智慧制造的全球趋势已势不可挡。
在智慧制造领域中，透过智慧化技术应用，机器人技术进步和成本降低，恰好缓解社会劳动力因高龄化及少子化而产生的人力短缺，如今全球饱受COVID-19新型冠状病毒(肺炎)疫情影响，劳动力活跃的实现更是雪上加霜，机器人俨然是最佳时代帮手。现阶段机器人的应用与必要性已不同往日而喻。长期来看，机器人是可以满足全球对工业制造的品质精进与价值提升的需求，亦能有效率地把人力干扰因素降至最低，而让企业因应不断增长的制造要求，并兼顾导入成本与回收的效益，乃无庸置疑的。

一、全球机器人发展与应用现况

2020年全球工业机器人大趋势，以三篇报导揭开本文工业机器人发展现况与预测说明的序幕。
1.MarketsandMarkets今年1月提出预测「工业机器人市场规模(包含外围设备、软体和系统工程的价格)将从2019年的487亿美元增长到2024年的756亿美元，复合年增长率(CAGR)为预测期内为9.2％。文中更指出：预计2019-2024年亚太地区的工业机器人市场依旧将维持最高的市场占有率。」
2.IFR (International Federation of Robotics)于今年1月指出「全球工厂中有超过240万台工业机器人在运转中。全球销售总额更缔造165亿美元新记录。报导影片中更指出全球74%的工业机器人中、排名前五大国即为：中国、美国、日本、韩国和德国。」
3.IFR (International Federation of Robotics)于今年2月指出「从2020年到2022年，预计将在全球工厂安装近200万台新的工业机器人。新技术趋势和市场发展使企业／能够应对不断变化的需求；人机协作是机器人技术的另一个重要延伸，现代机器人系统能够适应快速变化的环境，具有与人类协同工作的能力；机器人制造商提供的协作应用范围不断扩大；此外，机器人迈向数位化，即「无论制造商为何，工业机器人本身具备彼此间相互通讯」的功能就显得至关重要。此外，搭载云科技(cloud technology)的机器人的数位连结性也是新业务模式的促成因素。从上述趋势报导中、大致上可区分为三种机器人产业领域：
1.机器人本体(硬体)于亚太地区维持成长态势。
2.布局机器人的AI软体开发平台以及软硬整合的应用。
3.机器人单机单纯作业模式已转化扩增为人机协作与云端科技的结合。
此外，针对工业机器人在全球技术性发展趋势中，尤以Cell化(系统化技术)、智慧化(AI功能)与数位化(Digital-Twin)三点，最为吸睛：
1. Cell化(系统化技术)
机器人产业由单机迈向系统化的潮流势不可挡。2019年德国汉诺威工业展的展出重点之一即是「智慧生产系统」，内含自主式生产、人机协同、整合数位资料模型以及智慧化人机介面，藉以满足弹性生产、客制化等市场需求，Cell化同时可提升生产制造的品质、效能与安全性。其中，在不久的将来，具有Cell化之「影像辨识技术」智慧机器人将可像人类一样快速理解所见之物，高效率地协助人类完成视觉(看)的工作，是目前的系统化整合技术显学，所以，Cell化是新技术的解决方案，用以提高生产灵活，其附加价值未来将大于单机手臂，成为产业应用的重要方向。
2. 智慧化(AI功能)
  近年机器人大展(如：日本IREX展、德国汉诺威EMO展、德国慕尼黑AUTOMATICA展)，机器人厂商整合AI与资通讯，展出结合机器人的各类型智慧解决方案、合推平台或解决方案，抢占智慧制造应用系统商机的意味相当浓厚。未来对于新安装的工业机器人的性能期待，将具备人机协作、自我诊断、自主认知(Autonomous Cognition)、或机对机学习(Peer-Learning)等功能。透过AI技术应用，未来产线上将逐步出现多机或人机协作的情境，展现未来机器人产线上弹性化任务分配技术与制造效益。
3. 数位化/数位孪生技术(Digital-Twin)
  在智慧制造领域中，机器人系统数位化整合与AI技术应用的关键就是「数位孪生技术(digital twin)」。透过数位孪生技术可让虚实系统(Cyber physical system, CPS)先进行虚拟模拟与试行后，部署到真实世界的模型，再转成「虚实即时互动」的情境。尤其，工业机器人有较高的自由度与加工弹性的特性，此技术可因应未来少量多样化的制造需求，缩短更换产线制程而造成的调机时间，减少对机器手臂操作之专业人员的依存感，以满足新型态制造生产的需求。

二、台湾产业机器人发展与应用现况

在IFR2019年统计表中，台湾在全球工业机器人前15大国中，排名第六。台湾现已有国产机器人产业，且国内机器人主要应用于电子业，另有航太业、表面处理业、加工业、研磨抛光等领域。
全球制造业逐步转型为技术密集型产业，为提升产业技术能量与制造效率与弹性，国内机器人相关技术开发应用亦油然而生：
1.生产制造轻量化：传统机器人手臂体积庞大，现则要求轻量化。
2.生产方式灵活化：由大量生产及单机线，朝向少量多样的生产方式。
3.制造弹性化与人性化：从单机自动化，开始朝向导入加工技艺，使人机介面更加友善及人性化，并透过技术辅助达成人机协作分工方式，提升生产效率与品质。
目前国内虽已具备一定的机器人研发制造能量实力，但当国内制造产线导入工业机器人应用时，仍不如想像中顺风顺水，遇到的问题瓶颈仍有待技术突破与整合，例如：使用工业机器人时需要额外专业人士实行操作，难以符合产线上简单重复操作的需求；更因机器人的智慧化不足导致调校耗时、单一功能性不易扩充；从本机发展到次系统中，尚缺国产与客制化的系统解决方案(SI)，更遑论后续软硬整合发展与应用，无法串接产线上的工业机器人与制造设备，使得现有机器人技术无法满足多元应用需求。
工研院机器人研发团队，早已提前针对国内产业需求与瓶颈，布局三项技术对策，为产业的既存问题提供突破性的解决方案：
1.发展机器人制造次系统控制器( C e l l Controller)：内含机器人边缘运算模组技术，提供任务学习/参数调适/人机协作等核心功能，以外挂方式提供机器人制造次系统功能，如AI支援协作、人机AI融合、机对机AI智慧等，并透过多机通讯，转换为开放式Cell Controller。不仅可跨国内外厂牌手臂与周边设备整合控制，支援四大家族，mobile arm，workbench、AGV等，满足产线弹性与及时调整需求。
2.发展Digital Twin软体技术：搭配Cell Controller，发展机器人技能学习与性能扩充技术，以因应多样化的制造应用需求。
3.建立多种机器人制造次系统技术：辅以多机social machine软硬体环境(如：Smart Joint驱控整合模组、驱动模组机械手臂、工件式机器人加工系统)，满足弹性化接单、设计及生产，快速换线及环境适应等制造需求，发挥特有制造know-how的竞争优势。

三、工研院机器人新产品的应用及技术扩散

1. 驱控整合关节模组
制造产线对于工业机器人的需求与日俱增，为缓解制造产线空间不足的问题，工研院机器人团队成功研发机器手臂之「驱控整合关节模组」以降低机器手臂的占有空间与设计复杂度。此模组系将马达与驱动器整合一体，并由多个模组合成机械手臂(如：单一驱控整合模组可做为电动设备的伺服轴、两个模组可组成做为无人搬运车(Automated Guided Vehicle,AGV)的驱动轮子、多轴机械手臂可由多个模组组合而成(工业用六轴机械手臂、四轴机械手臂SCARA)，搭配工研院机器人eMIO控制器(EtherCAT-Motion Intelligence Orchestration)后，即可快速上线。此控制器内含精度模组，可提高机械手臂的绝对精度表现，改善生产品质并提升生产良率。此外，当模组化的关节发生故障时，即可直接替换整个模组，提高机械手臂的保养维护的效率，兼顾停机期间所造成的损耗，俨然成为生产线上的最佳配套方案。
2. AI边缘运算模组(AI化)
  国产机器人多以单机及模组为主，发展国产与客制化的机器人制造次系统解决方案(System Integration, SI)尤为主要课题，辅以智能化软体及制造应用端技术以补足产业链缺口。工研院机器人团队一则开发硬体「机器人次系统控制器(Robot Cell Controller, RCC)」，藉由RCC硬体力展AI功能，整合边缘运算(Edge Computing)，以开放式架构提供次世代机器人所需之AI即时运算与精准的人机互动，包含AI支援协作、人机AI融合、机对机AI智慧等功能。让作业人员容易操作机器人，亦可支援跨接机器人，活化机器人使用效率，降低制造成本与减少浪费。二则开发软体「自主学习协作机器人」，导入AI自主学习协作机器人与性能扩充技术，发展出台湾特有工艺自动化机器人，如工研院CPS研磨抛光机器人让台湾特有研抛技艺得以传承，不因缺工与老师傅退休而出现断层。
3. 高精度机器手臂加工单元(Cell 化)
  台湾机器手臂应用已朝向专业加工等技能化发展趋势，工研院机器人团队「高精度工业机器人技术」成为新型态加工单元之指标技术课题，也是台湾国产机器人自主技术之核心关键。突破高精度需求应用领域(如：CPS)之重要关键技术，包含：(1)建立「机器手臂几何误差降低方法与装置」，突破机器手臂空间中移动的定位瓶颈、(2)「实现机器手臂高耐久精度维持」：以区域雷射作为基础之绝对精度校正(AQ Calibrator)与监测装置(AQ Monitor)，监测产线机械手臂精度，精度异常或偏移，即时传知产线管理员，更可有效避免产线全面停机后的全机检查。(3)「机器人轨迹精度提升模组化」，跨越目前机械手臂动态轨迹追踪精度不足的门槛；为台湾自动化与机械人开创应用弹性与通用性。
4. EzSim虚实整合制造系统
  「EzSim」系工研院机械所开发之智能软体，为digital twin应用，因应各产业多元化开发需求，发展开发者套件模组，让使用者根据各自领域加工技术进行再开发，能快速实作加工演算法与成果验证。工研院机械所CPS机器人模拟器—EzSim智慧软体最初应用于水五金产业研磨路径编程，自动生成水五金磨抛路径与模拟，近年来逐步扩展至其他产业应用领域，目前更已开发多种技术模组并应用于水五金研磨、超音切割与航太绕切钻孔等领域。

四、机器手臂在航太零件复杂曲面加工

机械手臂在机械产业其他领域应用，已跨足航太制造新领域，如：在航太零件复杂曲面加工。
机械公会理事长柯拔希于2016年访问中说：「航太产业需25年才能回本，机械与航太产业要有长远的眼光，机械业透过航太产业转型升级，航太业与机械业合作不单经验可传承，还可带动航太产业更具竞争力。」台湾机械工业公会挺国机国造，期许机械业可藉由打入航太产业供应链，转型升级的雄心由此显见。然英雄所见略同，隔(2017)年工研院机械所智慧机器人组，与汉翔航空及盟立签署合作备忘录，由盟立导入工研院所开发的「eMIO机器人控制器平台」，将机器手臂的精度提升至航太等级。更于去年2019年台湾机器人与智慧自动化展展示「线上即时3D视觉检测系统，结合机械手臂」，可同时以2D跟3D视觉检测大范围、高曲度的工件，更进而与汉翔航空合作开发加工量测系统。机器人精度是飞机制造应用的先决条件，工研院研发团队使用Laser Tracker进行工业机器人大范围量测及位置补偿，如今更将机器手臂实质应用于航太零件复杂曲面的加工，树立国内智慧制造高阶市场跨域的多元服务标竿。
《孙子兵法虚实篇》有言「善战者，致人而不致于人。」此时诸多产业饱受新冠肺炎疫情影响而放缓脚步，也见识到此波疫情的确催化消费行为的转变，牵一发而动全身，所以，希望以此文说明机器人应用与趋势，分享给各位先进们以提前布局。「产业，动与不动，都是竞争!」机器人将是产业与经济活动之间的关键性载台。既然身为人类的你我，困在家中，如今更可反思藉助机器人之力，集结人类智慧的机器人，共同延续着产业的脉动。
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