若要替代更多人力，機(jī)器人需要更智慧，必須仰賴視覺(jué)與力感應(yīng)等輔助才能符合所需。本文特別專訪達(dá)明機(jī)器人營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)黃識(shí)忠，剖析機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用與趨勢(shì)。
2020年COVID-19投下震撼彈，「無(wú)人」、「零接觸」成為新常態(tài)，加速工業(yè)機(jī)器人取代人力的腳步。與傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)相比，協(xié)作型機(jī)器人可以針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行部署，而且更容易操作，所以越來(lái)越受重視。
ABI Research報(bào)告指出，全球協(xié)作機(jī)器人（Collaborative Robot)市場(chǎng)2020年市值達(dá)4.75億美元，預(yù)估2021年達(dá)6億美元，2030年可望成長(zhǎng)至80億美元，年複合成長(zhǎng)率32.5%。除了疫情帶動(dòng)工廠機(jī)器人需求，個(gè)別產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將促使工業(yè)機(jī)器人需求攀升，如半導(dǎo)體、綠電、電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)，國(guó)防工業(yè)、資通訊等領(lǐng)域也需要利用機(jī)器人與工具機(jī)整合技術(shù)。
協(xié)作型機(jī)器人的視覺(jué)應(yīng)用
國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)IFR(International Federation of Robotics) 報(bào)告指出，全球約有270萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在工廠內(nèi)作業(yè)，產(chǎn)業(yè)前三名為電機(jī)電子工業(yè)(28.4%)、汽車(chē)工業(yè)(21.2%)、機(jī)械金屬工業(yè)(10.9%)，亞洲仍是工業(yè)機(jī)器人使用率相對(duì)高的市場(chǎng)，亞洲新安裝機(jī)器人約佔(zhàn)全球供應(yīng)量的60%。若要替代更多人力，機(jī)器人(手臂)需要更彈性、更智慧，必須仰賴視覺(jué)與力感應(yīng)等輔助才能符合所需。
達(dá)明機(jī)器人營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)黃識(shí)忠表示，電腦視覺(jué)技術(shù)在1960年代已萌芽，2000年左右才大量拓展到商業(yè)應(yīng)用，「當(dāng)時(shí)數(shù)位相機(jī)帶起一波風(fēng)潮，人臉會(huì)被電腦視覺(jué)技術(shù)偵測(cè)出來(lái)，用綠色框框罩起來(lái)。爾後許多應(yīng)用如體感遊戲、人臉識(shí)別、圖像拼接等都是當(dāng)時(shí)主流的電腦視覺(jué)技術(shù)?！?/span>
2013年左右，深度學(xué)習(xí)技術(shù)崛起，影像辨識(shí)邁入另一個(gè)新里程碑，視覺(jué)辨識(shí)能力隨著技術(shù)發(fā)展而越發(fā)成熟，2017年前後的研究則證明，AI視覺(jué)辨識(shí)技術(shù)已超越人眼的識(shí)別能力，該技術(shù)也廣泛應(yīng)用到視訊監(jiān)控、自動(dòng)車(chē)以及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。
| 圖1 : 達(dá)明機(jī)器人營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)黃識(shí)忠。（source:達(dá)明） |
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機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)首重引導(dǎo)與定位，也就是要能透過(guò)視覺(jué)帶領(lǐng)機(jī)器人的手與腳到達(dá)指定位置，這些技術(shù)在過(guò)去十年間發(fā)展相對(duì)成熟，市場(chǎng)上出現(xiàn)許多視覺(jué)機(jī)器人，如AGV(無(wú)人搬運(yùn)車(chē))透過(guò)SLAM(同步定位與地圖建構(gòu))技術(shù)自由於場(chǎng)域間穿梭，機(jī)器手臂透過(guò)視覺(jué)撿拾隨機(jī)擺放的物體等。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展與成熟，機(jī)器人視覺(jué)對(duì)環(huán)境的感知、物件的瑕疵等有更強(qiáng)的辨識(shí)能力，機(jī)器人透過(guò)視覺(jué)技術(shù)如AI，快速導(dǎo)入各個(gè)產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。
傳統(tǒng)2D工業(yè)視覺(jué)廣泛使用於自動(dòng)化檢查，隨著生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)取放的應(yīng)用增加，對(duì)高精度 (0.01-0.05mm) 需求也變高，如貼標(biāo)、鎖螺絲等作業(yè)，機(jī)器人必須在高速移動(dòng)下同步做到動(dòng)態(tài)追隨，所以更需要整合視覺(jué)、控制等系統(tǒng)。
3D視覺(jué)是讓機(jī)器人更聰明，手腳更靈活的利器，雖然編程複雜耗時(shí)，但有助機(jī)器人快速選擇路徑，執(zhí)行工作，如黏接、加工或隨機(jī)取放物品。過(guò)去的機(jī)械手臂只能夾取整齊排列的物件，萬(wàn)一碰到眾多不規(guī)則物件，必須改由人工輔助，透過(guò)3D視覺(jué)模組，機(jī)械手臂能自動(dòng)立體掃描，判斷使用何種角度正確夾起物件，大幅降低輔助成本。
以達(dá)明機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由於內(nèi)建智慧視覺(jué)，可以根據(jù)客製化需求進(jìn)行偵測(cè)、辨識(shí)、定位等多種視覺(jué)應(yīng)用，無(wú)須額外視覺(jué)系統(tǒng)整合時(shí)間，加速生產(chǎn)流程。智慧視覺(jué)可辨識(shí)物品位置，節(jié)省周邊治具的龐大費(fèi)用，也符合少量多樣的生產(chǎn)趨勢(shì)，同時(shí)降低各階段人力開(kāi)銷(xiāo)，減少前期整合視覺(jué)、工作站流程的專業(yè)工程人力。
當(dāng)機(jī)器手臂遇到AGV AMR開(kāi)拓新商機(jī)
自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR-Autonomous Mobile Robot）是自動(dòng)化搬運(yùn)裝置，也就是機(jī)器手臂結(jié)合AGV與電腦視覺(jué)、控制系統(tǒng)，整合成腦、眼、手、腳齊備的智慧製造設(shè)備，具有自主、彈性運(yùn)用等特性。AMR等於是將工業(yè)機(jī)器人(手臂)設(shè)置於無(wú)人搬運(yùn)車(chē)(AGV)上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，具有移動(dòng)能力的AGV沒(méi)有手，物件轉(zhuǎn)移只能靠輸送帶或人工搬運(yùn)，而機(jī)器手臂沒(méi)有腳，固定後無(wú)法移動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人與AGV結(jié)合成為AMR裝置，充分發(fā)揮截長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，同時(shí)具有取放及移動(dòng)能力。AMR可共用人類移動(dòng)通道，搭配SLAM等技術(shù)更能達(dá)到自動(dòng)管控、智慧搬運(yùn)裝置的目的。
當(dāng)AMR導(dǎo)入逐漸成熟的自駕車(chē)導(dǎo)航技術(shù)及SLAM同步定位與地圖建構(gòu)技術(shù)，也就同時(shí)擁有自主導(dǎo)航能力與機(jī)器視覺(jué)能力，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)讓長(zhǎng)手長(zhǎng)腳的ARM多了一雙「眼睛」，讓AGV定位更精準(zhǔn)，最後以控制系統(tǒng)作為命令中心的「大腦」，同時(shí)具備腦、眼、手、腳的智慧製造設(shè)備於焉誕生，AMR技術(shù)也成為熱門(mén)市場(chǎng)趨勢(shì)。AMR在低速、單純運(yùn)行環(huán)境下多半能順利完成各種移動(dòng)任務(wù)，加上協(xié)作型機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用漸趨成熟，AMR的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛多元。
AMR以機(jī)械手臂結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)航搬運(yùn)車(chē)，使機(jī)械手臂具備自主移動(dòng)能力，無(wú)限擴(kuò)大工作範(fàn)圍，加工或存取動(dòng)作不再侷限於單一工作站。多部AMR在生產(chǎn)線進(jìn)行多站工作，可以大幅提高使用效率，適合少量多樣製造趨勢(shì)。
Global Info Research預(yù)測(cè)，2025年AMR自主移動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)7.36億美元，2019-2025年年均複合成長(zhǎng)率達(dá)15.85%。除了製造業(yè)，不同現(xiàn)場(chǎng)也能看到AMR的身影，如醫(yī)院照護(hù)、環(huán)境清潔、餐飲業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)、零售通路(如賣(mài)場(chǎng))業(yè)等。
不過(guò)，AGV或AMR尚未出現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此製造業(yè)者與終端使用業(yè)者缺乏可依循的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，以致業(yè)務(wù)推廣困難。業(yè)界已成立自主移動(dòng)機(jī)器人聯(lián)盟(Autonomous Mobile Robot Alliance，AMRA)，率先推動(dòng)由AMR業(yè)者主導(dǎo)的AMR產(chǎn)業(yè)共通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以解決性能規(guī)格定義不同、系統(tǒng)封閉無(wú)法兼容作業(yè)的困擾。
| 圖2 : 機(jī)械加工應(yīng)用 (搭配使用PMC AGV)。 (Source：達(dá)明) |
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ISO規(guī)範(fàn) 人機(jī)協(xié)作安全更有保障
機(jī)器人分別傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人。多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)器人處?kù)丢?dú)立的工作環(huán)境，遠(yuǎn)離其他人員，可以處理重物及高速運(yùn)行。協(xié)作機(jī)器人通常會(huì)與其他勞工共處?kù)兑粋€(gè)空間工作，協(xié)作方式包含無(wú)人機(jī)互動(dòng)、分享工作區(qū)、流程分工、共同執(zhí)行、合力完成工作等，IFR報(bào)告指出，協(xié)作機(jī)器人和勞工的合作以分享工作區(qū)和流程分工為主。
工業(yè)5.0的理想境界是人機(jī)共同在智慧型工廠內(nèi)作業(yè)，這種新型態(tài)工作環(huán)境，安全考量不可或缺。人機(jī)協(xié)作容易碰到的危險(xiǎn)包含機(jī)器人靠近取貨平臺(tái)時(shí)機(jī)械手臂撞傷人員、機(jī)器人抓取原料時(shí)端校器夾傷人員、機(jī)器人放置完成貨物時(shí)造成人員壓傷等，在協(xié)作場(chǎng)景中必須根據(jù)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)程度監(jiān)測(cè)、控制甚至限制機(jī)器人的力量、速度及運(yùn)動(dòng)軌跡。
人機(jī)必須同時(shí)在同一工作區(qū)內(nèi)互動(dòng)時(shí)，安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更重要，風(fēng)險(xiǎn)程度取決於人機(jī)之間的距離，需要可靠的感測(cè)器協(xié)助檢測(cè)，感測(cè)器彼此間的聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)，以及與機(jī)器設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)溝通力相當(dāng)重要，人機(jī)互動(dòng)越密切，設(shè)計(jì)要求越高。
依據(jù)ISO 8373：2012工業(yè)機(jī)器人的定義，工業(yè)機(jī)器人是可自動(dòng)控制，可程式更新改變行為的固定性或移動(dòng)式多用途操縱裝置，如三軸或多軸機(jī)器人的動(dòng)作控制。為確保機(jī)器人使用安全，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）針對(duì)機(jī)器人(Robotics)設(shè)立ISO/TC 299標(biāo)準(zhǔn)，並於2016年發(fā)佈ISO/TS 15066協(xié)作機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，做為ISO 10218的補(bǔ)充文件。
臺(tái)灣勞動(dòng)部已於2018年2月14日修正發(fā)布「工業(yè)用機(jī)器人危害預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)」，於第21條增列雇主使用協(xié)同作業(yè)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CNS 14490、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10218系列或與其同等標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，另於同年3月發(fā)布「協(xié)同作業(yè)機(jī)器人作業(yè)安全評(píng)估要點(diǎn)」，作為企業(yè)撰寫(xiě)協(xié)同機(jī)器人安全評(píng)估報(bào)告的參考指引，以確保協(xié)同作業(yè)機(jī)器人的使用安全。為確保協(xié)作機(jī)器人的安全性，必須通過(guò)CNS 14490-1、ISO 10218-1或其他同等標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/RIA R15.06、JISB 8433、UL1740)的機(jī)器人安全測(cè)試。
智慧製造的痛點(diǎn)：彈性不足
工業(yè)機(jī)器人越來(lái)越智慧，隨著智慧工廠逐步落實(shí)，製造業(yè)導(dǎo)入機(jī)器視覺(jué)也逐漸普及化。近年來(lái)機(jī)器視覺(jué)的最大演進(jìn)是結(jié)合AI，尤其製造業(yè)少量多樣生產(chǎn)需求提升，「彈性」與「多樣性」成為智慧製造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。但多數(shù)製造業(yè)在導(dǎo)入智慧製造過(guò)程中會(huì)面臨的問(wèn)題是，少量多樣生產(chǎn)模式及產(chǎn)品生命週期變短，導(dǎo)致硬體自動(dòng)化設(shè)備製造彈性不足，無(wú)法隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)模式，因此，軟體系統(tǒng)和設(shè)備間的交握及製程管控須不斷調(diào)整。此外，還需要面對(duì)生產(chǎn)線導(dǎo)入新產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)程過(guò)長(zhǎng)、相關(guān)技術(shù)人才不足等問(wèn)題。
智慧機(jī)器人有助克服這些痛點(diǎn)。黃識(shí)忠說(shuō)，達(dá)明協(xié)作機(jī)器人內(nèi)建視覺(jué)，具有高彈性特色，不僅移動(dòng)性高、編程簡(jiǎn)易，而且周邊置具需求少，可以快速應(yīng)用於新產(chǎn)品製程，加上所需面積小，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)線的配置易動(dòng)來(lái)說(shuō)相對(duì)較小。除了傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)外，達(dá)明機(jī)器人也協(xié)助食品產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)進(jìn)行品質(zhì)外觀的檢測(cè)，協(xié)助檢測(cè)產(chǎn)品外觀、形狀、顏色的一致化。
至於製程管控和設(shè)備對(duì)接工具，達(dá)明工廠智能管理系統(tǒng)TMmanager可以降低製成規(guī)劃設(shè)計(jì)門(mén)檻，由產(chǎn)線管理者設(shè)定製程管控規(guī)則，減少溝通時(shí)間、加快上線時(shí)間，有助快速對(duì)接機(jī)臺(tái)設(shè)備，協(xié)助製造業(yè)落實(shí)智慧化工廠需求。
| 圖3 : 產(chǎn)線自動(dòng)裝箱與貼標(biāo)。(Source：達(dá)明機(jī)器人) |
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掌握機(jī)器人發(fā)展四趨勢(shì)
IFR曾提出4個(gè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)，黃識(shí)忠認(rèn)為與達(dá)明機(jī)器人軟硬體產(chǎn)品發(fā)展的里程碑若合符節(jié)。趨勢(shì)如下：
一、AI智慧視覺(jué)的發(fā)展
未來(lái)機(jī)器人結(jié)合視覺(jué)和其他感測(cè)系統(tǒng)的AI有助執(zhí)行各種形狀工件的辨別及瑕疵檢測(cè)，協(xié)助各產(chǎn)業(yè)快速導(dǎo)入自動(dòng)化。
二、智慧工廠的廣泛應(yīng)用
汽車(chē)業(yè)率先使用智慧機(jī)器人解決方案，在整廠裝配線中使用工業(yè)機(jī)器人，未來(lái)更可以應(yīng)用於機(jī)器人與自動(dòng)駕駛車(chē)輛或自動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人（AMR）的網(wǎng)絡(luò)交互，配備最新導(dǎo)航技術(shù)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，這些可移動(dòng)機(jī)器人更靈活，車(chē)身透過(guò)無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸可與流水線分離並自行導(dǎo)向裝配位置，這個(gè)位置可單獨(dú)組裝配備的模組，完成變更模組後也只需要對(duì)機(jī)器人和AMR重新編程，不必拆除整個(gè)生產(chǎn)線。
三、機(jī)器人進(jìn)入全新產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
高度彈性化的協(xié)作型機(jī)器人已加速導(dǎo)入各產(chǎn)業(yè)，部分領(lǐng)域直到最近才轉(zhuǎn)向自動(dòng)化，如食品和飲料、紡織品、木材產(chǎn)品和塑料業(yè)等，「這些產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行數(shù)位化轉(zhuǎn)型，即將帶來(lái)全新的商業(yè)模式，生產(chǎn)商可以輕鬆地實(shí)現(xiàn)多元化應(yīng)用?！?/span>
四、疫情推動(dòng)供應(yīng)鏈變革
疫情暴露了全球產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的弱點(diǎn)，尤其是歐盟、北美、日本或韓國(guó)等多數(shù)高薪國(guó)家的製造商尚未普及彈性自動(dòng)化生產(chǎn)，製造商可以藉此機(jī)會(huì)從不同觀點(diǎn)重新思考製造方式與流程，透過(guò)機(jī)器人自動(dòng)化提高生產(chǎn)力、靈活度及安全性。
產(chǎn)業(yè)打造智慧製造需要具備四要素：機(jī)器人自動(dòng)化、設(shè)備連結(jié)、數(shù)據(jù)整合、AI技術(shù)。黃識(shí)忠說(shuō)，達(dá)明機(jī)器人不只侷限於機(jī)器人硬體設(shè)備研發(fā)，也不斷思索如何作出產(chǎn)品差異性，「機(jī)器人只是智慧製造的一環(huán)，結(jié)合視覺(jué)和AI可以加速各產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化導(dǎo)入，再以工廠智能管理系統(tǒng)TMmanager連結(jié)機(jī)器人機(jī)臺(tái)設(shè)備及數(shù)據(jù)整合，可以展現(xiàn)更好的助力，未來(lái)達(dá)明機(jī)器人會(huì)逐步朝軟體方向發(fā)展，為智慧製造提供全方位解決方案。」
