感測(cè)器的使用與配置是智慧製造基礎(chǔ)建設(shè)中的一環(huán)，它是賦予機(jī)具設(shè)備感知能力的關(guān)鍵設(shè)置。未來所有的工業(yè)機(jī)具都將離不開感測(cè)器的使用，而處處也都會(huì)有智慧感知應(yīng)用的身影。

@工業(yè)領(lǐng)域裡，感測(cè)器使用數(shù)量最多的，就屬智慧機(jī)械應(yīng)用了，它不僅是先進(jìn)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，更是智慧化的根本所在。而隨著工業(yè)4.0概念的逐步深化，更多的智慧裝置與應(yīng)用也接連興起，於是感測(cè)器的應(yīng)用數(shù)量又更加節(jié)節(jié)高升。

本文即從三大主要的應(yīng)用領(lǐng)域切入，剖析這些新興的工業(yè)智慧應(yīng)用在感測(cè)器上的運(yùn)用強(qiáng)況。

讓你可以更靠近－協(xié)作機(jī)器人

協(xié)作機(jī)器人（collaborative robot），簡(jiǎn)稱「Cobot」，是設(shè)計(jì)用來與人類在共同工作空間、生產(chǎn)線上直接性物理互動(dòng)，並進(jìn)行良好協(xié)作的新型態(tài)機(jī)器人。它的外型通常是一個(gè)機(jī)器手臂，更先進(jìn)的則會(huì)有兩個(gè)手臂，且具備人型的外觀。

要成為協(xié)作機(jī)器人，當(dāng)然有一定的規(guī)範(fàn)。除了體積與運(yùn)轉(zhuǎn)速度和力量外，當(dāng)然也要具備豐富的感知功能，才得以在工作空間裡與人類協(xié)作。也因此協(xié)作機(jī)器人具有一系列距離感測(cè)器，能夠在瞬間對(duì)周圍工人存在做出反應(yīng)，有效大量製造，同時(shí)賦予智能化的應(yīng)對(duì)。

除了距離感測(cè)器之外，少數(shù)的協(xié)作機(jī)器人還會(huì)進(jìn)一步搭載碰撞感測(cè)器，用來啟動(dòng)發(fā)生意外碰撞時(shí)的停止功能。這種用來防止碰撞的感測(cè)模組，有時(shí)會(huì)被稱為電子皮膚，它通常是採用外裝選配的方式安裝，但目前也有業(yè)者在出廠時(shí)就已完成配裝，像是川崎重工就與臺(tái)灣的原見精機(jī)合作，推出具備防撞模組的機(jī)器手臂。

而先進(jìn)的防撞模組不僅僅作為防碰撞使用，它還具備力量感測(cè)的性能，能夠判斷輸入的力量大小，讓產(chǎn)線上的工作人員來對(duì)機(jī)器手臂進(jìn)行導(dǎo)引與轉(zhuǎn)向的功能。

協(xié)作機(jī)器人目前仍處早期發(fā)展的階段，但伴隨時(shí)代演進(jìn)，現(xiàn)在已有越來越多的廠商進(jìn)入此一市場(chǎng)，並讓它們的功能得到了快速的提升。早期協(xié)作機(jī)器人尺寸體積偏小，適合執(zhí)行簡(jiǎn)單的物件取放、搬運(yùn)、切割、焊接等高精準(zhǔn)度，和電子組裝、塗膠等動(dòng)作，這些小快又靈活的協(xié)作機(jī)器人對(duì)於工業(yè)4.0發(fā)展至關(guān)重要。

圖1 : 搭載碰撞感測(cè)器模組的協(xié)作機(jī)器人，不僅僅作為防碰撞使用，它還具備力量感測(cè)的性能。

近期這些機(jī)器手臂的力量和尺寸已進(jìn)一步提升，是早期機(jī)器人的五倍，尺寸增大後更加擴(kuò)展夾具和工具使用範(fàn)圍，以及更直觀的程式，拓展出更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括重型機(jī)械加工、物料搬運(yùn)、包裝、處理螺絲和螺母等。

汽車產(chǎn)業(yè)是最早應(yīng)用領(lǐng)域，例如BMW使用協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行碰撞罐元件鉚接製程，對(duì)縮短週期時(shí)間產(chǎn)生巨大影響，完成時(shí)間從64秒縮短到52秒。根據(jù)Kenneth Research預(yù)測(cè)至今年，汽車領(lǐng)域協(xié)作機(jī)器人帶來的出貨和銷售收入將以每年約43%速度成長(zhǎng)。

在金屬產(chǎn)業(yè)，協(xié)作機(jī)器人能夠執(zhí)行重複一致性地拋光平坦和不平坦表面，對(duì)於力道的控制趨於程式化，並且針對(duì)推陳出新的產(chǎn)品快速更改設(shè)置、重新進(jìn)行部署；而添加劑製造新創(chuàng)企業(yè)使用機(jī)器人提供3D列印零件個(gè)性化設(shè)置，這也是協(xié)作機(jī)器人在重視彈性的中小企業(yè)間，日益受到歡迎的原因。

在農(nóng)業(yè)方面，溫室種植者可靈活運(yùn)用協(xié)作型機(jī)器人摘採嬌嫩植物、將細(xì)小種子栽入盆栽等執(zhí)行作業(yè)；製藥業(yè)方面，運(yùn)用協(xié)作型機(jī)器人使研究、測(cè)試、標(biāo)記與包裝等工作區(qū)域保持無菌狀態(tài)。

延長(zhǎng)機(jī)具使用壽命－預(yù)防性維護(hù)

導(dǎo)入預(yù)防性維護(hù)（Preventive maintenance）的主要目的，是使設(shè)備避免因?yàn)槿藛T疏忽、疲勞、或元件設(shè)備損毀而失效，尤其是在初期轉(zhuǎn)變成重大異常之前，就可以進(jìn)行自主性的介入，以減少發(fā)生重大故障或造成產(chǎn)線停機(jī)的可能性。

預(yù)防性維護(hù)的最大優(yōu)勢(shì)為預(yù)先規(guī)劃，降低意外的被動(dòng)維護(hù)與其衍生出來的間接成本。它可配合生產(chǎn)休息時(shí)間關(guān)閉設(shè)備，同時(shí)在關(guān)閉之前，可預(yù)先收集好維護(hù)所需零件、用品，配置人力資源，以減少修理時(shí)間。這些措施能降低維修的總成本，同時(shí)提高生產(chǎn)安全性，從長(zhǎng)期影響來看，預(yù)防性維護(hù)對(duì)於廠房與產(chǎn)線來說具備極高的效益。

近年來，多數(shù)的廠房已由人工操作快速地轉(zhuǎn)為機(jī)械化和自動(dòng)化，不僅造成設(shè)備數(shù)量的增加，同時(shí)也急速邁向複雜化與大型化。因此和以前相比，對(duì)於各項(xiàng)製造過程生產(chǎn)計(jì)畫，因不適應(yīng)設(shè)備而產(chǎn)生的問題比例遽增的趨勢(shì)。現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)械發(fā)展的情況下，若人員仍尚未更新技術(shù)，將會(huì)引起使用和維修不當(dāng)故障頻出，乃至修理時(shí)間增加，造成嚴(yán)重後果，進(jìn)而關(guān)係到整個(gè)公司發(fā)展。

而要實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，廠房裡的機(jī)具設(shè)備就必須要裝載能夠監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)的感測(cè)器元件，以對(duì)其包含震動(dòng)幅度、磨損狀態(tài)、角度偏移、溫度、濕度、氣體或液體的分子狀態(tài)、以及反應(yīng)時(shí)間在內(nèi)等的各種參數(shù)，進(jìn)行收集與傳遞，最後再搭配智慧軟體的分析，對(duì)用戶提出警告和建議。

所以一個(gè)完整的預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)，所涉及的感測(cè)器種類就十分廣泛，包含振動(dòng)感測(cè)器、加速度計(jì)、陀螺儀、霍爾感測(cè)器、溫度感測(cè)器、麥克風(fēng)（聲音感測(cè)器）、光學(xué)鏡頭（表面感測(cè)）等。而在智慧製造趨勢(shì)的加持下，廠房裡的各項(xiàng)機(jī)具也持續(xù)擴(kuò)大預(yù)防性維護(hù)的覆蓋範(fàn)圍，因此所使用的感測(cè)器數(shù)量也持續(xù)提升。

以CNC機(jī)臺(tái)為例，其轉(zhuǎn)臂、軸承、馬達(dá)、刀具與滑臺(tái)等，都是屬於需常態(tài)性監(jiān)控的單元，而且一旦有所偏移或磨損的情況發(fā)生，就會(huì)立即影響物件加工的品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p毀機(jī)臺(tái)本身。因此定期進(jìn)行保養(yǎng)與維修是保持生產(chǎn)品質(zhì)與避免設(shè)備損壞的重要項(xiàng)目。

而導(dǎo)入預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)之後，機(jī)具運(yùn)作的各項(xiàng)參數(shù)都能透過感測(cè)器提取出來，並進(jìn)行紀(jì)錄與分析，讓用戶可以即時(shí)調(diào)整與更換關(guān)鍵的元件，例如刀具或者軸承等，因此能夠保持良好的加工品質(zhì)，同時(shí)也減少不必要的停機(jī)時(shí)間。根據(jù)多個(gè)實(shí)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果顯示，透過使用預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)，能夠大幅延長(zhǎng)機(jī)具的使用壽命，同時(shí)也降低整體維護(hù)的成本，明確的提升了企業(yè)營(yíng)運(yùn)的效能。

圖2 : 振動(dòng)量測(cè)幾乎可以說是目前預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配備功能。

行動(dòng)是天經(jīng)地義的事－自主移動(dòng)機(jī)器人

「無人化」是工業(yè)領(lǐng)域一個(gè)明確的發(fā)展趨勢(shì)，尤其經(jīng)歷新冠疫情（COVID-19）之後，大量的減少廠房裡的人員配置已是業(yè)者的共識(shí)。除了在產(chǎn)線上導(dǎo)入機(jī)器人用以取代人力之外，物料的輸送與工件流動(dòng)，也都將會(huì)陸續(xù)使用無人的解決方案，因此無人搬運(yùn)車（AGV）和自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）在廠房裏的能見度也漸漸提高。

AGV和AMR儘管在功能與應(yīng)用上不盡相同，但它們都是屬於能夠在廠房裡自動(dòng)行進(jìn)的機(jī)具設(shè)備，因此都具備有能夠偵測(cè)環(huán)境狀態(tài)和行進(jìn)標(biāo)示的感測(cè)器。

以AGV來說，防碰撞與識(shí)別標(biāo)記就是其主要的功能之一，因此搭配可以偵測(cè)距離的接近感測(cè)器和距離感測(cè)器就是基本的規(guī)格，再者，許多的廠房?jī)?nèi)的AGV都有固定的行進(jìn)路線，所以通常會(huì)在路線貼上磁性的標(biāo)線工AGV感應(yīng)，因此磁性感測(cè)器也成為AGV的必備功能。

而隨著技術(shù)的提升和自動(dòng)應(yīng)用的深化，AGV也開始導(dǎo)入更高階的感測(cè)器元件，來實(shí)現(xiàn)更加智慧化的功能，包含使用像是雷射光達(dá)技術(shù)和影像辨識(shí)鏡頭等，來建立環(huán)場(chǎng)的影像資料，讓用戶無須再貼設(shè)磁性標(biāo)線，AVG就能夠自動(dòng)化行進(jìn)，而影像鏡頭也可以讓AVG具備「視覺」的功能，更智慧化的避開障礙物。

圖3 : AMR搭載的鏡頭與影像感測(cè)器的數(shù)量較多，同時(shí)也會(huì)具備接近感測(cè)器或光達(dá)感等，用以防撞和避障。。

不同於AGV以輸送為主要的功能，AMR則是一個(gè)功能更多樣化，同時(shí)應(yīng)用場(chǎng)域也更寬廣的自主移動(dòng)設(shè)備。AMR能配合產(chǎn)線與流程的需要，客製化成不同的形態(tài)與功能，例如結(jié)合機(jī)器手臂，就能成為可以上下料的移動(dòng)型協(xié)作機(jī)器人；或者搭配托盤與存放盒，變成送餐的服務(wù)型機(jī)器人。

也因?yàn)閼?yīng)用多元與廣泛，AMR所使用的感測(cè)器也有所不同，例如搭載的鏡頭與影像感測(cè)器的數(shù)量較多，同時(shí)也會(huì)具備接近感測(cè)器或超音波感測(cè)器等，用以防撞和避障。而用於較大場(chǎng)域面積的機(jī)型，則會(huì)進(jìn)一步結(jié)合雷射光達(dá)的感測(cè)系統(tǒng)，用來建立高解析的地圖與導(dǎo)航。

由於所運(yùn)行的環(huán)境較複雜，同時(shí)處理的工作也更多樣，所以AMR常常需要更高程度的自主控制，因此像是人工智慧的辨識(shí)系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)偵測(cè)的規(guī)避系統(tǒng)，都幾乎成為AMR的標(biāo)準(zhǔn)配置，這也直接提升了對(duì)感測(cè)器性能與數(shù)量的需求。

整體來說，包含AMR與AGV在內(nèi)的移動(dòng)型機(jī)器人市場(chǎng)正在快速的成長(zhǎng)中，並成為感測(cè)器應(yīng)用的重點(diǎn)市場(chǎng)。LogisticsIQ市場(chǎng)研究報(bào)告就指出，預(yù)計(jì)到2027年移動(dòng)型機(jī)器人（AGV 和 AMR）的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到180億美元以上，AGV和AMR的成長(zhǎng)率分別約為 24%和43%。而到2027年時(shí)，AGV和AMR的整體安裝數(shù)量將突破240萬臺(tái)，讓移動(dòng)型機(jī)器人成為未來工業(yè)營(yíng)運(yùn)的新常態(tài)。

結(jié)語

無庸置疑，感測(cè)器的使用與配置就是智慧製造基礎(chǔ)建設(shè)中的一環(huán)，它是賦予機(jī)具設(shè)備感知能力的關(guān)鍵設(shè)置。而隨著智慧應(yīng)用的枝開葉散，未來廠房?jī)?nèi)的所有機(jī)具設(shè)備，也都將導(dǎo)入感測(cè)器的使用，從最基礎(chǔ)的電力狀態(tài)、溫濕與時(shí)間參數(shù)的監(jiān)控，到複雜的影像與環(huán)境的偵測(cè)與識(shí)別，甚至是自主控制的人機(jī)協(xié)作等，都離不開感測(cè)器的使用，而處處也都會(huì)有智慧感知應(yīng)用的身影。