随着工业自动化迈向虚实整合 (CPS) 的智能化，机器人／机械手臂亦见突破性进展。在这个产业已四十多年的老将库卡 (KUKA)，对此有深刻体认。库卡亚太区销售总监梁信裕在刚落幕的 2019 台北国际自动化工业大展现场表示，今年开展首日就明显感觉到访客较前几年热络，显见市场正在加温。截至目前，自动化仍以电子业居多，传产覆盖面也扩及汽车零部件、食品饮料、刀具、纺织等，其中不乏隐形冠军；尤其是电动车／新能源车的迅速兴起，让机械零部件大举转入电子化与模块化组装，对自动化生产的需求更加高涨。
照片人物：库卡 (KUKA) 亚太区销售总监梁信裕
梁信裕认为，工业 4.0 需要很多数据传输且重视实时性，让机械手臂连网可实时让用户采集、分析数据，故具备大规模机器通信 (mMTC) 与超低延迟 (uRLLC) 特性的 5G，将是物联网 (IoT) 与工业 4.0 的重要推手：面对人口负成长、个性化要求变多、少量多样、不规则及混合生产等压力，可藉此提升灵活性并改善生产方式。另考虑到若要让采集不同设备数据的平台彼此沟通无碍，须建立完善的 Handshaking (交握) 机制；为此，业界特组成开放联盟、制定 OPC UA (OPC 统一架构) 来应对跨机种、跨厂牌设备的＂鸡同鸭讲＂困境。
新时代机械手臂必备：GUI、输送带跟踪、机器学习、人机协作
＂库卡产品已全线支持此一机器对机器 (M2M) 的网络传输协议；值得留意的是，解决了数据采集问题，但哪些数据对用户有用又是另一回事，所以，我们能让用户自行选择需要哪些数据＂，梁信裕强调。自动化设备本身，在学习 (训练) 与执行方面亦要与时俱进——模块化图形化接口 (GUI)、输送带跟踪、机器学习 (ML) 和人机协作是典型代表。他描述，以前训练机器要辛苦逐行编程，现在 I/O 已大幅简化，只须通过 GUI 在屏幕点选功能方块然后连接起来即可，更便于用户操作、系统整合商 (SI) 也更容易搭配产品。
＂库卡产品已全线支持此一机器对机器 (M2M) 的网络传输协议；值得留意的是，解决了数据采集问题，但哪些数据对用户有用又是另一回事，所以，我们能让用户自行选择需要哪些数据＂，梁信裕强调。自动化设备本身，在学习 (训练) 与执行方面亦要与时俱进——模块化图形化接口 (GUI)、输送带跟踪、机器学习 (ML) 和人机协作是典型代表。他描述，以前训练机器要辛苦逐行编程，现在 I/O 已大幅简化，只须通过 GUI 在屏幕点选功能方块然后连接起来即可，更便于用户操作、系统整合商 (SI) 也更容易搭配产品。
例如，只要拉着手臂移动就能记录路径，库卡并有子公司负责开发仿真软件，可节省编程时间。不过梁信裕补充，自动化本质是为实现生产制程，关键主要掌握在用户手上，故仍会维持一定的编程工序，但会尽可能最小化工作量，库卡亦有相关编程及应用培训。除了与自有工程团队的大公司直接往来，为协助中小企业顺利上手，他们还与华擎等 SI 共推解决方案；若有资金需求，坊间也有私募基金能提供添置自动化设备的贷款。其次，＂保持流水线速度并保证产出量很重要，为免机器走走停停影响产出，输送带须有精准跟踪能力＂，梁信裕说。
图1：KUKA 机器视觉可应付不规则来料，不必事先挑拣、堆栈整齐才能动作，保持流水线运作顺畅
资料来源：展场摄影
不规则来料、混线生产、AGV 规模、异质接合，成制造难题
机器视觉可应付不规则来料，不必事先挑拣、堆栈整齐才能动作；其自动辨识功能，不须逐一针对料件的加工方式／组成元素进行教学或编程；不同尺寸的料件，会依大小自动进行分类及排序。虽然目前只能做 2D 平面识别，但只要能对接，也可与其他软件搭配。另有鉴于物流也是重要一环，库卡的无人搬运车 (AGV) 可经由雷射做矩阵式扫瞄辨识路径。
机器视觉可应付不规则来料，不必事先挑拣、堆栈整齐才能动作；其自动辨识功能，不须逐一针对料件的加工方式／组成元素进行教学或编程；不同尺寸的料件，会依大小自动进行分类及排序。虽然目前只能做 2D 平面识别，但只要能对接，也可与其他软件搭配。另有鉴于物流也是重要一环，库卡的无人搬运车 (AGV) 可经由雷射做矩阵式扫瞄辨识路径。
雷射扫瞄的优势在于：不须先行在地上黏贴轨道才能使之沿线行走；若需增加搬运量，只要多加几台车即可，随时调整车队规模 (scalable)，特别适合少量多样的生产线。最难能可贵的是，它可自动感应外界光源变化，不易受环境干扰。此外，梁信裕提到，在电动车轻量化以延长电池续航力的趋势下，制造商对材料的要求越来越高，且复合使用多变，例如，碳钢变成镁合金或铝合金，有时还要结合塑料或碳纤维；加上这些原材料的形状多半不规则，导致点焊、接合技术跟着繁复。这种情况下，机械手臂对于异质材料处理与焊接可帮大忙。
图2：KUKA 机械手臂可处理异质材料焊接
资料来源：展场摄影
人机协作首重安全，标准有等级之分
梁信裕指出，六轴是现今机械手臂的主流机种，加导轨就变七轴，治具／夹具可再加三轴、五轴，总数超过十轴见怪不怪。轴数已是成熟应用，可如同乐高积木随需组合，还可将两台以上的机械手臂串在一起工作，完全依照用户希望的效果、决定解决方案的产品组合。至于对人机协作的看法，梁信裕分析这是因为有些精细工作需要人、机配合作业，且有助于延长高龄人士工作年限使然；而人机协作最大好处是省空间，不必围栏或划分特定区域保持安全距离，惟各家供货商作法大不相同。库卡第一主张是要做到位，ISO 验证是基本条件。
梁信裕指出，六轴是现今机械手臂的主流机种，加导轨就变七轴，治具／夹具可再加三轴、五轴，总数超过十轴见怪不怪。轴数已是成熟应用，可如同乐高积木随需组合，还可将两台以上的机械手臂串在一起工作，完全依照用户希望的效果、决定解决方案的产品组合。至于对人机协作的看法，梁信裕分析这是因为有些精细工作需要人、机配合作业，且有助于延长高龄人士工作年限使然；而人机协作最大好处是省空间，不必围栏或划分特定区域保持安全距离，惟各家供货商作法大不相同。库卡第一主张是要做到位，ISO 验证是基本条件。
其防撞逻辑是：以电击传送侦测回馈力道，若感测到阻力超过阈值就会通知控制器停下，待警讯消失后回复工作状态，弥补只依靠电击电流回馈的不足。谈到对于在机械手臂外加一层＂皮肤＂作为防撞触发媒介的作法，梁信裕提醒：依验证观点，会被视为另一项新产品，需要另外做程序及安全性认证。据悉，单纯的机械手臂仅被认定为控制单元，并无法达成完整自动化操作，主要以 ISO10218-1 为依归；然一旦结合外围系统，就须符合＂评估整体作业体系＂之 ISO 10218-2。若是涉及应用环境，就必须进一步参照 ISO / TS 15066 所列示的撞击测试。
原见精机＂安全皮肤＂抢市，Epson 以＂省、小、精＂为核心理念
顺带一提，工研院衍生企业＂原见精机＂即秉持 CAT 3 双回路设计 (失效率仅百万分之一)、PL d (生命周期＞10 年) 及 ISO / TS 15066 人机协作安全规范，推出＂触感式＂(tactile) 安全侦测的机械手臂外壳，主打高灵敏度，反应时间＜5 毫秒、密度＜8mm、力道＜10 牛顿，已与 ABB、三菱电机 (Mitsubishi Electric)、发那科 (FANUC)、爱普生 (Epson) 等机械手臂成功整合。Epson 在今年同场展会上也正式亮相 VT6L 六轴机械手臂与 LS10 四轴机械手臂新品，小巧省空间、操作维护方便、无电池马达、可 360 度旋转、无死角推迭或分类为展出重点。
顺带一提，工研院衍生企业＂原见精机＂即秉持 CAT 3 双回路设计 (失效率仅百万分之一)、PL d (生命周期＞10 年) 及 ISO / TS 15066 人机协作安全规范，推出＂触感式＂(tactile) 安全侦测的机械手臂外壳，主打高灵敏度，反应时间＜5 毫秒、密度＜8mm、力道＜10 牛顿，已与 ABB、三菱电机 (Mitsubishi Electric)、发那科 (FANUC)、爱普生 (Epson) 等机械手臂成功整合。Epson 在今年同场展会上也正式亮相 VT6L 六轴机械手臂与 LS10 四轴机械手臂新品，小巧省空间、操作维护方便、无电池马达、可 360 度旋转、无死角推迭或分类为展出重点。
图3：Epson VT6L 六轴机械手臂内建控制器，设定简易且 I/O 联机端口位置非常靠近夹治具，操作便利 (含24V电源供应器)
资料来源：展场摄影；Epson 官网
以＂省、小、精＂为核心理念的 Epson，在中小型四轴机械手臂 (SCARA) 自 2011 年起，在全球市场已连续八年夺得市占第一的宝座。新款 LS10 四轴机械手臂最高可承载 10 公斤，可实现无电池马达单元；内建以太网络端口，让机械手臂可直接连接摄影机，简化机器人和控制器之间的电缆安装和拆卸；而 VT6L 六轴机械手臂无需复杂设定即可简单手动操作，内建控制器可减少空间与布线需求，中空结构设计更能防止电缆缠绕在手上的窘境，同样可安装无电池马达单元。
机器视觉各显神通，变形应用多
如前所述，机器视觉几是今年聚光灯所在。系统厂所罗门 (SOLOMON) 除了自家摊位，在优傲 (Universal Robots, UR) 和日本电综 (DENSO) 等机械手臂大厂展区亦见其在取放、瑕疵检测等 3D AI 视觉应用展示。面向混线生产常遇到的混料、形态不一和堆栈顺序杂乱无章等辨识痛点，所罗门＂AccuPick 智能 3D 取放系统＂整合光学、AI 辨识、运动计算等技术，让机械手臂能仅凭影像学习、无需 CAD 图档就能辨识微小、形状／大小不一的对象，即使是透明材质也能克服光感难题。UR 展场，就能看到系统迅速无误地将透明球体依尺寸分类、取放到正确位置。
如前所述，机器视觉几是今年聚光灯所在。系统厂所罗门 (SOLOMON) 除了自家摊位，在优傲 (Universal Robots, UR) 和日本电综 (DENSO) 等机械手臂大厂展区亦见其在取放、瑕疵检测等 3D AI 视觉应用展示。面向混线生产常遇到的混料、形态不一和堆栈顺序杂乱无章等辨识痛点，所罗门＂AccuPick 智能 3D 取放系统＂整合光学、AI 辨识、运动计算等技术，让机械手臂能仅凭影像学习、无需 CAD 图档就能辨识微小、形状／大小不一的对象，即使是透明材质也能克服光感难题。UR 展场，就能看到系统迅速无误地将透明球体依尺寸分类、取放到正确位置。
图4：UR 与所罗门共同展出透明混料取放之机器视觉应用
资料来源：展场摄影
图5：UR 连手所罗门展出的另一个亮点是以吸取取代夹具 (如紫色圈所示)，可因应不同形状、材积、重量的对象，且取放速度更快
资料来源：展场摄影
进到 DENSO 展区，所罗门协展的是 3D 视觉辨识＆取件——VS- 060，运用多台 COBOTTA 协作机器人进行三色笔组装、能同步监控人员并以安全速度作动或停止的＂SAFETY MOTION＂高速机械手臂 (HSR)，以及由和椿科技 (Aurotek) 协展、以 QR Code 扫码自动锁上／拆解螺丝机亦相当吸睛。另有一个＂番外篇＂展出是结合 RFID 做脸部辨识；展场人员表示，对于已取消身份证的日本来说，这套系统已普遍用于金融体系做身份辨识之用。最后结束展场巡礼时，最令笔者印象深刻的还有西门子 (Siemens)，可谓是集新兴科技大成、走在最前沿的代表。
图6：DENSO＂COBOTTA＂协作机器人可搭配平板以简单手势训练动作
资料来源：展场摄影
图7：DENSO＂SAFETY MOTION＂高速机械手臂可设定安全距离：绿色区域属正常工作范围，进入黄区机械手臂会放慢动作，红区将暂停作业
资料来源：展场摄影
图8：DENSO＂QR Code 扫描自动锁螺丝机＂，让操作员能在瞬间精准完成上锁或拆解工作
资料来源：展场摄影
结合新兴技术，＂未来工业＂想象空间大
西门子坚信，成熟的物联网发展是企业实现数字转型的关键因素之一，特意成立＂数字工业＂部门，旨在提供无缝整合软、硬件与技术性服务的全方位产品，以自有开放式物联网云台＂MindSphere＂为基础，统整从开发、生产到供应等环节的资料，并将解决方案统称为＂数字企业＂(Digital Enterprise)，最终目标是将整个实体价值链数字化 (但应用端仍须靠用户自建)。今年自动化设备展场上，远远便可望见他们的＂未来工业主题区＂，藉以宣示持续深耕数位双胞胎 (Digital Twins)、AI 模块、机器学习算法与区块链 (Blockchain) 等数字科技的决心。
西门子坚信，成熟的物联网发展是企业实现数字转型的关键因素之一，特意成立＂数字工业＂部门，旨在提供无缝整合软、硬件与技术性服务的全方位产品，以自有开放式物联网云台＂MindSphere＂为基础，统整从开发、生产到供应等环节的资料，并将解决方案统称为＂数字企业＂(Digital Enterprise)，最终目标是将整个实体价值链数字化 (但应用端仍须靠用户自建)。今年自动化设备展场上，远远便可望见他们的＂未来工业主题区＂，藉以宣示持续深耕数位双胞胎 (Digital Twins)、AI 模块、机器学习算法与区块链 (Blockchain) 等数字科技的决心。
西门子数字工业部门台中分公司副协理王圣林介绍，区块链已广泛用于食品履历，日后在工业应用潜力极大。假设制造业者有两个供货商，且加工过程需要能源，这三方加上制造商本身，就能建立一个智能合约的区块链生态系。当制造商提出下单需求，供货商可在最短时间决定是否承接；另一方面，最后得标者未必是以最低加工价格取胜，可能由加工较快的厂商得标。总结区块链有三大优点：一是数据、金钱流动更快速；二是完整履历可提高制程透明度，方便追溯；三是借助云台管理，每个节点都是边缘 (edge)，当中数据不会因某个站点出错而消失。
照片人物：西门子数位工业部门台中分公司副协理王圣林
