仿生觸覺技術實現多樣化的人機共工情境 2018/04/18

▲工研院新創仿生觸覺技術公司，原見精機開幕，工研院胡竹生所長&原見精機蘇瑞堯董事長慶開幕。

作者：黃仲宏Johnny Huang 研究員 Researcher
產業經濟與趨勢研究中心 Industrial Economics and Knowledge Center 
工業技術研究院 Industrial Technology Research Institute

一、工業機器人的發展進程

在雲端、5G、機器人的新興技術趨勢發展下，製造業向智慧製造領域邁進的氛圍不斷在全球各地蔓延，加上以中國大陸為首的世界工廠角色已無法持續，讓各國政府與製造業紛紛省思轉型與升級，如美國製造、德國工業4.0、南韓的製造業創新3.0計畫、日本的工業4.1J啟動、中國製造2025、台灣智慧機械產業發展等。
在產業需求與技術創新的變革發展中，機器人衍然已成為領導產業。生產製造線上的工業機器人的功能不斷提昇，執行上精度更精確，程式編寫更容易，體積愈來愈小，不僅可快速學會人們所賦予的指令，人們也能安全地操作；機器人的智慧透過感測器的高度整合、數位化生產已是無可逆的趨勢，協同作業亦日益普及。
以應用來看，焊接與噴塗機器人為全球市場上應用最多的領域，此乃因汽車產業的需求強勁，包括全球最大汽車生產國的中國大陸、泰國與印尼等東南亞汽車生產基地的擴產、以及巴西、印度等新興國家的需求成長；其次為組裝與搬運機器人，主要來自於中國大陸工資高漲與品質要求提升所衍生的機器人需求。歐美地區食品、藥品、化學品等產業，以及亞洲地區智慧手機、太陽能、電路板、生技、新世代的面板製造、積體電路等產業的自動化生產，均是機器人未來需求成長的主因。2016年全球智慧型機器人產業的規模是540億美元，預期在2020年將達至800億美元以上。
未來智慧機器人產品的發展將呈現四大趨勢，分別為(1)、透過物聯網讓生產資訊數位化，所有數位化的大數據資料能傳達給機器人，機器人在此系統中扮演靈活的生產工具。(2)、機器人應用機器學習技術將會普及。(3)、受惠於控制技術和防止機器人間互相干擾的電路設計軟體進步，生產線上的機器人配置密度愈來愈高。(4)、不論是工業用機械手臂或服務型機器人皆可見視覺應用其中，從2D檢測、定位到3D取放、量測、檢測等相關應用均有。3D視覺整合機器人將為設備商推出產品時的必有配備。
而機器人能夠與人類共工的情境在這些趨勢中將是關鍵的形貌。因此可看到近年來國內外各大小機器人廠商均推出協作式機器人，標榜其可和人進行互動工作，藉此完成彈性製造的需求。

二、協作式機器人逐漸應用至各領域

ISO10218在2011年定義了工業機器人的安全要求，針對傳統的工業機器人安全規範做出定義，包括了ISO10218-1、ISO10218-2。ISO/TS 15066針對ISO10218的安全規範再做詳細補充，主要就是人機協作式機器人的規範，它在1、傷害分級；2、人機協作定義；3、風險管理；4、周邊設備設計原則與負責人定義；都有詳細說明。
約至2014年開始，安全協作式機器人聚焦了機器人界的目光，也就是機器人在移動時，可預知在運動過程中隨之而來的應有力量，只要一有突發的力量出現，如外力觸碰到機器人，機器人就會馬上停止動作；這個技術讓工業機器人從柵欄中被解放。
雖然傳統工業機器人現身於工廠生產線許久，但因為其快速、不具備與人體安全互動而防護的特性，總是需要圍欄隔開機器人與人，才能確保工作上的安全。現今全球的工業機器人廠商，應該清楚且明白，即使缺工情形嚴重而且招募新手困難，也絕不可能一夜之間遣散所有工廠裡的工人，全部用機械手臂取而代之。所以讓機器人與人合作，讓機器人去幫助現有的工人，讓機器人置身於勞工中，與人們一同合作，人機協同式的情境應該要被應運而生。加上生產效率可達成業主的期待，這是人機協同式機器人受到重視的原因。
目前的工廠中，平均只有約10%的工作是由機器人完成。這帶給我們的啟發是，1、工業用機器人發展了這麼多年，還是僅能完成10%的工作；2、90%的工作仍將是未來的機會市場。人機協作型機器人必須同時具備安全性及教導容易兩大特性，是機器人的新藍海，全球四大家族-ABB、KUKA、Fanuc、Yaskawa無不投入大量資源試圖搶得商機。
他們所強調的理想是，協作型機器人應該要像智慧型手機一樣好用。不需要專家才可操控機器人，而是人人均可輕易上手。在工廠中，若要使用或調整傳統工業用機器人，通常必須要交由這方面的專業工程師，或是花費大量的時間和資源去培養專門技術人才。而理想中協作型機器人，就是讓你根本用不著懂機器人程式語言，只要經過簡單操作訓練，即可成為使用機器人的「專家」，並享受操作過程；這個情境就好像你我不須要會寫電腦程式才能使用智慧型手機或著是電腦。

三、仿生觸覺技術實現人機共工情境

人機共工下的協作式機器人，將會因應各式各樣的生產環境，首要就是需有碰觸立即停止的安全功能，因此要有能支援多種標準通訊介面的前端嵌入式訊號處理系統，以縮短訊號回授反應時間；反應時間可達ms等級，將亦能銜接工業等級的應用。
大多數的工業機器人廠商都努力朝更高規格的產品邁進，現都正戮力開發重複精度在2條以下、絕對精度在1mm的機械手臂，以適用於更精密的製程；除了工研院，包括工業機器人四大家族，亦都積極強調機械手臂的軌跡精度在未來將會非常重要，例如應用在手機的精準研磨拋光技術，若做得好，有機會取代力覺感測器(force sensor)。目前國內外對於觸覺感測技術主要是透過MEMS(Micro Electro Mechanical System, 微機電系統)製程製作，以電容或電阻變化來偵測剪力大小。
工研院機械所近年已完成利用差動電容變化偵測剪力大小的觸覺剪力感測技術，並運用印刷電路的方式製作感測元件與相關差動電容感測電路，力量偵測範圍可在 3 N以下，解析度 < 0.5 N。
此技術配合機械手臂終端效應器的設計，再精進感測元件微結構製程與電容感測電路的開發，已建立了特用於壓/撫感訊號的特徵描述方程、形狀/姿態/力量分佈分析方法與其對應之特徵關聯資料庫；在技術開發團隊的不斷努力了，至今已研發出可讓目前國內外各個品牌機器人套用的仿生觸覺技術。
於此，2018年工研院前瞻技術團隊衍生的原見精機公司，已經和國內外多家機器人廠商針對「仿生觸覺技術」進行合作；機器人如果具皮膚感覺，就能感測到感測器無法檢測出的危險狀況，更能避免碰觸所產生的危險，增加安全性。很多人機協同的應用建置已經開始，在符合ISO10218、ISO/TS15066的標準下，工研院的技術可望協助客戶在希望的時間點內，達成以最低成本導入協作機器人並獲至最高效益的目的。

四、工研院機械所扮演關鍵角色

台灣的機器人產業想要進一步升級，必須從機器人驅動、感測、深度學習等關鍵技術及產品差異化去開發著手，亦即在現有歐日產品的市佔下，台灣工業機器人的產品和自動化技術若要爭得一席之地，關鍵就是如何有差異化的競爭。缺乏市場縱深、產業規模的台灣不一定要跟隨德美日大國去發展各式推陳出新的機器人來做正面競爭；我們可以從新世代的智慧化技術，具有高靈敏度的感知能力著手，環境感測模組的開發與整合應用為重要的發展機會。
工研院在台灣機器人產業發展的進程中，始終扮演著關鍵的推手角色，特別是在胡竹生所長領導下的機械所；機械所近年在智慧機器人技術和關鍵零組件的發展已具有相當的成果，不斷地協助產業建置關鍵的競爭力，核心就是提供具備高知識含量、高附加價值的技術服務。包括強化人機協同技術發展的能力、智慧機器人關鍵模組技術的能力(先進的視覺伺服、智慧手指、全智能型AGV、友善人機介面)；亦即打造「機器人整合製造系統的能力、客製化機器人產品的能力」。
在有工研院做為堅強後盾的基礎下，台灣在工業機器人的產品有很大的機會做到「劃時代的革新」，亦即從特定的方向推出高附加技術價值的產品，在全球的競爭態勢中，以品質、價格、穩定性做出最有競爭力的定位。 

五、IEKView

現今我們所倡議的智慧製造、機器人與人工智慧等重要研發，必然也都是全球先進國家、開發中國家、甚或是新興國家政府及產業界所關注的議題。我們積極投入的同時，勢必面臨從研發到商業化，來自全世界的全面性競合局面。除非能仰賴過去所累積、可以與各個新興趨勢搭配整合的人才與能耐，否則並不容易在全面競合的發展中勝出佔據領先地位。
不過在工研院做為堅強後盾的基礎下，採取「劃時代的革新」，從特定的方向推出產品或技術，以品質、價格、穩定性皆具競爭力在態勢在全球市場中做定位；若能創出自己獨特性、劃時代性的革新，台灣的機器人產業前景可期。