市場需求放大 機器手臂技術快速精進
- 魏淑芳
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在人力成本快速攀升與智慧製造概念的抬頭下，工業機器手臂逐漸成為製造系統的重要設備，尤其是近年來汽車與電子產品等兩大主要應用市場的快速成長，更讓機器手臂的發展呈現一片榮景。
自動化技術在製造系統早期的主要導入動機，是為了解決人力無力與不願從事的工作，也就是日語所謂的骯髒(kitanai)、辛苦(kitsui)、危險(kiken)等3K產業，機器手臂也是如此，不過隨著週邊技術提升與智慧化概念的導入，機器手臂在產線中不再只被要求進行上述簡單任務，在與壓力感測器、機器視覺與AI的整合後，機器手臂加入了人體中的觸覺、眼睛與大腦等判斷能力，將可從事更複雜、更具彈性的製程動作。
從架構面來看，目前應用較多的是Delta、SCARA、垂直式關節型等3種類型工業機器手臂，這3種類型，這3種機器手臂的構造、特點都不同，在製造現場也各有應用。
Delta屬於並聯式機器手臂，其架構是在基座上設置3組馬達，並以萬向接頭將之連接到移動台上，在機構中，移動手臂的動作與移動台保持水平，由於採用平行多軸的運動模式，Delta的端點速度非常快，每秒可以進行多次抓取，不過其負重有其限制，多應用在輕量產品的製程，像是製藥業的藥丸分檢或食品業的餅乾分類等。
SCARA全名為Selective Compliance Articulated Robot Arm，中文全名是選擇順應性裝配機械手臂，其架構為水平4軸，特點是在X與Y軸有順應性，Z軸則有剛性，綜合這兩項設計，此類型手臂就具有選擇順應特性。
此外SCARA的兩段式手臂為關節結構，可讓手臂順利進出狹窄空間，適合應用於特殊空間的製程或產品，主要應用產業包括消費性電子產品、電子電機、橡塑膠、包裝、金屬製品業等產業，應用範圍則為移載、組裝、包裝、插件、點膠、檢驗等工作。
垂直式關節型機器手臂是現在製造業的焦點，在各大工業展中都是重頭戲。此類型機器人的自由度最高，其作動軌跡與角度也最大，軸數從3？7軸都有，目前以6軸應用較為普遍，分類方式則以負重區分，20kg以下為小型、20kg？60kg為中型、60kg？300kg為大型、300kg以上為重型。垂直型關節機器手臂也是最易與週邊技術整合的類型，前面提到的機器視覺、壓力感測器、AI等，都可應用於此。
在技術整合方面，機器視覺是目前整合度最高、應用最深，且在製程中已有實際使用的技術。現在未搭配視覺模組的機器手臂，其產線運作方式是與流水線配合，將工件放在固定的治具上，由機器手臂逐一夾取，這仍是現在產線的主要運作方式。
不過此方式一來彈性不足，由於所有的生產流程都已設定好，要換線生產必須大費周章重新設定，其次是需要治具成本，在過去少樣多量的生產時代，製程換線的頻率不高，且因產品樣式少，治具可被大量重複使用，均攤下來成本也不高，此一方式仍可接受，但現在的生產模式已然成為多量多樣甚至是少量多樣，在此情況下，換線和治具的問題就被凸顯出來，要解決此一問題，就必須整合機器手臂與機器視覺兩種技術。
機器手臂與視覺的整合作法，是在手臂上方設置2部工業相機，用以判斷工件的遠近與位置，再將訊號傳送至機器手臂，由手臂調整角度夾取工件，對製程管理者來說，此一方式可省去換線時間與治具成本。
從實務面來看，單獨運作和與機器視覺整合的機器手臂，兩種做法各有優缺點，未整合視覺技術的方式雖然彈性不佳，不過其系統不需運算視覺數據，只需進行已設定的固定動作，因此速度可以非常快，應用視覺技術的機器手臂則剛好相反，雖具有高彈性，但是速度相對較慢，因此這兩種作法的導入考量，就取決於製造商產線的需求。
除了與機器視覺技術的整合外，垂直式關節機器手臂近年來另一股趨勢是「變體」設計，變體設計現在最受業界矚目的是雙臂機器人，過去機器手臂均為單臂運作，近年來開始有大型廠商推出整合兩隻手臂的雙臂機器人，結合2隻6軸或7軸的單臂，再加上機體本身的旋轉軸，號稱為13或15軸機器手臂。
這種雙臂機器人與2隻單臂共同運作的最大差異在於整合性，雙臂機器人在處理單一工件時，必須雙臂同動才能產生效益，而在一般的製造系統中，2隻單臂往往是各自負責當初設定的動作，例如鎖螺絲，雙臂機器人中的分夾螺絲與螺帽的兩隻手臂可以同時轉動，兩隻單臂就往往會是1隻固定，另1隻轉動，如此一來效率就有差。
對製造業者來說，雙臂機器人雖然靈活且具效率，但售價偏高，實際導入仍不多，設備供應商也深知此一狀況，目前此一類型的產品策略，是類似汽車產業的未來車概念，除了用以展示該公司的技術層次，應用於雙臂機器人的先進技術如AI、觸覺感測等，也會轉移到其他已實用的機種上。
相對於雙臂機器是以技術展示為重點，另一種變體機器人則是以實用為目標，由於工業機器手臂的最終目的，是取代流水線上的作業人員，因此機械設備廠商紛紛聚焦此目標，設計出最適宜應用於流水線上的機器手臂。以Epson的折疊型機器手臂為例，此一手臂運作寬度僅有60公分，可以直接卡入流水線中，不必重新設計產線。
雖然機器手臂主要用於製程上的流水線上作業，不過多數業者均表示，並非此設備的導入並非用來取代人力，而是以此進行專業分工，讓機器手臂從事高精準性、重複性的工作，原來的人員則提升負責更具價值的管理性事務，在工業4.0概念剛興起時的「關燈生產」、「無人工廠」等作法，在實務上並不可行，要有效提升製造效率，人機共工仍是最佳方式。
