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市場需求放大 機器手臂技術快速精進

  • 魏淑芳
近年來開始有大廠推出雙臂機器人,透過兩隻機器手臂的同動,大幅提升靈活性與效能。圖片來源/ABB

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。

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機器視覺是與機器手臂整合最深的技術,目前也已實際應用於製造現場。DIGITIMES攝

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。

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