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無人工廠時機未成熟 人機協作正主導製造未來

  • 廖家宜
機器手臂已成為實現智慧製造不可或缺的要角之一。李建樑

儘管無人工廠被視為智慧製造的極致,但真正實現完全無人化的工廠仍不常見,目前市場多數型態較偏向於以降低人工比例、「接近」無人工廠規模的方式運行。

全自動化生產的願景並沒有如想像中順利進行著,甚至因應未來製造趨勢,市場對於無人工廠的需求也有可能大幅降低,取而代之的則是能讓生產線更符合彈性需求的人機共工模式。

無人工廠究竟可不可行?其實打造一座全自動化的無人工廠所需的關鍵技術遠比想像中複雜許多。無人工廠的最終目的是要將人類從生產線上移開,讓機器取代人類以降低人工成本並提高生產效率與生產品質,但實現這些願景的前提是,製造業者必須保證機器能做得比人類更好。

顯然目前機器人的智慧並無法達到與人類相同的水平。首先在功能性方面缺乏完整的感知能力,雖然近年已有眾多廠商將機器手臂整合視覺與力覺感測,讓機器人達到更精準的「眼手協調」,但業者認為觸覺感測的發展應可再進一步提升機器人效能。

另一方面則是在於機器人缺乏人類適應環境的能力,不像人類得以在許多無法預知的變化中保有彈性的應變能力,並且透過觀察與經驗法則推測下一步可能會發生什麼事。目前在生產線上的機器人多數都靈活,但也尚未有足夠的人工智慧技術得以支撐。

西門子(Siemens)軟體大中華區技術總監陳松盈的觀察,則認為「彈性」是目前機器人最缺乏的關鍵要素。當製程發生非預期性變化或工廠開始生產新產品時,製造業者必須重新設計產線、配置機台設備,或是重新調教機器人,並尋找不同的解決方案。

雖然無人化生產線可以有效縮減人力成本,提高工作時長。但相反地,越複雜的產線越有可能產生無法預料的錯誤情況,在機器人尚未有足夠彈性的應變能力之前,對業者來說,反而會因此不斷增加投入成本。

歐姆龍(Omron)智慧系統研發中心總經理Masaru Takeuchi表示,其實導入機器人遠比想像中需要更多人力、時間和金錢,工程成本可能達到硬體成本的3~8倍,甚至有時候達到20倍。此外,機器人也需要維護和保養,相總之下其所耗費的成本高、又缺乏彈性,效益往往會隨產品週期的縮減而降低。

這恰恰與未來主流的製造趨勢有所牴觸。陳松盈認為,若製造業者的需求是混線生產,或是訴求少量多樣、彈性變化的製造型態,基本上業者不會選擇透過無人工廠以100%自動化的方式生產,因為會更麻煩、更費工,製造成本一定會更高。

因此業者評估,全自動化的生產型態可能較適合應用在高度標準化,且產線更動頻率低的製造型態中。過去汽車製造雖是自動化生產的最佳代表,不過其製造型態也正慢慢發生改變。

例如大型汽車製造商如戴姆勒(Daimler)、BMW等都不約而同選擇將可與人類在同個空間中一同作業的協作型機器人納入生產線中,一方面維持人類在製造現場的彈性運作,保有人類先天被賦予的工作價值之外,另一方面則是在增加機器人的比例下,讓機器取代人類處理危險、骯髒、沉重的任務,讓人機共工在「各有所長」的情況下發揮最大效益。

與協作型機器人共築新型態的關燈工廠

協作型機器人則是因改變了人機之間的互動模式,讓人與機器之間各自獨有的價值有效發揮,市場更因此看好當進展到「工業5.0」時代時,將會是協作型機器人的天下。

在關燈工廠裡使用協作型機器人的想法,乍聽之下似乎不太可能,因為一般既定印象中,關燈工廠因為無人,便不需要照明。但協作型機器可以和人類一起工作,兩者看似不可能同時存在。不過,在協作型機器人市場中佔有領導地位的Universal Robot(UR),卻試圖推翻大眾對協作型機器人的認知。

UR認為,協作型機器人的協作價值應並非只侷限於和人類作業,協作型機器人同時因價格合宜、彈性高且易於使用,這些恰好也可運用於新型態的關燈工廠。

以台灣製造業型態來說,大部分都還是中小企業,但其自動化預算有限,雖有升級自動化的需求或必要,但卻苦於考量投資成本而縮手。現今市場走向產品多樣或應用情境多變的製造趨勢,而許多中小企業也面臨因缺工難以達成預期的品質和交期,更別說因季節性大單造成的人力作業加倍。

因此,UR建議中小型製造業者或新創公司可為特定製程導入關燈式的自動化,這些製程包含不適合人類、或對人類來說不夠安全如極高溫或有毒氣體的環境等。

像是有3D列印公司便讓協作型機器人持續在夜間工作,負責重複性高、需要快速精準的3D列印機上下料任務,而在夜間關燈仍持續運作的情況下,讓設備使用率提高3倍。

如此一來,協作型機器人不但可在白天與人類一同作業,又可在員工回家後的夜間仍持續運作不歇,加上其彈性高且易於使用,即便是小型公司也可善用關燈工廠概念,創造更有效率的產出價值。

台廠應加速布局 擺脫進口機器人牽制

機器手臂現已成為實現智慧製造不可或缺的要角之一,尤其近年缺工問題浮現,一方面又面臨製造趨勢轉向所帶來的生產壓力,全球機器手臂市場持續增溫。不過即便現今機器人產業發展蓬勃,但觀察目前供需之間仍存在很大落差,雖然需求面甚廣,但在供應面還有相當大進步與發揮的空間。

全球工業機器人市場持續穩定成長,從需求面來看,則以電子產業的需求急起直追,也因應未來電子產品週期越來越短,加上大陸勞工成本持續攀升,預計電子產業對於機器人的需求仍將會有大幅成長。

市場看漲對機器人供應鏈來說無非是一項利多,不過,目前在工業機器人整機成本中,光三大核心零組件就佔了70%以上,且技術大多掌握在德、日系廠手中,包括減速機市場長期以來都為日系廠商掌握、伺服馬達也幾乎被以安川電機(Yasukawa Denki)為代表的日廠、西門子為代表的德廠所壟斷,而控制器則是大部分廠商皆可自行製造,亦是目前台廠投入最多的市場。

除核心零組件外,在機器手臂本體部分,台灣雖也有本土廠商開發,但外商如ABB、發那科(Fanuc)、安川電機及Kuka等,也憑藉規模與技術優勢也佔據了8成以上的市場。但若長期在核心零組件技術發展上處於相對落後,那麼多少也會對機器人產業的發展形成制肘。

台灣也不例外,如果核心零組件技術無法取得突破,成本就降不下來,產品也就沒有競爭力。失去產品競爭優勢是供應鏈必須克服的問題,但影響層面最廣的恐怕還是機器人無法在國內市場達到普及,進而阻礙智慧製造、工業4.0的發展腳步。

因此業界認為,台灣若要發展工業機器人並藉由機器人加速智慧製造落地,就必須建立完整的供應鏈,設法讓工業機器人國產化才能擺脫關鍵技術受制於他人手中。

目前工業機器人的應用主要還是用以取代人力為主,特別是用於電子產品組裝,台達機電事業群機器人事業處處長彭志誠觀察,此類型的產業大多都已從台灣外移,而這些通常也都是具有海外擴廠能力的大型企業。

至於現階段根留台灣的製造業,多屬特定產業別或是規模不大的中小企業,對於台灣市場而言,這些反而才是工業機器人導入的主要目標對象。

對於根留台灣的中小企業來說,能否在有限成本下達到最高生產效率才是關注的重點,因此導入機器手臂是否符合投資效益就成為接下來製造業者與供應鏈業者雙方必須探討的課題,而產業正是希冀藉由掌握自主開發的能力,大幅降低機器人導入的成本。