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【科普】越來越像人?新世代機器人都用了哪些感測技術

新世代智慧機器人能夠擁有和人類一樣思考、感知,以及在複雜情況下做出判斷的能力。Veo Robotics

作為當代自動化的關鍵技術,人們對於早期機器人代替簡單勞動力的需求已經得到充分滿足,但隨著當前勞動缺口一去不復返,機器人的使用場景擴大,人們對於機器人的技術要求也進一步提高,寄望機器人能夠擁有和人類一樣思考、感知,以及在複雜情況下做出判斷的能力。而感測器便是實現機器「類人」的核心技術之一。

不過在此之前先說明,由於現今「機器人」一詞已逐漸成為一種泛稱,雖然市場多以其稱呼多關節機器人,但像是應用於快速取放的史卡拉(SCARA)以及高速作業的並聯式(DELTA)等也都是機器人的一種,當然還包括天上飛的無人機,以及近來產業相當熱門的自主移動機器人(AMR)。不過在這裡,我們先聚焦在多關節機器人,至於目前市場火熱的AMR,日後則再進一步討論。

場景一、面對複雜環境與任務 機器人需要「更聰明」

傳統機器人須透過專業工程師撰寫程式,告訴它「應該做什麼」和「應該怎麼動」,由於比較死腦筋,所以早期機器人大部分都從事著單調、重複性高的工作。

但未來缺工已是既定事實,需要使用到機器人的場景只會越來越多,這使得機器人做得事要比以往更複雜、任務難度更高,且不說找不找得到更多的工程師來寫程式,即便找到了,也不可能在未來要求少量多樣,但又要同時提高生產效率的條件下,要工程師逐一改寫程式,這是相當耗費資源的一件事,因此對於機器人來說,能夠具備自我學習、調適與應變的能力,就顯得非常重要了。

・視覺

視覺是目前智慧機器人最常被廣泛使用的感知能力。用途除了常見的物件辨識外,路徑規劃與定位也是近年機器人視覺技術發展的重點。

視覺進一步又可分為2D與3D,特別是3D視覺在一些需要連續運動軌跡的場景中更能凸顯出效益,因此近年像是在金屬加工產業中的研磨、拋光,或鞋業的塗膠中都能發現這類應用。

舉例來說,鞋有各種款式,形狀不一、水龍頭曲面多,外型複雜,這類所需的路徑編程可能多達上百種,如果採用傳統編程方式是非常不理想的。而透過3D視覺,則可在擷取物件的3D影像後透過演算法快速推算輪廓,並自動產生路徑讓機器人進行加工或其他應用。

而視覺技術也被大量應用在引導機器人到達更精準的定位。傳統機器人編程可能是透過移動多個手臂點位的教導,讓手臂循相同點位重複執行動作,但因為點位均是固定的,所以需要利用大量治具來固定物件,應用彈性也較差,且一旦外力影響改變手臂與物件的相對關係,則所有的點位都要重新教導。
但若機器人能夠結合視覺,則可透過辨識物件的相對位置,並將座標發送給機器人,或是補償修正手臂移動的位置,接下來機器人就可以清楚且精準的定位在目標物件上,同時也可以有效減少治具的使用。

・力覺與觸覺

除視覺外,力覺與觸覺感測器則賦予機器人具有自我調節力量的能力。

像是在執行如研磨拋光、插件、組裝這種需要對接觸面的力量進行非常精密控制的場景下,力覺感測可以根據受力回饋,調整適當的角度及力道。另一方面,觸覺則是包含了視覺沒有的資訊,例如可以透過與物件接觸推估出物件的軟硬度、材質、表面光滑程度等資訊,進而控制機器人透過最適當、不破壞物體的方式夾取。此種應用最常見於水果的摘取。

場景二、非工程師也能上手 機器人需要「更簡易」

前面提到,未來機器人使用場景會越來越多,這些場景不僅在製造業,像是物流、零售、服務業等在後疫情時代對機器人也有強烈需求,因而協作型機器人的發展更是在近年迅速成長。但這些產業過去鮮少使用機器人,更別說自己養專業工程師,也因此,如何讓這些非製造業的使用者也能快速上手,簡化機器人的操作介面也成為近年技術發展的重點之一。

不只是協作型機器人,現今包括許多工業機器人都具備了順應教導的功能,可以讓使用者直覺地以關節帶動機器人的方式移動到所需的姿態來完成教導動作,但若遇大功率或高減速比的機器人,不僅操作者本身很難牽動,精度也會因操作者的經驗受到限制。因此有不少機器人製造商就開始透過力覺、甚至是觸覺感測讓機器人從末端就能感受手指的微小力量,透過手指的推移感應移動方向,以藉此驅動機器手臂完成更細微的移動。

場景三、人機協作是趨勢 機器人需要「更安全」

並非每個產業都適合發展成無人工廠,因此相較無人工廠一說,近年產業對於人機協作的討論反倒更為熱絡,其中一部分原因也在於機器人逐漸走出工廠,開始往零售、醫療、服務、觀光等產業發展,這些產業都很難脫離跟人的接觸。

傳統協作型機器人為了避免發生碰撞意外,經常會使用「接近感測」來防範,這類感測器主要是透過感應「距離」的方式來設定機器人的動作,只要人靠近到不同程度的距離,機器手臂就會從減速一路到停止。不過若人類站在死角,還是有可能出現危險,因此仍有必要考慮其他感應方案以更精進機器人的安全機制。

目前最新的技術方向,是讓機器手臂更加接近人的反應,也就是讓它擁有「觸覺」。不同於傳統以「靠近」作為觸發機制,這種設計思維則是建立在「觸碰」上,透過為機器人裝上一層具有觸覺感知能力的「皮膚」,就像人類不小心觸碰到他人會立刻收回一樣,機器人也是如此。協作型機器人的一大特點就是能夠與人類在同一個空間或工作區中共工,彼此的距離可能很近,因此,如果時不時因為無意間靠得太近機器手臂就要停下來,那麼工作效率也會大打折扣。

隨著人機協作比重增加,市場也預估,未來力覺與觸覺感測技術將會是繼視覺之後,自動化及智慧化應用發展的重點,甚至連Meta近年積極為元宇宙鋪路時,過去竟也默默花了七年時間開發觸覺手套,可見觸覺這項感測技術的發展前景還是非常備受看好的。

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