未來機器手臂：輕薄短小、智能高效

數(shù)據(jù)顯示，2025年全球機器人市場規(guī)模將成長2.5倍，達267億美元規(guī)模。今年8月舉辦的「2022臺灣機器人與智慧自動化展（TAIROS）」中，經(jīng)濟部技術(shù)處展出12項最新智慧機器人科技，包含可同時控制3個機器人協(xié)作的全球最多軸機器人控制器，透過單一系統(tǒng)整合多手臂應(yīng)用，可提升50%以上的產(chǎn)能。受疫情影響，自動化、高彈性的制造業(yè)需求快速成長，歐美日等國已啟動新一代工業(yè)革命，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、機器人推動智能制造，未來機器人產(chǎn)業(yè)布局將朝多機化、智慧化與系統(tǒng)化等方向發(fā)展。

機器手臂的創(chuàng)新應(yīng)用
回顧疫情壟罩的三年，制造業(yè)積極導入自動化生產(chǎn)或努力轉(zhuǎn)型走向智能制造，生產(chǎn)線或工作場域中出現(xiàn)愈來愈多機器人、機器手臂應(yīng)用場景，取代人類操作儀器設(shè)備或其他人力作業(yè)。隨著AI快速導入機器手臂，傳統(tǒng)機器手臂開始擁有自主學習能力，生產(chǎn)效率大為提升。

AI機器人不僅可以控制機器手臂的速度、力道與精準度，還能透過感測、數(shù)字孿生等高階技術(shù)與各種數(shù)據(jù)鏈接，降低錯誤率。機器手臂不僅能運用于制造業(yè)生產(chǎn)線及倉儲物流，智慧醫(yī)療、智慧生活等場域中也能看到各種機器手臂協(xié)作案例。

如Skyline Robotics開發(fā)Ozmo系統(tǒng)執(zhí)行自動化清洗外墻任務(wù)。Ozmo集結(jié)AI、機器學習、KUKA的KR AGILUS小型機器人、計算機輔助圖像處理系統(tǒng)等優(yōu)勢，只需1名工作人員控制作業(yè)平臺、電源、水源供給與起重機，由機器手臂負責清洗玻璃外墻即可。過去需要花3-4個月時間，動用3-4名工作人員執(zhí)行的清潔工作不到50%的時間內(nèi)就可以完成，省時，而且安全。



 
圖1 : KUKA的KR AGILUS小型機器人執(zhí)行自動化清洗外墻任務(wù)??。(Source：Skyline Robotics)

智慧醫(yī)療方面，臺大癌醫(yī)中心及新竹臺大分院設(shè)有「機器手臂微創(chuàng)手術(shù)」系統(tǒng)，迄今已完成超過5,000例機器手臂輔助手術(shù)。相較于傳統(tǒng)手術(shù)，外科醫(yī)師可以透過3D立體高分辨率視覺影像、仿人類手腕關(guān)節(jié)的手術(shù)器械搭配精準的操作系統(tǒng)，大幅提高手術(shù)質(zhì)量。機器手臂協(xié)助下，可以減少手術(shù)失血量、降低術(shù)后并發(fā)癥，大幅縮短患者住院時間，而且預(yù)后效果更好。

AI讓機器手臂朝智慧化、輕量化、小型化方向發(fā)展，協(xié)作型機器手臂甚至可以包攬日常庶務(wù)，如采摘水果、泡茶、逗弄寵物，還有協(xié)助折迭衣物的機器人，如伯克利人工智能（BAIR）實驗室調(diào)教原型機器人BRETT，利用兩只機器手臂與紅外線掃瞄技術(shù)折迭毛巾，幾經(jīng)修正后，現(xiàn)在只要90秒就能完成折迭T恤的工作，折衣機器人被命名為SpeedFolding。研究員Yahav Avigal指出，SpeedFolding系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BiManual Manipulation Network學習4,300 次撫平和折迭動作，每小時可撫平、折迭30-40件衣物，成功率達93%，唯一的小缺點是速度仍不夠快、衣物表面仍有小皺褶，還有進步空間。


 
圖2 : SpeedFolding折衣機器人利用兩只機器手臂與紅外線掃瞄技術(shù)，90秒就能折迭T恤。(source：Griffig)

協(xié)作型機器人及機器手臂需要仰賴感知、視覺感知及計算能力，才能確認是否需要因應(yīng)外在環(huán)境變化而減緩或停止運動，視覺雷達可以協(xié)助判斷距離是否安全、機械手臂是否需要減速，而計算能力則是藉由軟件演算前述感知數(shù)據(jù)，進一步下達正確指令或反饋。由于3D視覺、自主路徑規(guī)劃、AI識別等技術(shù)日益精進，加速協(xié)作型機器人及機器手臂的智慧化進程。鑒于協(xié)作型機器人與機器手臂具有極高的成本效益，靈活、安全、易于使用，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人四大巨頭瑞士ABB、日本發(fā)那科（FANUC）、德國庫卡（KUKA）及日本安川電機（YASKAWA）也開始布局相關(guān)業(yè)務(wù)。

工業(yè)機器人、服務(wù)型機器人不再涇渭分明
相較于智慧醫(yī)療與智慧生活場域中的協(xié)作型機器人與機器手臂，智能制造場域中相關(guān)應(yīng)用同樣發(fā)展快速，2021-2022年臺北國際自動化工業(yè)大展及2022年德國漢諾威工業(yè)展(Hannover MESSE)中可以看出產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

以2021年臺北國際自動化工業(yè)大展為例，ABB機器人與華碩智慧物聯(lián)網(wǎng)（ASUS IoT）、友達光電（AUO）、達詳自動化（DSA）、碁仕科技（G4）、新臺通商（SINTAI）合作，展出多項機器人智能彈性制造方案及應(yīng)用技術(shù)。自主移動機器人智能移載方案整合速度較同級協(xié)作型機器人更快、重復(fù)精度更高的ABB GoFa CRB 15000協(xié)作型機器人，具備全向移動、AI智能避障等功能，AMR可以穿梭于狹小走道、左右橫移，提升半導體制程的順暢度；AI智能檢測彈性自動化方案則結(jié)合高生產(chǎn)彈性的ABB IRB 1200小型機器手臂與ASUS AISVision，僅需改動機器手臂的檢測流程并搭配不同AI模型，就能快速調(diào)整產(chǎn)線的檢測能力。

達明機器人于2022年臺北國際自動化工業(yè)大展中展示全方位智慧協(xié)作機器人AI Cobot—以原生AI引擎結(jié)合智能視覺和協(xié)作機器手臂，以及快速整合AI智能堆棧及瑕疵檢測應(yīng)用方案、焊接機器人案例；全面升級的AI Cobot S軟硬件可以整合更智能的視覺與周邊軟件及更直覺操作的人機接口，有助提升自動化生產(chǎn)效能，全面落實AI加值智能制造。

AI Cobot搭配達明自行研發(fā)的智能視覺解決方案TM AI+，內(nèi)建智能視覺系統(tǒng)，涵蓋傳統(tǒng)機器視覺與先進AI視覺能力，能輕松找出難以辨識的瑕疵，可廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、汽車業(yè)及食品業(yè)。AI Robot S系列中的高負載手臂則適用于AMR移動式機器人搬運大重量的晶圓盒，而且更為強化人機協(xié)同的工作安全性。

 
圖3 : 全方位智慧協(xié)作機器人AI Cobot以原生AI引擎結(jié)合智能視覺和協(xié)作機器手臂。(source：達明機器人)

2022年德國漢諾威工業(yè)展中，不少參展業(yè)者展示創(chuàng)新技術(shù)、產(chǎn)品或應(yīng)用方案，如德國機器人新創(chuàng)公司Aeon Robotics展出DROID機器人系統(tǒng)。DROID具有AI輔助力量感知功能，能適應(yīng)不同的抓取物體和工作場域變化，結(jié)合機器手臂及仿人類手指的5指夾持器架構(gòu)，5指夾持器和機器手臂組合是根據(jù)人體模型設(shè)計，操作人員無需具備程序設(shè)計技能就能透過穿戴式力反饋控制器，以手部的肢體動作教導機器人完成預(yù)定動作與任務(wù)，而DROID機器手掌可藉由力反饋控制系統(tǒng)將力量直接傳遞給操作人員。

 
圖4 : 5指夾持器和機器手臂組合根據(jù)人體模型設(shè)計，可在專為人類設(shè)計的環(huán)境中操作。(Source：Aeon Robotics)

擅長機器人技術(shù)研發(fā)及自主移動機器人(AMR)產(chǎn)品開發(fā)的Robotnik Automation研發(fā)多種應(yīng)用于工廠、倉儲領(lǐng)域的室內(nèi)AMR，以及戶外多用途AMR，如SUMMIT-XL STEEL自主移動機器人平臺可應(yīng)用于工廠、物流、室內(nèi)運輸?shù)葓鲇颍僮髂Ｊ桨灾鲗Ш?、攝影機實時影像傳輸，操作人員遠程遙控即可，搭載UR公司協(xié)作機器手臂，可執(zhí)行零件抓取工作。

Hyundai Robotics展出多款自主移動的服務(wù)型機器人，可應(yīng)用于商店、賣場或餐廳，如Hyundai S1具有三層餐食置放盤，可承載30公斤重的物品，移動速度每秒達1.5公尺，采用SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)自主導引，透過語音或面板就能設(shè)定與控制。

OMRON公司展出Cell-Line Control System智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，整合中國臺灣達明機器人的協(xié)作型機器人、AI、機器視覺及多種傳感器，可實時偵測生產(chǎn)質(zhì)量、人員是否依標準作業(yè)程序執(zhí)行作業(yè)，滿足少量多樣的生產(chǎn)需求。

工研院產(chǎn)科國際所執(zhí)行產(chǎn)業(yè)技術(shù)基盤研究與知識服務(wù)計劃產(chǎn)業(yè)分析師熊治民認為，從「2022年德國漢諾威工業(yè)展」中可以觀察智慧機器人的發(fā)展趨勢，如更具安全性與應(yīng)用彈性的服務(wù)型機器人創(chuàng)新技術(shù)。綜觀全球機器人發(fā)展趨勢，以往涇渭分明的工業(yè)機器人、服務(wù)型機器人界線逐漸模糊，二者融合的趨勢明顯，部分仿生工業(yè)機器人與協(xié)作型機器人由于具備更大的應(yīng)用彈性與安全性，相關(guān)應(yīng)用在非工業(yè)領(lǐng)域中持續(xù)增加，未來發(fā)展值得重視。

小型機器手臂崛起：更智慧、更輕盈、更小巧
小型機器手臂存在多年，近幾年受惠于技術(shù)創(chuàng)新，帶動小型協(xié)作機器手臂快速朝創(chuàng)新應(yīng)用靠攏，如前述各項智能醫(yī)療、智能制造、智能生活中出現(xiàn)的機器手臂及應(yīng)用案例已能看出傳統(tǒng)機器手臂與AI融合的新趨勢：跳脫傳統(tǒng)中大型機械手臂及不太具有美感的笨重、堅硬外型，數(shù)字科技讓機器手臂朝智慧化、輕量化、小型化發(fā)展。

AI、5G、元宇宙、AR/VR賦予機器手臂更高階的智慧應(yīng)用可能性，比方臺灣的新創(chuàng)公司樂飛特科技(ROBOENTER)就專注于機器手臂搭配互動展演的設(shè)計規(guī)劃與建置，將機器手臂與娛樂概念相結(jié)合，串聯(lián)VR、XR、AI、5G、顯示、攝影等技術(shù)，打造不同的互動藝術(shù)展演、VR展演及虛擬飛行市場，未來可能結(jié)合智慧聯(lián)網(wǎng)(AIoT)應(yīng)用，仿效Skyline Robotics與KUKA機器手臂的合作模式，切入高樓外墻清洗市場，透過AI分析運算機器手臂最佳清洗軌跡、5G遠程遙控、XR/VR情境串連，就能大幅縮短清洗作業(yè)時間。


 
圖5 : 樂飛特科技于信息月中發(fā)表的機器手臂VR。(Source：樂飛特)

未來趨勢：沒有最小，只有更?。?/strong>
除了前述多元、體型愈來愈小的機器手臂，還有更迷你的工業(yè)用機器手臂應(yīng)用。新創(chuàng)公司Mecademic成功打造六軸機器手臂Meca500，手掌大小的體積只有其他小型工業(yè)機器人的一半，重量只有5公斤，但小巧的機器手臂卻能負重500公克，而且具有防碰撞及零重力模式等功能。內(nèi)建控制器不但可以節(jié)省空間，而且大幅簡化操作方式，僅需24V供電、一臺計算機及一條以太網(wǎng)絡(luò)線就能為Meca500進行程序設(shè)定和操作。

Mecademic采用maxon的無刷盤式DC馬達，與無背隙減速機和高分辨率編碼器結(jié)合，重復(fù)精度達0.005mm，比印刷用紙還細致約20倍！未來Mecademic將為機器手臂研發(fā)專用夾爪，可以針對個別需求提供客制化韌體，如此一來，Meca500也可以成為另一種協(xié)作型機器人。

中國臺灣的直得科技也成功打造收折后僅有一張A4紙張大小的cpc Robot微型六軸機器手臂，具有體積小、重量輕、低噪音等特性，更符合節(jié)能減碳、自動化、多樣性及靈活搬移等市場應(yīng)用趨勢，可投入半導體產(chǎn)業(yè)、生醫(yī)產(chǎn)業(yè)，以及實驗室自動化、微型產(chǎn)品生產(chǎn)組裝自動化、測試設(shè)備自動化等領(lǐng)域。

工業(yè)機器人、服務(wù)型機器人逐漸融合，機器手臂朝輕薄短小趨勢發(fā)展，未來機器人制造業(yè)者必須有能力將各式控制設(shè)備及操作系統(tǒng)整合到更小的平臺上，為各種使用情境規(guī)劃更多解決方案，而且必須軟硬件兼?zhèn)?，才能打造輕薄短小、聰明、高效率的未來機器手臂。