無人搬運車建立多機協(xié)作雛型 輸送機械迎接自主移動變局

迎接近年來智能工廠對于彈性變化越來越大，傳輸機械已無法如過去從新廠規(guī)劃之初，即完成就定位配置。反觀AGV則受惠于機械視覺、光達地圖導引等技術不斷推陳出新，逐漸將無軌自主移動的潮流自物流業(yè)引進工廠，組成AMR，甚至還可望打造多機協(xié)作的「超自動化」雛型，并開發(fā)足型機器人跨越最后一哩路。

基于當前全球供應鏈重組或更破碎化浪潮，導致從世界各地回流的制造業(yè)將同時面臨缺工、缺地等困境，勢將難以復制如過去大規(guī)模量產(chǎn)，以降低成本的生產(chǎn)模式。工廠物流除了向來是生產(chǎn)制造過程中的關鍵環(huán)節(jié)，新一代智慧工廠的傳輸機械，也必須更為迎合彈性配置需求。

甚至要求自主移動機器人必須與環(huán)境同時設計動線，須先透過數(shù)字分身技術（Digital twins）模擬運作，從而達到最大效率。具備整合感測與運算等軟硬件技術的無人自主導引搬運車（Automated Guided Vehicle；AGV），則成為制造、物流業(yè)者打造智能場域的關鍵系統(tǒng)。因此讓AGV市場快速成長，更可望在未來追求凈零碳排的「范疇三」領域扮演重要角色。

結合人工智能　優(yōu)化倉儲管理及供應鏈
包括如今倉儲物流機器人系統(tǒng)，便要求貨物流動架構須與機器人行為同時考慮與設計，打破傳統(tǒng)輸送帶流水線模式，過去Amazon的Kiva機器人，便率先采取移動貨架，以物找人的概念。漢錸科技近年也推出新款「四向式穿梭車（Shuttle cart）自動倉儲」高密度存取系統(tǒng)，為客戶量身打造最合適的解決方案。



 
圖1 : 漢錸科技近年推出新款「四向式穿梭車自動倉儲」高密度存取系統(tǒng)，為客戶量身打造最合適的解決方案，將整體效率最大化，優(yōu)化整體供應鏈。（攝影：陳念舜）

該系統(tǒng)不僅從上一代「梭車型料盒式自動倉儲」雙向行走的穿梭車升級為四方行走，再搭配升降機構進行垂直搬運，以夾抱方式取出貨品。還可依效能需求，由智能調(diào)度系統(tǒng)按照當前任務指令和運行狀態(tài)，自主調(diào)度以彈性配置穿梭車數(shù)量，進行任務作業(yè)的全局優(yōu)化，將整體效率最大化。

在長期提供堆高機特殊改裝設備服務的供貨商勤工（AXON），近年來也結合大數(shù)據(jù)與人工智能科技，推出「AMR自主移動堆高機」，利用SLAM算法一機完成無人化運搬，毋須鋪設額外的參考線路，即可達到±1cm的精準率；亦可在無人化搬運的過程中，透過系統(tǒng)串聯(lián)，串起廠房既有的自動化生產(chǎn)、物料系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)，協(xié)助實現(xiàn)智能化的目標。

AGV結合智能化管控　提高搬運系統(tǒng)彈性與產(chǎn)能
工研院機械所經(jīng)理韓孟儒指出，現(xiàn)今所有物料搬運貨品可概分為：原物料、半成品、成本等，以往須透過人力揀料與配送、搬運及上下料，直到最近3~5年始引進AGV自動化運送系統(tǒng)，相關技術包含：多車物料自動配送、無軌式控制與導引、自動搬運/上下料等技術。

經(jīng)過工研院有效整合HI的智能化功能，涵括：高彈性智能交管、跨系統(tǒng)整合、客制化接口。透過智能物料搬運系統(tǒng)架構中的MCS，統(tǒng)籌管理MES接單后下達的搬運命令；再交由工研院開發(fā)的ACS，選定、管理與控制不同品牌或導引型式的合適AGV/AMR，執(zhí)行規(guī)劃路徑（route）、多車交通管理等功能；最后AGV/AMR再循此運送、完成上下料作業(yè)。

由于AGV或其他裝置上的PLC皆搭載ROS 2（Robot Operating System；機器人操作系統(tǒng)）開源平臺，隨時皆可抽換或增減控制點來擴充也更有彈性；進而統(tǒng)籌規(guī)劃多車行進路徑、速度、?？繒r間等不同任務，且不必重新調(diào)整，得以避免塞車及碰撞，有效提高搬運產(chǎn)線物料、工件的效率與產(chǎn)能。

目前工研院也將此多機派車、運載系統(tǒng)，導入半導體封測大廠硅品公司24/7精密制造產(chǎn)線，控制10臺以上自主移動機器人（AMR），藉此升級智動搬運來服務上百臺生產(chǎn)設備提高產(chǎn)能，塑造智造轉型生態(tài)系統(tǒng)，至今約節(jié)省搬運人力15%、AMR妥善率99.9%、超過95%稼動率，效益相當顯著。

順應智慧感測需求　縮短AGV開發(fā)時程
此外，有別于早期AGV系透過磁道、色帶或是Bar-code定位導引路徑模式精準、快速卻乏彈性，難以跟上近年來應用場域多變調(diào)整。近年來在3D光達（LiDAR）傳感器、同步定位與地圖構建（simultaneous localization and mapping；SLAM）等不斷推陳出新技術的整合下，促使AGV行進路線變得更為靈活、快速，應用觸角隨之從電商物流往制造業(yè)延伸，若要在成本及效能都達到業(yè)者能接受的甜蜜點，傳感器將是關鍵！

因為AGV的智能化將主要來自于軟硬件整合，相關設備制造及系統(tǒng)整合廠商在選擇傳感器時，除了產(chǎn)品規(guī)格、價格外，還應重視廠商的整合能力與相關技術服務支持，對于產(chǎn)品的開發(fā)時程與可用性將有巨大影響，以符合客戶不同場域需求。建議設備與系統(tǒng)業(yè)者在投入發(fā)展時，必須找到可提供完整技術支持的合作伙伴，以快速完成開發(fā)，并確保AGV的實用性。

Hyundai Motor在2022年CES展中，也提出機器人技術為核心的「元宇宙移動概念（Metamobility Concept），結合AMR、延伸人類移動能力的「Expanding Human Reach」愿景，研發(fā)AMR驅動輪模塊與即插即用的PnD平臺（Plug & Drive Module）驅動模塊，可藉此整合輪內(nèi)電力驅動、懸吊、轉向、剎車等組件，從PnD平臺架構里衍生出多種個人交通、物流、服務型AMR應用。



 
圖2 : Hyundai Motor在2022年CES展中，也提出機器人技術為核心的「元宇宙移動概念，結合AMR、延伸人類移動能力的。（source：multivu.com）

產(chǎn)學研協(xié)助AGV再進化　促PCB產(chǎn)業(yè)數(shù)字升級
最近工研院便與PCB軟板廠嘉聯(lián)益、臺灣科技大學三方產(chǎn)學研合作，打造微縮化AGV，強調(diào)其結合人工智能（AI）辨識技術，協(xié)助臺灣電路板廠商導入智能制造技術、加速轉型為智慧工廠，克服產(chǎn)線人力不足等課題，預期可提升產(chǎn)線效率超過20%、降低工序作業(yè)時間50%，進而提升臺灣PCB產(chǎn)業(yè)進軍國際市場的競爭力。



 
圖3 : 最近工研院也與PCB軟板廠嘉聯(lián)益、臺灣科技大學三方產(chǎn)學研合作，打造微縮化AGV，結合AI辨識技術，協(xié)助臺灣電路板廠商克服產(chǎn)線人力不足等課題（source：工研院）

工研院不僅藉此將現(xiàn)今AGV設備微縮化，并加入多自由度的上下料機構、AI視覺技術等，實現(xiàn)人機共工運載物料、提升產(chǎn)線效率；還可透過機器人內(nèi)建的人員姿態(tài)辨識系統(tǒng)，確保人員作業(yè)正確，降低操作失誤可能造成產(chǎn)線停擺的損失，提供場域更加安全、可靠及完整的智能制造解決方案。預計2023年底完成研發(fā)及場域驗證，將力助PCB及半導體業(yè)者加速轉型為智慧工廠，提升產(chǎn)業(yè)國際競爭力。

嘉聯(lián)益樹林總部特助暨該計劃主持人梁隆禎指出，為持續(xù)優(yōu)化軟性電路板（Flexible Printed Circuit；FPC）智能制造，著眼于PCB智能工廠發(fā)展趨勢，嘉聯(lián)益延續(xù)多年來成功開發(fā)卷軸式材料的各項經(jīng)驗，期望透過跨業(yè)鏈結產(chǎn)學研三方的實務人才與研發(fā)能量，發(fā)展人機協(xié)作自主移動機器人。

從而協(xié)助人員搬運各種卷軸式半成品物料的上下料機構，并增加制程站之間的自動識別功能，以智動化技術減輕生產(chǎn)線的壓力、提高生產(chǎn)效率。同時從新一代卷軸式軟板材料技術升級為切入點，開創(chuàng)更精密加工技術，讓臺灣軟板業(yè)者可拉大與國際競爭者的差距，迎接不斷加劇的市場挑戰(zhàn)。

臺灣科技大學機械工程系教授林柏廷進一步表示，自主移動機器人（Autonomous Mobile Robot；AMR）與人員的協(xié)作共工是一項具挑戰(zhàn)性且高度發(fā)展?jié)摿Φ年P鍵技術，目前學術界及產(chǎn)業(yè)界較少具有10kg以上負載能力的AMR，重力平衡設計是提升AMR上機器人或搬運機構負載能力的可行方法之一。

此外，為達到安全且高效的人機協(xié)作，智能感測、視覺辨識、AI人工智能是必然的發(fā)展趨勢，AMR要進行大量計算機計算，必須將大量影像及數(shù)據(jù)傳輸至遠程高效能計算機運算后，再將控制信息傳回機器人的控制系統(tǒng)，最后利用變動密鑰提升信息安全性。上述各環(huán)節(jié)中的重要技術都是臺灣智能制造領域亟需發(fā)展的方向，期許此次產(chǎn)學研共同努力跨域合作，增加朝向國際發(fā)展的競爭力。

工研院突破多機控制瓶頸　建立群機協(xié)作雛型
值得一提的是，根據(jù)Gartner最早于2020年發(fā)布的十大戰(zhàn)略技術趨勢報告中提出的「超自動化」（Hyper-automation）定義，原來是指能快速識別、審查和自動化業(yè)務與IT流程，整合包括AI、機器學習、機器人流程自動化（RPA）、低/無程序代碼平臺和流程管理等多種技術和平臺，并以業(yè)務驅動企業(yè)實現(xiàn)各類營運場景。

當產(chǎn)業(yè)組織在生產(chǎn)、作業(yè)的流程都達成自動化時，協(xié)作式生產(chǎn)的范疇將不再只有「人機協(xié)作」，而是進一步達到「多機協(xié)作」。臺灣的智慧工廠因應愈趨復雜的加工制造流程，也已從單機邁向多機自動化發(fā)展，惟若要整合不同品牌的設備，進行多機協(xié)作，產(chǎn)業(yè)仍然面臨人員維護、成本增加、人員安全等多重挑戰(zhàn)。

工研院機械與機電系統(tǒng)研究所所長饒達仁認為：「雖然單機是全球指標大廠的強項，但臺灣的優(yōu)勢是具備先進ICT技術、完整的機械、電機產(chǎn)業(yè)供應鏈以及高階科技人才，能整合多元感測、視覺辨識及高精度的多機協(xié)同控制等技術，賦予機器人更豐富的工藝技能，未來朝向智能機器人系統(tǒng)整合服務，可望成為臺廠創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的著力點，創(chuàng)造臺灣下一波經(jīng)濟成長動能?！?br/>
目前經(jīng)濟部技術處針對臺灣機器人產(chǎn)業(yè)的布局策略，也逐漸朝向朝向多機化、智慧化與系統(tǒng)化發(fā)展，以因應更為復雜的加工生產(chǎn)流程。工研院近年來也積極投入多機器人協(xié)同控制技術，協(xié)助制造業(yè)者突破廠牌限制，讓機器人之間可互相溝通，可同步控制多達14軸以上的工業(yè)機器人完成復雜生產(chǎn)任務，目前已實際導入造船與醫(yī)材產(chǎn)業(yè)，并逐步導入到車用、航天與橡塑料等不同產(chǎn)業(yè)。

為了達成搬運過程中的產(chǎn)能優(yōu)化，工研院著重于最復雜的派車算法，開發(fā)多車派遣系統(tǒng)除了可提供跨品牌導引方式外，還能兼顧彈性與安全的進行插斷（Preempt/Insert/Combine）作業(yè)；并考慮無線網(wǎng)絡的通訊延遲問題，選擇最適合指定任務的機器人，以確保機器人彼此，或與動、靜態(tài)障礙物之間無碰撞風險，達到搬運效率優(yōu)化。

廣運導入Robot Smith　應用領域擴及物流
在今年「臺灣機器人與智慧自動化展」（TAIROS）期間，工研院也發(fā)表號稱是全球最多軸的機器人高階智慧控制器（Robot Smith），即強調(diào)可跨平臺同時控制3具國內(nèi)外不同品牌機器人，進行多機化協(xié)同作業(yè)，降低人員維護、營運成本；且讓機器人之間互相溝通協(xié)調(diào)，提升絕對精度到±0.25mm以內(nèi)；整合AI視覺辨識周圍人員的行為意圖，實時避障防護、兼顧人員安全，將機器人次系統(tǒng)控制器提升產(chǎn)能逾50%以上。

依廣運機械工程經(jīng)理黃嘉輝同時發(fā)表與工研院合作范例，認為雙方可將在2021年結合RobotSmith完成金屬加工的成功經(jīng)驗，與該公司KRS系統(tǒng)整合延伸到的物流中心使用，打造自動倉儲、揀貨系統(tǒng)DPS等，藉以彌補在電商物流繁瑣揀貨階段，所產(chǎn)生的人力缺口；解決以往因物流中心業(yè)者因為考慮內(nèi)部技術人才不足，對于導入機器人意愿不高的問題。

如今智能揀貨系統(tǒng)已是智能工廠的縮影，將可利用Robot Smith解決相關難題，從而具備高度擴充性，可提供一站式整合服務，包括支持多種傳感器，提高彈性生產(chǎn)的質(zhì)量和精度；通過物聯(lián)網(wǎng)搜集數(shù)據(jù)，和成立戰(zhàn)情中心；客制化和圖形化制程管理接口，一鍵簡化復雜程序。KRS亦可整合設備及系統(tǒng)，進而生成自動路徑、虛實整合、藉AI數(shù)據(jù)提供不同場景應用，可以讓人人都能當上工程師。

自主移動搬運設備升級　放眼足型機器人商機


 
圖4 : 結合自駕車核心元素的Tesla Optimus，加速雙足機器人產(chǎn)品開發(fā)與應用。（source：teslarati.com）

最后，因應當今AGV/AMR配合應用場景的多元性、人機協(xié)作的適應程度，已是機器人發(fā)展的趨勢，放眼下一步將是雙/四足運動的「足形機器人」（legged robot），雖然具備傳統(tǒng)輪式機器人無法達到的優(yōu)點，可翻滾、跳躍的靈活性佳，克服崎嶇、顛簸地形；但在荷重與效率上仍有改善空間，行進速度緩慢又造價高。根據(jù)Frost & Sullivan調(diào)查，當機器人逐漸普及、造價成本下降將帶動雙足機器人市場成長，預估2022~2026年市場累積總規(guī)模將上看15.77億美元，約509億新臺幣。

舉例來說，Agility Robotics的Digit機器人，即曾嘗試利用雙足移動平臺及雙臂來進行搬運工作，于2019年與福特汽車合作，結合自駕車執(zhí)行最后一哩路的送貨服務。目前最知名的雙足機器人，則屬結合自駕車核心元素的Tesla Optimus，結合了步態(tài)軌跡、手臂運動規(guī)劃和機器人平衡控制方法于一身，加速雙足機器人產(chǎn)品開發(fā)與應用。

但未來足型機器人發(fā)展仍充滿挑戰(zhàn)，包括投入廠商不斷增加，必須更專注于產(chǎn)品成本與價格控制、產(chǎn)品定位與利基應用等，藉此突破關鍵技術，克服室外環(huán)境變因；多方鏈結，找尋合作伙伴；擴大產(chǎn)品銷售，嘗試多種應用場景。