安全性大跃进　协作机器人落实工业4.0

    2006年，世界正处于智慧型手机革命开端。当时人们只能想像此市场的发展情况。现在，许多人展望的未来，将会是个急需经济实惠且小型化行动电子产品的世界。

十八世纪至今，每一场技术革新都带来生产力的大跃进。第四次工业变革亲临你我的生活现场，在列强簇拥下的国家制造升级政策，没有停歇的空间。
这场由物联网技术引发的虚实世界模糊化趋势，将改变制造体系并产生新商业模式。

自2011年德国首先提出“工业4.0”的概念后，各国竞相推出制造业升级的政策计画，比方像是美国的“先进制造”、日本的“工业4.1J”、韩国的“制造业创新3.0”以及台湾近期发布的“生产力4.0”等。

除此之外，中国也在今年5月颁布了“中国制造2025”，加上去年10月中国国务院总理李克强与德国总理梅克尔共同发表了《中德合作行动纲要：共塑创新》，首次将工业4.0纳入双边合作的课题，令红色供应链的后续发展充满无限想像，也让人思考对台湾可能造成的冲击与影响。

制造业升级有其阶段性进程与门槛，从工业1.0逐渐迈向4.0。根据德国顾问公司Roland Berger表示，演化进程从工厂自动化开始，接着工厂数位化，工厂资讯科技(IT)与操作技术(OT)整合，进而扩大到供应链体系的互联，最后达到人、物体与服务系统的互联共享。

美、德两国显然正在3.0到4.0的路上较劲中，而中国则怀具雄心地同步发展各项技术，希望直接从2.0跃进4.0之列。台湾在这场列强争夺赛中，仍然有其角色，并提出生产力4.0。知己知彼，明确定位，在这场突破虚实界限的智慧制造竞争中，好好地上演一出以小博大的反攻。

近十年前已有机器人制造商譬如ABB开始重新审视其在工业机器人与自动化方面的努力，尤其着重于以灵活敏捷的系统取代复杂繁复的制程。

随着时间的推移，这些进展统称为综合产业，或是所谓的第四次工业革命。资讯物理系统、生产场景和真正的人机协作，是成功管理由于这场革命而不断成长的人、事物及服务生态系的关键。另外，此种新形态协作必须提供平衡解决方案，以永续、高效且可获利的方式利用此生态系最大优势。

以人为本　提供主动式设备维护服务

市场调查数据指出，在万物互联概念驱动下，至2020年全球联网装置数量预计将会超过三百亿个，并创造高达14.4兆美元的商机(图1)。但不论串连的设备有多少，只关注在硬体的连结数是不够的，因为所有串连起来的“物”其实是要回馈给“人”进行相关决策，进而提供所需或必要的“服务”，因此唯有将三者同时纳入规画的“Internet of Things、Services、People”才是完整演绎物联网之应用。


图1　2020年全球联网装置数量预计将超过三百亿个，并创造高达14.4兆美元的商机。
“技术”并不是唯一，“人”才是须关注的重点；以ABB积极让机器人成为联网设备为例，随着网际网路与无线网路的普及，设备供应商所提供的技术支援与售后服务也产生了巨大的变革，新服务已从过去有问题才被动反应、派员处理之作业模式转变成主动式服务。

因此产品提供联网与远端存取将是必然的趋势，而透过可确保资讯安全之应用平台收集所有资料的监控服务，则能为客户提供更多的产品附加价值。

譬如ABB目前安装于各国的机器人中，已经有五千台是联网设备，而该公司设在印度的全年无休之后勤工程团队则能针对这些连线的机器人进行相关运作状况之监测。

藉由此种远端服务(Remote Service)且持续的监控来提供客户主动式与预防性之设备维护，不仅能早期发现机械异常避免生产线意外停机，就算临时出现任何突发状况，也能在极短的时间内进行诊断并迅速排除故障，而各种资料收集后所形成的大数据将累积成资料库，做为日后改善与管理之用。

联网机器人是ABB因应物联网趋势从使用者与客户的角度出发所提供的服务，该公司并订下联网机器人要在五年内翻倍成长的目标，从而实践以人为本的服务理念(图2)。


图2　联网机器人加速工业智动化发展脚步。
与时俱进　迎接新经济世代考验

随着网路资讯发达、产品生命周期缩短、少量多样及客制化等成为消费主流，各国政府为取得主导地位而纷纷推出了工业4.0、先进制造、产业重振等制造业升级计画。

台湾除了面临开发中国家分食量产市场、欧美工业大国抢占客制化市场的双重夹击之外，根据国家发展委员会发布的人口推计报告，台湾劳动人口每年平均以十八万人速度递减，总劳动人口的问题更让本土制造业者面临着迥异于以往的竞争压力。

为此，经济部工业局副局长吕正华表示，政府在过去辅导产业自动化的基础上，提出“生产力4.0”之计画(图3)，做为未来十年推动台湾制造业升级的主要发展方向，期能在善用物联网、大数据、智慧机器人、智动化设备等技术，并运用资金融通、研发补助和投资抵减等政策工具，先期以中坚企业建置示范工厂来带动包括电子、金属、机械、食品、纺织、农业和零售等产业升级，同时推动台湾制造业朝创新、高值化与关键技术等领域发展。


图3　生产力4.0推动作法示意图
人机协作　改变机器人/自动化的未来

如今，市场的转变已超乎机器人制造商最大胆的预期，远比其所想像的还要复杂，且需要不可思议的庞大人工组装需求。由横跨几千条装配线数以百万计的劳工，构建出这个世界越来越依赖的电子产品。这些产品类型呈爆炸性成长，且生命周期极为短暂，再加上劳工对更多报酬的工作、更高的薪水及更佳生活品质的需求提升，表示目前的系统最终既无法扩展亦无法永续。

回顾2006年，在机器人制造商开始研发解决这些问题的小零件组装解决方案概念时，并不知道需求将会变得这么庞大。机器人制造商了解这些手工组装线将必须加以自动化，而此转变可能需要数十年时间，且必须在不中断复杂、庞大且根深蒂固的现有小零件装配基础架构的情况下发生；正因如此，无论机器人制造商开发出哪些解决方案，本质上都必须是机器人，并能在人类身旁安全作业。

近来机器人制造商譬如ABB将此概念称为人类与机器人协作，但当时ABB单纯只想创造固有安全的解决方案。

而此市场需要灵活度，才能处理生命周期仅几个月且仍持续缩短的不断变化产品。 解决方案必须方便携带且易于安装于生产线上，并能符合现有生产线上的规画，此外还必须采用相当直觉性使用的创新程式设计方法，毋须特殊训练任何人都能上手。然而，最重要的是必须足够安全与作业员并肩作业，无需安全围篱且无威胁感。


YuMi增进自动化战力
藉由引进全球第一部真正协作式双臂工业机器人--YuMi(图4)，ABB工业机器人再次扩展机器人自动化未来的样貌，且将从根本上改变可采用机器人自动化的工业制程类型。


图4　协作型机器人有助提升工厂作业安全性。
就字面的意义而言，YuMi在英文中代表“You & Me”，意指你和我共同创造自动化的未来。据了解，这项突破性的解决方案是经过多年研究与开发的成果，预示能像人类一样并肩合作，藉以完成同一个任务的全新时代，同时仍可确保周围人员安全。

小零件组装领域正在经历日新月异的变革。尤其是在电子产业，高速成长的需求已远远超过熟练劳动力工作的生产数量。随着传统装配工艺越来越无法满足现代生产的需求，制造商无论从策略角度还是经济性考虑，都必须进行投资和寻找新的解决方案。

尽管YuMi的设计是为满足消费电子产品产业对弹性生产和灵活制造的需求，但它同样可应用于任何小零件组装环境中(图5)；这得益于其双臂设计、多功能智慧双手、通用零件进料系统、基于机器视觉的零件定位、引导式程式设计，以及一流的精密运动控制。


图5　ABB新款协作型机器人具有十四轴设计，可灵活执行生产线上的组装作业。
乍看之下将手工装配线上的制程自动化似乎相当简单，但实际上要复制人类能力并不容易。

协作型机器人须要拥有能灵巧精确处理细腻事物的触感和马达控制，并能判断在特定组件上用力多少才不会过猛，并能看到物件在哪里，十分容易将它捡起，并能毫不迟疑处理种类极为繁杂的零件；此外，协作型机器人还拥有空间感，因此能与作业员共同完成工作。

采用YuMi所须要面临的挑战，在于决定如何以基本符合成本效益的方式，重现至少像人类一样安全所必要最低限度的感官和能力。

复制所有这些人类特质，但仍能提供自动化实质好处。透过远多于机器人所需，且基于各种用途所构建的设计，已创造固有安全的组件系统，提供小零件装配未来所需的精度、容易使用、速度、灵活性及投资回报。

这款智慧型产品，从规画之初就以与人共同合作为主要设计概念，因此产品经过ANSI/UL 1740安全认证，以及符合ISO-13849人机协同之安全标准，所以不再像传统机器人必须留下空间设围篱或光栅护栏才能确保机器人与现场工作人员的安全。

此外，双臂总共十四轴手臂的YuMi不但能平顺地多工运作，而且不会出现两手打架的情况，还有将控制器整合在手臂内部的设计也免除了原本需要控制箱的需求，而透过平板电脑的教学控制，并拉着此款机器人的手动作，即可让机器人快速学会所须执行的操作。