自動化 vs. 智慧化有何不同？工研院認為，差別就在「適應性」。在今年「台北國際自動化工業大展」上，工研院所展出的四大創新成果：人工智慧 (AI) 自動標註系統、高品質研磨系統、七軸驅控整合式關節機器手臂以及智慧派車系統，皆圍繞這個核心主軸。工研院機械所組長黃甦逐一為大家做導覽解說。
照片人物：工研院機械所組長黃甦
●AI 自動標註系統
可自動學習不同種類物件，且不必編程就能自動生成圖形介面，下達指令給機械手臂進行智慧檢貨、將隨機混合或堆疊的物件予以分類，用於生產線／輸送帶的上、下料。以往工程師編程需耗時兩至三週，現在一天就能搞定，亦可用於倉儲系統；而該系統一小時能產生 1 萬張標註資料供 AI 深度演算法學習，相較於人工一小時只能對訓練數據 (training data) 做 25 張標註高效許多，特別適合彈性、少量多樣的換線生產或更換不同工件。
可自動學習不同種類物件，且不必編程就能自動生成圖形介面，下達指令給機械手臂進行智慧檢貨、將隨機混合或堆疊的物件予以分類，用於生產線／輸送帶的上、下料。以往工程師編程需耗時兩至三週，現在一天就能搞定，亦可用於倉儲系統；而該系統一小時能產生 1 萬張標註資料供 AI 深度演算法學習，相較於人工一小時只能對訓練數據 (training data) 做 25 張標註高效許多，特別適合彈性、少量多樣的換線生產或更換不同工件。
與此同時，早期機器手臂功能單一、也無法自主學習，更需耗時以人工調校精度，過程耗時耗力。因此，資策會整合數位分身技術，研發國內首創的「單站式加工精度檢測建模與校正」軟體，透過選擇加工情境，輸入機器手臂的線性誤差、動態軌跡誤差及座標等資料，並選擇相關演算法，協助機器手臂擁有更多功能，還能進行加工精度校正與建立加工模型，提升加工品質，可應用於機器手臂、汽車焊接與溫度補償等領域，已與放電加工機廠商和汽車零件供應商合作。
圖1：AI 自動標註系統毋須編程，可自動學習辨識不同種類的物件
資料來源：攝自「2020 台北國際自動化工業大展」
●高品質研磨系統
除原有模擬器自動產生研磨、抛光路徑，已發展到第三代的研磨系統新增三大特色：1.以機器視覺為機台和手臂定位並進行校正；2.線上量測即時因應不同工件的變異性，將量測誤差補償到加工軌跡使加工品質更一致；3.有別於單純自動化只會重覆相同動作，加入適應性和協調性應對個別變異，而非盲從既定路徑去磨，消弭工件射出、成形等前製程誤差，深受水五金、手工具、金屬加工產業歡迎。另一方面，工研院也留意到金屬製品容易因曲面反光特性及齒輪齒距間起伏而形成陰影，使用傳統機器視覺進行瑕疵檢測易受干擾的問題。
除原有模擬器自動產生研磨、抛光路徑，已發展到第三代的研磨系統新增三大特色：1.以機器視覺為機台和手臂定位並進行校正；2.線上量測即時因應不同工件的變異性，將量測誤差補償到加工軌跡使加工品質更一致；3.有別於單純自動化只會重覆相同動作，加入適應性和協調性應對個別變異，而非盲從既定路徑去磨，消弭工件射出、成形等前製程誤差，深受水五金、手工具、金屬加工產業歡迎。另一方面，工研院也留意到金屬製品容易因曲面反光特性及齒輪齒距間起伏而形成陰影，使用傳統機器視覺進行瑕疵檢測易受干擾的問題。
所以，此前業界仍高度依賴人工目視確保品質。有鑑於此，工研院研發「金屬製品外觀品質 AI 人工智慧鑑別與回饋模組」，結合機器視覺、深度學習、AI 人工智慧，即使金屬製品曲面反光，也能成功自動瑕疵檢測；搭配國內首創的 3D 螺旋切齒齒輪檢測機，更可檢測齒輪的黑皮、撞傷與崩齒等瑕疵，齒輪檢測速度由每顆 60 秒降為 ≤30 秒，輔以 5G 或雲端通訊進行異常資訊回饋，有助及早發現製程異常減少損耗，增進節能與生產品質。
圖2：高品質研磨系統經由線上量測，可讓不同刀刃工件的弧線更臻完美
資料來源：攝自「2020 台北國際自動化工業大展」
資料來源：攝自「2020 台北國際自動化工業大展」
●七軸驅控整合式關節機器手臂
三年前整合馬達、感測器、齒輪、驅動器發展「模組化關節」，可供零部件業者自行「彈性組合」且具備網路介面為最大亮點 (例如：組合成六軸手臂)。最初，只應用在結構與運動方向呈 90∘的 L型機械手臂；第二代進化至共軸的 I 型，體積更迷你、外觀也更流線型；最新一代則做到更複雜的 N 型，可交錯動作、更省空間、靈活，用途也不再侷限於工廠應用，可拓展至生醫和服務業供導引或扶持之用。例如，手術室空間狹小，不同類型的內視器手術需要客製化機械手臂協助，使用起來才能得心應手。
三年前整合馬達、感測器、齒輪、驅動器發展「模組化關節」，可供零部件業者自行「彈性組合」且具備網路介面為最大亮點 (例如：組合成六軸手臂)。最初，只應用在結構與運動方向呈 90∘的 L型機械手臂；第二代進化至共軸的 I 型，體積更迷你、外觀也更流線型；最新一代則做到更複雜的 N 型，可交錯動作、更省空間、靈活，用途也不再侷限於工廠應用，可拓展至生醫和服務業供導引或扶持之用。例如，手術室空間狹小，不同類型的內視器手術需要客製化機械手臂協助，使用起來才能得心應手。
黃甦指出，第三代「模組化關節」具備精度校正能力，絕對精度可細至 0.3～0.4mm，遠勝於一般協作型機器人，且擁有極佳的酬載比 (payload ratio，即荷重比)——15 公斤可抓取 5 公斤物件，這個比值與軸數和手臂長度有關，已領先國際大廠。他透露，有些系統整合商 (SI)、馬達、齒輪和機械手臂廠商已表達高度興趣，並成功技轉三家；清華大學也已採購兩套擬用於仿生雙手。順帶一提，工研院另一套「多自由度仿生機械手掌」(Ochu) 能抓取形狀不規則與軟性物件，搭配機器手臂可用於賣場取貨與工廠上、下料，甚至可作為義肢使用。
圖3：第三代「模組化關節」為智慧機械零組件及系統整合業者開創更多可能
資料來源：攝自「2020 台北國際自動化工業大展」
資料來源：攝自「2020 台北國際自動化工業大展」
它的五根手指採用機械控制與彈簧設計，當碰撞硬物時會反彈、降低義肢毀損狀況，且可拿取書、筆、手機、寶特瓶等物件，協助身障人士執行日常生活功能。此外，工研院亦有開發「行動式手臂機器人系統」(MARS)，內建智慧定位導航模組與全系統相容機器人作業系統 (ROS)，可自由移動、提供更大活動範圍並快速整合各式軟體功能，適用於室內生活服務或輕工業，改善人力短缺。簡言之，工研院對於機械關節、手臂、手掌的技術齊備，更方便不同面向的業者各取所需，跳脫既有認知、成長障礙和產業慣性，在構形上創新組合以另闢新產品或市場。
表：工研院一、二、三代的驅控整合式關節機器手臂比較
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第三代 |
第二代 |
第一代 |
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特色 |
七軸機器手臂，採用第三代驅控整合關節模組，只使用兩種關節：I-type與N-type，關節模組單位重量的扭力輸出較第一代關節模組增加約30%，整機較第二代手臂更為苗條省空間，較長臂長加上七自由度設計成就更高的作業彈性，適合作為工業型與服務型機器人應用 |
六軸機器手臂，第二代驅控整合關節模組包含新型L-type、I-type、N-type關節，關節機構改良後具備體積小與輕量化優勢，各種關節可組成高精度協作型手臂，數位化的控制器讓機器手臂可隨插即用 |
六軸機器手臂，第一代驅控整合關節模組為L-type構型，採用自主開發馬達、減速機、驅動器、控制器等關鍵零組件，可讓機器手臂做到穿針引線動作，精度符合工業應用作業要求 |
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重複精度 |
±0.02mm |
±0.02mm |
±0.02mm |
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荷重比 |
總重15Kg、荷重約5kg，荷重比0.3 |
總重12kg，荷重約5kg，荷重比0.41 |
總重10.6公斤，荷重約5kg，荷重比0.47 |
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自由度 |
7 |
6 |
6 |
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應用領域 |
結合AI人工智慧、與夾具等，機器人可做更多輕工業加工、家居服務與生醫照護的工作 |
可應用在工業生產、機器人教育訓練、DIY市場等領域 |
可應用在工業生產、機器人教育訓練、DIY市場等領域 |
資料來源：工研院提供
●智慧派車系統
工研院從研發車體開始，近來重點擴至自主移動車交管 (派車) 軟體，負責大型場域中、成千上百輛無人運載車的指派工作；場域、車子數量和運載路徑軌跡皆透過圖形化介面設定，已獲東元馬達的生產線導入。使用者可根據生產需要進料並依搬運站別做地圖式設定，後由系統找出最佳配置或按照排程派車，做最有效的搬運規劃。過去若要建置派車系統，往往需技術人員親自到廠房場勘與丈量比例並需到現場調校，過程耗時費力，也常面臨無法相容不同廠牌或軌道導引方式的車子而導致多台無人搬運車塞車或不易規劃路線的情形。
工研院從研發車體開始，近來重點擴至自主移動車交管 (派車) 軟體，負責大型場域中、成千上百輛無人運載車的指派工作；場域、車子數量和運載路徑軌跡皆透過圖形化介面設定，已獲東元馬達的生產線導入。使用者可根據生產需要進料並依搬運站別做地圖式設定，後由系統找出最佳配置或按照排程派車，做最有效的搬運規劃。過去若要建置派車系統，往往需技術人員親自到廠房場勘與丈量比例並需到現場調校，過程耗時費力，也常面臨無法相容不同廠牌或軌道導引方式的車子而導致多台無人搬運車塞車或不易規劃路線的情形。
工研院開發國內首創的「大型場域多車派車系統」，廠商只需載入圖片及比例尺等資料，此系統即能於虛擬環境布局工廠的派車路線，經虛擬調校後，能直接在工廠中建置派車路線，有效降低建置時間與人力，還可相容工廠裡各種導引方式的車子，以及兼容多種上層聯網標準和下層物料管理系統、廠房的周邊設備如輸送帶、自動門等通訊整合，讓業者清楚掌握工廠派車和物料輸送資訊，解決眼前最現實的痛點。
升級智慧製造的堅強後盾
工研院備有完整的「機器人倉儲與加工管理系統」，包含智慧製造管理系統、自動倉儲、設備聯網、稼動監控等，可提供整廠整產線統包服務並與企業資源規劃 (ERP) 串接，以彈性派工排程，不僅整合物料、倉儲管理、廠房資訊及製程數據分析，彙整完整生產流程履歷，也可與機台、感測器及量測儀器搭配，自動量測並補償製程誤差。考慮到老舊機台無法聯網，或面臨聯網技術不相容、不易實現生產即時監控、設備故障預兆診斷的困境，另有「機邊運算模組」(PI_EC box) 和「預兆診斷系統」，能即時監測與維護設備，提升設備產能、保持良好稼動率。
工研院備有完整的「機器人倉儲與加工管理系統」，包含智慧製造管理系統、自動倉儲、設備聯網、稼動監控等，可提供整廠整產線統包服務並與企業資源規劃 (ERP) 串接，以彈性派工排程，不僅整合物料、倉儲管理、廠房資訊及製程數據分析，彙整完整生產流程履歷，也可與機台、感測器及量測儀器搭配，自動量測並補償製程誤差。考慮到老舊機台無法聯網，或面臨聯網技術不相容、不易實現生產即時監控、設備故障預兆診斷的困境，另有「機邊運算模組」(PI_EC box) 和「預兆診斷系統」，能即時監測與維護設備，提升設備產能、保持良好稼動率。
