中小企業如何利用工業元宇宙快速探索和部署機器人解決方案

機器人和協作機器人 (Cobot) 處於工廠自動化技術的前線。數位雙生和虛擬實境 (VR) 處於設計和開發工具的前線。兩者結合後，就可用來打造一個工業元宇宙，能更快達到更高的生產力，即便是中小型企業 (SME) 也同樣適用。

SME 的設計人員能享受簡單直覺的介面所帶來的優勢，其中結合了數位雙生、實體物件 (如三角式、線性或多軸機器人) 的超高細節虛擬模型，以及 3D VR 環境，因此能直接執行和檢查機器人的運動順序。

即使沒有任何實體硬體，透過這些特點也可以支援自動化系統的微調和最佳化，並可快速探索多種解決方案的可能性。

本文會先回顧數學式資料描述型數位雙生，以及視覺式數位雙生 (VR twin) 之間的區別，然後說明為何需要兩者才可打造工業元宇宙。接著會介紹 Igus 的機器人控制系統和相關軟體，可在 3D 介面 (視覺式數位雙生) 上模擬機器人，而無需使用任何實體硬體，並可搭配相容的三角式、線性和多軸機器人使用，以達到最佳化的解決方案。

數位雙生和 VR 是使用不同視覺化型式、互動方式與硬體的互補技術。數位雙生是一種針對實體物件、系統或流程所製作的資料式模型。其設計可在模型化物件的整個生命週期內使用，從初始概念到退役和回收都包括在內。

VR 是一種沉浸式的視覺化技術，並且也使用數位模型。在 VR 環境中，可以模擬物件之間的關係和互動，例如機器人執行任務。雖然這兩種技術都可用於設計和模擬，但數位雙生技術側重於整體生命周期的考量，而 VR 則著重於實體物件之間的互動。

元宇宙將數位雙生和 VR 結合在一個專門打造的虛擬環境中，可支援數位物件與人員之間的即時互動。這通常會聯想到電玩，但已逐漸應用在商業和工業活動中。

歡迎來到 iguverse。

igus 開發了 iguverse 元宇宙，可支援工業環境中的工程互動，例如機器人系統的開發和部署。iguverse 可以透過 igus Robot Control (iRC) 軟體實作。這款免費且免授權的應用程式，能讓使用者控制多種機器人，包括三角式機器人、協作機器人 (機械手臂) 和龍門機器人。

能為使用者提供一個 3D 介面和 100 多個範例程式。實作 iRC 的系統要求包括一台裝有 Windows 10 或 11 (64 位元) 的 PC (至少 Intel i5 CPU)、500 MB 的可用磁碟空間，以及乙太網路或無線網路連線。

此軟體的核心是針對已編程機器人製作的 3D 數位雙生。有個範例是工作空間為 500 x 500 x 100 mm 的三軸線性龍門機器人 (如 DLE-RG-0001-AC-500-500-100 型號)，或是工作空間為 800 x 500 mm 的雙軸 xy 致動器 (如 DLE-LG-0012-AC-800-500 型號) (圖 1)。設計人員只需按幾下滑鼠即可指定運動，並使用 3D 模型來確保所需的運動是可行的，甚至在購買機器人之前就可確認。

圖 1：iguverse 中的三軸龍門機器人 3D VR 數位雙生範例。(圖片來源：igus)

除了 iRC 軟體之外，機器人控制器也是 iguverse 開發環境中的關鍵元件。例如，IRC-LG12-02000 型號適用於 48 V 馬達，具有 7 道輸入和 7 道輸出，並有一條 10 m 長的電纜可用來連接機器人。IRC 控制器含有多種尺寸雙極性步進馬達用的馬達驅動模組，且提供可配置或預配置的款式。更具有多個介面可進行系統整合，包括：

• 可編程邏輯控制器 (PLC) 介面，可透過數位輸入和輸出進行控制，特別適合透過 PLC 或按鈕輕鬆啟動和停止程式
• Modbus TCP 介面可透過 PLC 或 PC 進行控制
• 通用機器人介面 (CRI) 乙太網路，可使用 PLC 或 PC 進行控制和配置
• 機器人作業系統 (ROS) 介面，可使用 ROS 操作機器人
• 物件偵測攝影機用的介面
• 遠端監測機器人狀態的雲端介面

支援的運動學

iguverse 支援多種運動學 (基本運動)，以指定機器人的受控運動。除了預先配置的運動學之外，IRC 還可以配置額外最多三個獨立運動的軸。預配置的運動學包括：

• 雙軸和三軸的三角式機器人
• 龍門機器人 ，
  • 雙軸 (X 軸和 Y 軸)
  • 雙軸 (Y 軸和 Z 軸)
  • 三軸 (X、Y 和 Z 軸)
• 機械手臂 (協作機器人)，
  • 三軸 (軸 1、2、3)
  • 三軸 (軸 2、3、4)
  • 四軸 (軸 1、2、3、4)
  • 四軸 (軸 2、3、4、5)
  • 五軸 (軸 1 至 5)
  • 六軸 (軸 1 至 6)
• 四軸 SCARA 機器人

輕鬆編程，達到低成本自動化

igus 機器人和 IRC 可支援低成本自動化。如果沒有容易使用的編程介面，就無法達成。可利用三鍵滑鼠或遊戲手把在 iguverse 中移動和定位機器人。透過 IRC 軟體，使用者就可以在 3D 介面中自由移動數位雙生的所有軸。指導輸入功能可支援機器人控制軟體的開發，即使沒有連接實體機器人也適用。

為了實作指導輸入功能，使用者需手動將虛擬機器人移動到所需位置，然後定義其移動方式。重複此流程，直到建立完整的運動曲線為止。IRC 軟體中的工具中心能讓使用者添加匹配的末端效應器，如夾具，就可輕鬆自動調整機器人上的工具中心點。此外，還可以添加與更高等級工業控制系統的連接。

此過程首先要在介面中，依據需求使用 [connect (連接)]、[reset (重置)] 和 [enable (啟用)] 按鈕來啟動機器人。IRC 上的狀態 LED 指示燈應該會亮起綠色，並且狀態應顯示「No Error」(無錯誤)。現在即可透過「Jogging」分頁來輸入運動曲線 (圖 2)。

圖 2：iguverse 沉浸式開發環境中的「Jogging」分頁 (左下角) 可用來輸入運動設定檔。(圖片來源：igus)

龍門機器人

龍門機器人，就像上述 iguverse 範例中包含的機器人一樣，由兩個基礎 X 軸、一個 Y 軸和一個選配的 Z 軸組成。Y 軸連接到兩個平行的 X 軸，會在二維空間中來回移動。選配的 Z 軸則支援第三個維度的運動。

igus 的龍門機器人具有自潤滑塑膠襯墊，比起傳統的滾珠軸承式設計，在滑動和滾動上更平穩且更安靜。新型設計的重量更輕、耐腐蝕且免維護，這對中小企業來說都是相當重要的特質。對中小企業同樣重要的是，這些機器人的成本比起傳統的龍門機器人最多減少 40%，因此能更達到投資回報 (ROI)。

這些機器人適用於兩類應用：低速高負載，或高速低負載。代表性應用包括包裝、拾放、貼標、材料搬運和組裝作業。

提供多種尺寸可供選擇。可用的配件包括聯軸器、末端效應器和馬達凸緣。中型龍門機器人的範例包括：

• DLE-FG-0006-AC-650-650 屬於二維平面龍門機器人，工作空間為 650 x 650 mm。此機器人可以處理高達 8 kg 的酬載，動態速率高達每分鐘 20 次拾取。
• DLE-RG-0012-AC-800-800-500 屬於三維龍門機器人，工作空間為 800 x 800 x 500 mm。可以處理高達 10 kg 的酬載，動態速率高達每分鐘 20 次拾取。

堆棧實力

將產品堆在棧板上進行運輸，在製造與物流作業中屬於每天的例行工作。iguverse 最新且最大型的成員就是 XXL 大型龍門機器人，其工作空間為 2,000 x 2,000 x 1,500 mm，非常適合重達 10 公斤的堆棧應用。可提供工作空間達 6,000 x 6,000 x 1,500 mm 的客製化設計。

這些龍門機器人可以拾取重達 10 kg 的零件，以高達 500 mm/s 的速度運輸，且能以 0.8 mm 的重複精度將零件放置在棧板上 (圖 3)。igus 堆棧機器人解決方案的成本比同類系統降低最多 60%。

圖 3：堆棧在製造和物流作業中是常見且重要的活動，可以使用龍門機器人達到自動化。(圖片來源：igus)

三角式機器人

與龍門機器人一樣，三角式機器人也有雙軸或三軸款式可供選擇。三角式機器人會在工作區上方架設一個圓頂狀的工作罩。具有極高的速度，經常用於材料搬運和零件放置。igus 的三角式機器人範例包括：

• RBTX-IGUS-0047 採用三軸設計，工作空間直徑為 660 mm。精度為 ±0.5 mm，最大酬載為 5 kg，最大速度為 0.7 m/s，每分鐘最多可執行 30 次拾取。(圖 4)。
• RBTX-IGUS-0059 採用雙軸設計，工作空間直徑為 700 mm。精度為 ±0.5 mm。最大酬載為 5 kg，最大速度為 2 m/s，每分鐘最多可執行 50 次拾取。

圖 4：三軸三角式機器人位於 igus iRC (左) 旁的範例。(圖片來源：DigiKey)

關節臂協作機器人

iguverse 也支援關節臂協作機器人。協作機器人可以有 2 至 10 個或更多的軸，這也稱為自由度 (DOF)。通常具有較大的工作罩，並且可以與人員搭配合作執行複雜的任務。igus 的 REBEL-6DOF-02 型號有 6 DOF，REBEL-4DOF-02 型號則有 4 DOF。兩者的精度均為 ±1 mm，標稱工作範圍為 400 mm，每分鐘至少可執行 7 次拾取，線性速度為 200 mm/s。

6 DOF 型號的最大酬載為 2 kg，最大接觸距離為 664 mm。4 DOF 型號的最大酬載為 3 kg，最大接觸距離為 495 mm (圖 5)。

圖 5：關節臂協作機器人具有 4 DOF (左) 和 6 DOF (右)。(圖片來源：igus)

結論

iguverse 沉浸式工業元宇宙結合了數位雙生和 VR，可提供快速開發和部署機器人解決方案所需的工具。免費且無需授權，且無需雲端連線就可在 PC 上本機執行。可用於開發和測試機器人解決方案，且無需機器人在場。

可支援三角式機器人、龍門機器人、機器人手臂 (協作機器人) 和 SCARA 機器人中的各種運動學。IRC 含有一系列介面，可支援自動化和操作上的需求，包括 PLC 介面、Modbus TCP/IP、CRI 乙太網路、ROS 介面、物件偵測攝影機用的介面和雲端介面。igus 的 iguverse、iRC 和相關機器人皆經過最佳化，可支援中小企業的低成本自動化需求。